DE10202237A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer induktions-Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die geeignet ist zur Verwendung als Anlasser-Lichtmaschine für Kraftfahrzeug, umfassend einen Wechselrichterkreis, eine Gleichrichterschaltung und eine Ständerwicklung, welche die Wechselrichterschaltung mit der Gleichrichterschaltung verbindet. Außerdem wird ein Schalter-Schaltkreis mit zwei Schaltern verwendet, um den Wechselrichterkreis mit der Gleichrichterschaltung zu verbinden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird unter anderem die Funktion des Schalterkreises so gesteuert, dass in einer Betriebsart Anfahren die Schalter geschlossen sind, und in einer Betriebsart Generatorbetrieb die Schalter geöffnet sind; so kann aus der elektrischen Maschine ein hohes abgegebenes Drehdokument und außerdem ein breiter Bereich der Betriebsdrehzahl erzielt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine und eine solche mit einer Spannungsquelle, einem Ständerwicklungskreis, einem Wechselrichterkreis und einer Gleichrichterschaltung.

Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sind typischerweise sowohl mit einem Anlassermotor als auch einer Drehstromlichtmaschine versehen. In den letzten Jahren wurde eine kombinierte Drehstromlichtmaschine und Anlassermotor vorgeschlagen. Beim ersten Starten des Fahrzeugs arbeitet die Anlassermotor/­ Drehstromlichtmaschine wie ein Anlasser. Beim Betrieb als Anlasser erzeugt die Anlassermotor/Drehstromlichtmaschine ein genügend großes Drehmoment, um die Kurbelwelle des Motors zu drehen, bevor die Zylinder gezündet werden. Nachdem der Motor gestartet ist, wird die Anlassermotor/Drehstromlichtma­ schine als Generator genutzt, um elektrische Leistung bereitzustellen für das elektrische System des Fahrzeugs und/oder zur Abschwächung der Kraftübertragung.

In zukünftigen Kraftfahrzeuganwendungen kann der Motor bei Stopps, z. B. bei Rotlicht an einer Ampel, abgeschaltet werden. Wenn das Gaspedal heruntergedrückt ist, wird der Motor das Zünden wieder aufnehmen. So würden im Verlaufe einer Fahrt viele Starts auftreten. Eine Beschleunigung bei solchen Systemen ist ohne Eingriffnahme von Natur aus gering, da nach dem Start die Größen des Drehmoments vom Motor niedrig sind. So können Anlasser/­ Drehstromlichtmaschinen genutzt werden, um zur Unterstützung der Beschleunigung des Fahrzeugs auch ein Verstärkungsmoment zur Verfügung zu stellen.

Es gibt zwei eindeutige Merkmale, die das Drehmoment gegenüber der Anforderung an die Drehzahl von Anlasser/Drehstromlichtmaschinen kennzeichnen. Das erste ist das hohe Drehmoment, das benötigt wird, um Starts von kalten Motoren durchzuführen. Das zweite deutliche Merkmal ist die Anforderung einer hohen Leistung im Generatorbetrieb in einem breiten Drehzahlbereich. Um sowohl das geforderte Startdrehmoment als auch die erforderliche Leistung im Generatorbetrieb gleichzeitig zu erfüllen, sind die Ständerwicklungen einer Anlassermotor/Drehstromlichtmaschine typischer­ weise mit einer geringen Anzahl von Reihenwindungen versehen, um einen breiteren Drehzahlbereich bei Generatorbetrieb zu ermöglichen. Um gleichzeitig die Anforderung an das Drehmoment beim Start mit einer geringen Anzahl von Reihenwindungen zu erfüllen, wird eine hohe Stromgröße benötigt, was dazu führt, dass die Anlasser/Drehstromlichtmaschine ein verhältnismäßig hohes Stromspitzenverhältnis aufweist, das für ein elektrisches 42 Volt System oft 700 Ampere überschreitet. Der hohe Spitzenstrom erhöht die Bemessung des Stroms für die Leistungsgeräte, Verkabelung und Schaltverbindungen.

Außerdem sind die Kosten, thermischen Anforderungen, Auflagen der elektromagnetischen Interferenz und Kompatibilität erhöht.

Es ist dabei, eine Anlassermotor/Drehstromlichtmaschine zur Verfügung zu stellen, die beim Starten mit einem verringerten erforderlichen Spitzenstrom betrieben werden kann und die für den Generatorbetrieb in einem erweiterten Drehzahlbereich arbeitet.

Bekannte Verfahren zur Verwirklichung dieser Ziele umfassen die Rekonfigura­ tion der Ständerwicklungen von Reihen- zu Parallelbetrieb oder deren Änderung von einer Ausführung als Sternwicklung zu der einer Dreieckswicklung. Diese Typen von Ausführungen ermöglichen es, dass die Ständerwicklung eine größere Anzahl von Reihenwindungen beim Starten als bei Generatorbetrieb aufweist. Typischerweise sind jedoch solche Systeme auf Grund der mechani­ schen Schalter, die zur Bereitstellung der Rekonfiguration benötigt werden, sehr komplex und kostspielig.

Es sind auch schon Gleichspannungswandlers mit Verstärkung bereit gestellt worden, um den Wechselrichter und die Maschine während des Generatorbetriebs mit einer gegenüber der im Fahrzeug vorgesehenen Batterie- Nennleistung erhöhten Spannung zu versorgen. Dies erlaubt eine Erhöhung der Anzahl der Reihenwindungen innerhalb der Ständerwicklungen, was die Größe des Stroms, der zur Erzielung des gleichen Drehmoments zum Starten benötigt wird, verringert. Die mit einem solchen Gleichspannungswandler verbundenen Kosten sind typischerweise untragbar.

Diese Probleme einer Rekonfiguration der Ständerwicklungen oder die Ergänzung eines Gleichspannungswandlers zur Ermöglichung eines hohen Startdrehmoments und eines breiten Drehzahlbereichs sind möglichst zu vermeiden.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein verbessertes, integriertes System Anlasser/Drehstromlichtmaschine zur Verfügung zu stellen, das zur Verwendung als Anlassermotor geeignet ist, mit dem beim Starten ein hohes Drehmoment erzielt werden kann, während bei Generatorbetrieb eine hohe Leistung über einen breiten Bereich von Drehzahlen bereitgestellt wird.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen erfasst.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das System einen Wechselrich­ terkreis, eine Gleichrichterschaltung und eine elektrische Maschine, die einen Ständerkreis aufweist, der den Wechselrichterkreis und die Gleichrichterschal­ tung verbindet. Zwei Schalter verbinden die Gleichrichterschaltung selektiv mit dem Wechselrichterkreis, so dass die Schalter in der Betriebsart Starten geschlossen und in der Betriebsart Generatorbetrieb geöffnet sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Spannungsquelle, einer elektrischen Maschine mit einem Ständerwicklungskreis, einem Wechselrichterkreis und einer Gleichrichterschaltung die Schritte: in der Betriebsart Starten, das direkte Verbinden der Spannungsquelle mit dem Wechselrichterkreis durch zwei Schalter; in der Betriebsart Generatorbetrieb, das Öffnen der beiden Schalter, um den Wechselrichterkreis von der Spannungsquelle zu trennen.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die für die Verkabelung und Schaltverbindun­ gen erforderliche Stromkapazität erheblich reduziert ist. Das trifft zu, selbst wenn für solche Ausführungen einer höherer Spannungsbedarf besteht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die verhältnismäßig große Anzahl von an den Wechselrichterteil des Reglers angeschlossenen Reihenwindungen so ist, dass die Größe des magnetisierenden Stroms geringer ist im Vergleich zu einer Maschinenausführung mit niedrigerer Windungszahl. Dies reduziert das Schalten des Wechselrichters und Leitungsverluste. Ein noch anderer Vorteil der Erfindung ist, dass das Verhältnis der Windungen zwischen den Gruppen der Ständerspulen in Abhängigkeit von den speziellen Systemanforderungen verändert werden kann.

Weitere Zwecke und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung und angefügten Patentansprüchen deutlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Kurvendarstellung des erforderlichen Drehmoments als Funktion der Drehzahl einer Anlasser/Drehstromlichtmachine für ein Kraftfahrzeug;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;

Fig. 3 die schematische Teilansicht eines anderen Ständerkreises nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Kurvendarstellung eines Drehmoments als Funktion der Drehzahl für verschiedene Betriebsarten einer Anlasser/Drehstromlichtmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 die schematische Ansicht einer anderen Schaltung nach der vorliegenden Erfindung für eine elektrische Maschine.

In den folgenden Abbildungen werden die gleichen Bezugszeichen genutzt, um die gleichen Bauteile in den verschiedenen Ansichten zu erkennen. Die vorlie­ gende Erfindung wird mit Bezug auf eine Anlasser/Drehstromlichtmaschine für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Der Fachmann wird jedoch andere Anwendun­ gen für die elektrische Maschine erkennen, die ein hohes Startmoment und einen Generator erfordern, der in einem breiten Drehzahlbereich arbeitet.

Fig. 1 veranschaulicht das Drehmoment M über der Drehzahl n in verschiedenen Betriebsphasen wie eingangs beschrieben. Beim Start wird im niedrigen Drehzahlbereich ein hohes Startmoment Ms des Anlassermotors benötigt, später im Betrieb nur noch ein konstantes geringeres Generatormoment Mg, allerdings über einen breiten Drehzahlbereich jenseits der Startdrehzahl.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines zur Nutzung als Anlasser- Lichtmaschine in einem Kraftfahrzeug geeigneten elektrischen Maschi­ nensystems 10. Das elektrische Maschinensystem 10 umfasst einen Wechselrichterkreis 12 und eine Gleichrichterschaltung 14. Ein Ständerkreis 16 der elektrischen Maschine ist zwischen dem Wechselrichterkreis 12 und der Gleichrichterschaltung 14 gekoppelt. Ein Schalterkreis 18 koppelt selektiv den Wechselrichterkreis 12 mit der Gleichrichterschaltung 14 zusätzlich zu einem Ständerkreis 16. Der Schalterkreis 18 umfasst einen ersten Schalter, den Schalter A, und einen zweiten Schalter, den Schalter B. Gemäß Darstellung sind die Schalter A und B als mechanische Schalter veranschaulicht. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass verschiedene Typen von Schaltern einschließlich elektrischer Schalter verwendet werden können. Vorzugsweise arbeiten die Schalter A und B gleichzeitig.

Der Wechselrichterkreis 12 enthält eine Vielzahl von Schaltelementen 20A-20F und einen Kondensator 22. Das Schaltelement kann Transistoren und Dioden enthalten wie es für sich bekannt ist. Der Wechselrichterkreis 12 wird verwendet, um die Funktion des Ständerkreises 16 zu steuern wie es nachstehend weiter beschrieben wird. Zusätzlich zu den gezeigten Elementen umfasst der Wechselrichter 12 eine Schaltung, um die Schaltelemente 20A-20F in einer gewünschten Weise zu steuern.

Der Wechselrichterkreis 12 ist mit einer Versorgungsleitung 24 und einer Rück­ leitung 26 der elektrischen Maschine 10 gekoppelt. Jedes Schaltelement ist entweder mit der Versorgungsleitung 24 oder mit der Rückleitung 26 verbunden. In der vorliegenden Ausführung sind die Schaltelemente 20A, 20C und 20 E mit der Versorgungsleitung 24 verbunden. Die Schaltelemente 20B, 20D und 20F sind mit der Rückleitung 26 verbunden. Die Schaltelemente 20A und 20B haben einen dazwischen liegenden, gemeinsamen Knoten N1. Die Schaltelemente 20C und 20D weisen einen dazwischen liegenden, gemeinsamen Knoten N2 auf. Die Schaltelemente 20E und 20F haben einen dazwischen liegenden, gemeinsamen Knoten N3.

Die Gleichrichterschaltung 14 ist vorzugsweise ein Vollwellen-Gleichrichter mit den Dioden D1-D6. Die Dioden D1, D3 und D5 sind mit der Versorgungsleitung 24 gekoppelt. Gemäß Darstellung ist die Kathode der Dioden D1, D3 und D5 mit der Versorgungsleitung 24 verbunden. Die Dioden D2, D4 und D6 sind mit der Rückleitung 26 verbunden. Das heißt, die Dioden D2, D4 und D6 haben Ano­ den, die mit der Rückleitung 26 verbunden sind. Die Dioden D5 und D6 besitzen einen dazwischen liegenden, gemeinsamen Knoten N4. Die Dioden D3 und D4 weisen einen dazwischen liegenden, gemeinsamen Knoten N5 auf. Die Dioden D1 und D2 besitzen einen dazwischen liegenden, gemeinsamen Knoten N6.

Jedes der Diodenpaare D1 und D2, D3 und D4, sowie D5 und D6 haben eine entsprechende Anode, die mit der jeweiligen Kathode verbunden ist. Der Ständerkreis 16 enthält normalerweise drei Wicklungen, die in einer vorgege­ benen Art und Weise ausgeführt sind. Wie es ferner beschrieben wird, können alternative Ausführungen von Phasenwicklungen genutzt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. In diesem Ausführungsbeispiel besitzen die drei Wicklungen 28A, 28B und 28C jeweils einen entsprechenden Phasenleiter 30A, 30B und 30C, der jeweils mit den Knoten N3, N2 und N1 des Wechselrichterkreises 12 verbunden ist. Die Wicklungen 28A, 28B und 28C haben einen dazwischen liegenden, gemeinsamen Knoten N7, der den gemein­ samen Knoten einer Stern-Ausführung darstellt. Jede der Wicklungen weist einen Phasenleiter 32A, 32B und 32C auf, die jeweils mit den Knoten N6, N7 und N8 der Gleichrichterschaltung 14 verbunden sind. Die Phasenleiter 32A, 32B und 32C sind mit den Wicklungen 28A, 28B und 28C als ein angezapfter Phasenleiter verbunden.

Eine Spannungsquelle 34, wie eine Batterie, ist mit der Versorgungsleitung 24 und der Rückleitung 26 verbunden, so dass der positive Leiter der Spannungs­ quelle 34 mit der Versorgungsleitung 24 und die neutrale Seite der Batterie mit der Rückleitung 26 verbunden ist.

In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Ständerkreises 16' dargestellt, der mit einer Doppelwicklung ausgeführt ist. Anstelle der Verwendung einer angezapften Wicklung gemäß Fig. 2, weist die Ständerwicklung 16' eine erste Wicklung 40A, 40B und 40C, die in Stern-Ausführung verbunden ist, und eine dazu angeordnete, zweite Wicklung 42A, 42B und 44C, die mit einer Gleichrichterschaltung 14 verbunden ist, auf. Die Wicklungsanzahl der ersten Wicklung ist vorzugsweise größer als die Wicklungszahl der zweiten Wicklung. Die Wicklungen 40A, 40B und 40C sind mit dem Wechselrichterkreis verbunden.

Der Fachmann wird erkennen, dass weitere Ausführungen der Ständerwicklung möglich sind, die mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Ein Beispiel ist eine angezapfte Ständerwicklung. In dieser Ausführung könnte der innere Teil der Ständerwicklung, der mit der Gleichrichterschaltung verbunden ist, entweder mit einer Stern- oder Dreiecksschaltung verbunden werden. Andere Beispiele enthalten eine Ausführung mit Doppelständerwicklung, in der jede Gruppe oder beide Gruppen von Ständerwicklungen anstelle einer Stern­ schaltung mit einer Dreieckschaltung verbunden sein könnten.

Die Funktion der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Schaltungen ist ähnlich und wird deshalb nachstehend gleichzeitig erörtert.

Bei Betrieb sind zwei eindeutige Betriebsarten vorhanden; eine Betriebsart Starten und eine Betriebsart Generatorbetrieb. Die Schalter A und B werden vorzugsweise gleichzeitig gesteuert. In der Betriebsart Starten sind die Schalter A und B geschlossen und der Wechselrichterkreis 12 wird in einer Weise betrieben, um das gewünschte Startmoment zu erzielen. In der Betriebsart Starten läuft der Betrieb mit einer relativ niedrigen Drehzahl im Verhältnis zu der Höchstdrehzahl der elektrischen Maschine 10. Deshalb ist die Gegen-EMK in der Maschine verhältnismäßig gering, und die Dioden D1-D6 in der Gleichrich­ terschaltung 14 lassen keinen Strom durch. Bei elektrischer Betrachtung von den Wechselrichteranschlüssen aus, scheint die elektrische Maschine 10 eine relativ große Anzahl von Reihenwindungen in der Betriebsart Starten zu haben.

In der Betriebsart Generatorbetrieb sind die Schalter A und B geöffnet, um die Batterie 34 vom Wechselrichter 12 zu trennen. Der Wechselrichterkreis 12 wird so betrieben, dass die mit den Knoten N1, N2 und N3 verbundenen Wicklungen mit dem notwendigen magnetisierenden Feld erregt werden, welches von der Maschine benötigt wird. Das durch diese Erregung erzeugte Magnetfeld induziert eine Spannung in den Ständerwicklungen, die mit den Dioden der Gleichrichterschaltung 14 verbunden sind. Die in den Ständerwicklungen induzierte Spannung bewirkt, dass die Dioden den Strom durchlassen, und deshalb wird Energie zurück in die Batterie und das elektrische System des Fahrzeugs erzeugt. Die Größen von erzeugter Energie können gesteuert werden, indem die Höhe der Einspeisung zur Magnetisierungserregung von dem Wechselrichterkreis 12 verändert wird.

In Fig. 4 werden qualitativ und für eine Bauart auch quantitativ Drehmomente als Funktion der Drehzahl der in Fig. 2 gezeigten elektrischen Maschine dargestellt. Die Verläufe der Drehmomente als Funktion der Drehzahl sind abhängig von der Anzahl der Windungen, die für die Spulengruppen in jeder der Phasen- Ständerwicklungen für einen gegebenen Phasenstrom der elektrischen Maschine gewählt wurde. Die Anzahl von Windungen in den beiden Spulengrup­ pen kann unabhängig voneinander gewählt werden. Dies steht im Gegensatz zu der beschriebenen Ausführung mit Schalter, in der nur ein festes Verhältnis genutzt werden kann.

Das Motor-Moment Mm1 und das Generator-Moment Mg1 ist gegeben, wenn die Maschine mit dem Wechselrichterteil direkt mit der Gleichstromquelle verbunden ist. Die entsprechenden Übergangs-Momente Mm2 und Mg2 sind gegeben, wenn der Wechselrichterteil von der Gleichstromquelle getrennt wird. Mg3 schließlich ist der mögliche Momentenverlauf bei Betrieb mit der Gleichrichterschaltung 14. Die Betriebsarten werden im Folgenden noch erläutert.

In Fig. 5 sind mehrere Betriebsarten veranschaulicht; es sind im wesentlichen vier Betriebsarten möglich. Die ersten beiden Betriebsarten werden realisiert, wenn der Wechselrichterkreis 12 direkt mit der Spannungsquelle 34 gekoppelt ist. Wenn die elektrische Maschine 10 in dieser Betriebsart zweckmäßig gesteuert wird, werden die Dioden D1-D6 keinen Strom durchlassen, und die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 10 entspricht der einer Maschine mit den gleichen gesamten Reihenwindungen in der Ständerwicklung, die betrieben wird, indem ein Wechselrichter mit der Spannungshöhe der Spannungsquelle 34 verwendet wird.

In einer zweiten Betriebsart sind die Betriebsfähigkeit der Maschine und die Gleichrichterschaltung 14 als Generator veranschaulicht. In dieser Betriebsart wird der Wechselrichterkreis 12 betrieben, um die notwendige Erregung für die Maschine zu erzeugen, so dass die Dioden D1-D6 des Gleichrichterkreises 14 Strom führen. Die Leistungsfähigkeit des Generatorbetriebs ist für das gleiche Stromverhältnis im Wechselrichter und Diodengleichrichterteil gezeigt. Es soll jedoch angemerkt werden, dass dieses gleiche Stromverhältnis keine Forderung ist.

Die in der Abbildung gezeigten letzten beiden Fähigkeiten stehen für die Betriebsart, bei welcher der Wechselrichterkreis 12 von der Spannungsquelle 34 getrennt ist und betrieben wird, um ein Drehmoment für Übergangs- Motorbetrieb oder Generatorbetrieb zu erzeugen. Diese werden als Strichlinien in Fig. 5 dargestellt. Wegen dieser Ausführungen muss die gesamte Energie, die zur Erzeugung des Übergangsdrehmoments erforderlich ist oder durch das Übergangsdrehmoment erzeugt wird, entweder vom Kondensator 22 kommen oder in diesem gespeichert werden. Weil der Kondensator eine beschränkte Größe und ein bestimmtes Spannungsverhältnis aufweist, ist in diesem Bereich nur eine begrenzte Betriebsfähigkeit möglich, und deshalb ist dieser das Übergangsniveau zugeordnet. Der erweiterte Bereich des konstanten Drehmoments für die Übergangsbetriebsart ist ein Ergebnis der erhöhten Spannung, die im Wechselrichterteil des Reglers benötigt wird, um die erforderliche Magnetisierungserregung zu liefern, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine 10 zunimmt.

In der speziellen Funktion der Schaltung, wenn der Wechselrichterkreis 12 von der Spannungsquelle 34 getrennt ist, muss die Ladung im darüber angeschlos­ senen Kondensator 22 auf einer Höhe gehalten werden, so dass eine genügende Spannung vorhanden ist, um das erforderliche Magnetfeld zu liefern. Daher wird der Wechselrichterkreis 12 gesteuert, um nicht nur den Magnetisierungsstrom sondern auch eine kleine, ein Drehmoment entwickelnde Stromkomponente zu erzeugen. Die erforderliche Größe dieses ein Drehmoment entwickelnden Stroms ist so, dass sie die Verluste kompensiert, die mit der Erzeugung der Magnetisierungserregung an die Maschine verbunden sind, wodurch die gewünschte Spannung im Kondensator aufrechterhalten wird. Wenn sich die Drehzahl der elektrischen Maschine 10 erhöht, wird die zur Lieferung der erforderlichen Magnetisierungserregung benötigte Spannung zunehmen. Auf Grund der relativ großen Anzahl von mit dem Wechselrichterteil des Reglers verbundenen Reihenwindungen wird diese Spannung möglicherweise zunehmen, bis sie größer als die der Spannungsquelle 34 ist, wobei ihr Spitzenwert ungefähr der Spannung der Energieversorgung entspricht, multipliziert mit dem Verhältnis der gesamten Reihenständerwindungen, die an den Wechselrichterkreis mit der Anzahl von mit der Gleichrichterschaltung 14 verbundenen Reihenwindungen angeschlossen sind. Die erhöhte Spannung im Wechselrichterteil des Reglers erfordert Schaltelemente 20 im Wechselrichterkreis 12, die ein höheres Spannungsverhältnis als die Dioden D1-D6 in der Gleichrichterschaltung 14 aufweisen. Das erhöhte Spannungsverhältnis des Bauelements wird ausgeglichen durch das reduzierte Stromverhältnis im Vergleich zu solchen Ausführungen, die im Hintergrund beschrieben wurden, in denen eine einzelne Gruppe von Phasenleitern und der Wechselrichterkreis immer mit der Spannungsquelle verbunden sind. Vorteilhafterweise erfordert das reduzierte Stromverhältnis somit eine verringerte Stromkapazität für die Verkabelung und die dazugehörigen Schaltverbindungen. Ein weiterer Vorteil des Systems ist, dass der höhere Spannungsteil von anderen Teilen in einem Fahrzeug isoliert ist. Außerdem läßt die kurze Dauer der Startvorgänge und der in den mit dem Wechselrichterkreis 12 verbundenen Wicklungen benötigte relativ geringe Magnetisierungsstrom zu, die Wicklungsdrähte mit einem höheren Normalmaß auszubilden, womit in den Schlitzen für die mit der Gleichrichterschaltung 14 verbundenen Wicklungen mehr Platz verfügbar wird, was somit ihren Widerstand senkt und folglich Verluste reduziert.

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, mit denen die Anschlussleistung im Generator­ betrieb, die zum Ausgleich von elektrischen Verlusten benötigt wird, gesteuert werden könnte. Die erste wäre, ihn ständig auf seinen Niveaus laufen zu lassen, die eng auf die der elektrischen Verluste abgestimmt sind. In diesem Verfahren würde die Spannung des Kondensators über dem Wechselrichterkreis ungefähr konstant bleiben, mit der notwendigen Zunahme der Spannung, wenn die Drehzahl zunimmt. Ein zweites Verfahren wäre, die Anschlussleistung im Gene­ ratorbetrieb pulsierend zu steuern, so dass die Spannung des Kondensators über dem Wechselrichterkreis auf ein höheres Niveau ansteigen würde, während die Last im Generatorbetrieb vorhanden wäre und anschließend auf ein niedrigeres Niveau abklingen zu lassen, wenn die Last des Generator­ betriebs weggenommen wäre. Das Aufbringen und Wegnehmen der Last im Generatorbetrieb wird durch die zulässige Änderung der Spannungshöhe (kalibrierbar) bestimmt. Es soll angemerkt werden, dass die Größe der durch­ schnittlich benötigten Generatorlast vorzugsweise die mit der Energieversorgung verbundenen elektrischen Verluste ausgleicht.

In Fig. 5 werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um die funktionsgleichen Komponenten von Fig. 2 zu reflektieren. In dieser Schaltung sind jedoch die Schalter A' und B' innerhalb der Gleichrichterschaltung 14 verlegt worden. Zwei Dioden D7 und D8 werden verwendet, um die Gleichrichterschaltung 14' vom Wechselrichterkreis 12 zu trennen. In Funktion werden die Schalter A und B während der Betriebsart Starten geöffnet, und der Wechselrichterkreis 12 wird identisch zu dem oben beschriebenen betrieben. Die Schalter A' und B' verhindern bei Verwendung in Verbindung mit den Dioden D7 und D8, dass während der Betriebsart Starten der zirkulierende Strom zwischen der Gleichrichterschaltung 14 und dem Wechselrichter 12 fließt. Die Dioden D7 und D8 haben die Klemmenspannung des Wechselrichterkreis 12, so dass sie nicht unter die der Spannungsquelle 34 fallen. Die Dioden D7 und D8 können zulassen, dass sich der Wechselrichterkreis auf einer Spannungshöhe befindet, die höher als die der Spannungsquelle 34 bei der Betriebsart Starten ist. Diese Situation würde auftreten, wenn der Kondensator über dem Wechselrichterkreis auf eine höheres Spannungsniveau geladen wäre wie es während der Betriebsart Generatorbetrieb auftreten kann. Das Vorhandensein eines höheren Spannungsniveaus läßt mehr energetische Starts zu, was speziell für eine Betriebsart Stoppen/Starten in einem Kraftfahrzeug nützlich wäre.

Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel analog Fig. 5 eliminiert die Schalter A' und den Schalter B'. Der Betrieb eines solchen ist dem oben beschriebenen ähnlich.

Während spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrie­ ben worden sind, werden dem Fachmann zahlreiche Änderungen und andere Ausführungsbeispiele in den Sinn kommen, die in den Umfang der Erfindung fallen.

Claims (16)

1. Elektrische Maschine mit einer Spannungsquelle, umfassend einen Wechselrichterkreis; eine Gleichrichterschaltung; einen Ständerkreis, der den Wechselrichterkreis mit der Gleichrichterschaltung verbindet; ein Paar von Schaltern, die selektiv den Wechselrichterkreis mit der Spannungsquelle verbinden, so dass die Schalter in einer Betriebsart Starten geschlossen sind und in einer Betriebsart Generatorbetrieb geöffnet sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständerkreis eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, die einen entsprechenden angezapften Phasenleiter aufweisen.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Wicklungen in einer Sternschaltung verbunden sind.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständerkreis eine Ausführung als Doppelwicklung aufweist, in der ein erster Wicklungsteil von einer zweiten Wicklung elektrisch getrennt, zu dieser angeordnet und mit dieser magnetisch verbunden ist.

5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständerkreis mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einer dritten Wicklung, die in einer Sternschaltung verbunden sind, wobei jede Wicklung einen Phasenleiter, der mit dem Wechselrichterkreis verbunden ist, und einen angezapften Phasenleiter aufweist, der mit der Gleichrichterschaltung verbunden ist.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Anlasser- Lichtmaschine aufweist.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar von Schaltern in die Gleichrichterschaltung einbezogen ist.

8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Paar von Dioden zwischen einem entsprechenden Schalter und dem Wechselrichterkreis angeschlossen sind.

9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung einen Vollwellen- Gleichrichter aufweist.

10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der angezapfte Leiter eine Anzahl effektiver Wicklungswindungen aufweist, die geringer als seine entsprechende Wicklung ist.

11. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einer Spannungsquelle, einem Ständerwicklungskreis, einem Wechselrichterkreis und einer Gleichrichterschaltung, das die Schritte umfasst:
in einer Betriebsart Starten, das direkte Verbinden der Spannungsquelle mit dem Wechselrichterkreis durch ein Paar von Schaltern;
in einer Betriebsart Generatorbetrieb, das Öffnen des Paars von Schaltern, um den Wechselrichterkreis von der Spannungsquelle zu trennen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenbrücke eine Vielzahl von Dioden enthält, wobei der Schritt des direkten Verbindens umfasst, die Funktion der Vielzahl von Dioden nicht stromleitend zu steuern.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Öffnens die Schritte umfasst, die Funktion der Vielzahl von Dioden stromführend zu steuern.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des direkten Verbindens die Funktion, die Vielzahl von Dioden nicht stromführend zu steuern, umfasst.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Induzierens eines Magnetfeldes in den Ständerwicklungen so ist, dass der Spannungsquelle Leistung zugeführt wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin gekennzeichnet durch einen mit dem Wechselrichterkreis verbundenen Kondensator, wobei der Schritt des Öffnens den Schritt umfasst, das Spannungsniveau über dem Kondensator aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen, wenn eine Drehzahl der elektrischen Maschine zunimmt.