-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einer Spannungsquelle, einem Ständerkreis, einem Wechselrichterkreis und einer Gleichrichterschaltung, die zur Verwendung als Anlassermotor/Drehstromlichtmaschine für ein Kraftfahrzeug geeignet ist.
-
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/Drehstromlichtmaschine als Generator genutzt, um elektrische Leistung bereitzustellen für das elektrische System des Fahrzeugs und/oder zur Abschwächung der Kraftübertragung.
-
Aus der
DE 298 21 825 U1 ist eine Vorrichtung zum Starten von Verbrennungskraftmaschinen und Laden einer Starterbatterie durch eine als Drehstromgenerator betriebene elektrische Maschine bekannt. Beim Startvorgang wird der Drehstromwicklung der elektrischen Maschine aus der Batterie über einen Wechselrichter Drehstrom zugeführt. Die Drehzahl der elektrischen Maschine kann bei entsprechender Regelung mit einem Frequenzumrichter dem Bedarf angepasst werden. Nach dem Startvorgang wird durch Umschaltung der Anschlüsse der elektrischen Maschine auf einen Gleichrichter im Ladevorgang der Batterie Gleichstrom zugeführt. Die beiden Betriebszustände sind elektrisch gegeneinander verriegelt.
-
In der
DE 689 18 321 T2 ist eine durch einen Verbrennungsmotor angetriebene elektrische Maschine mit einem Synchrongenerator beschrieben, die als Starter verwendet wird, wenn der Verbrennungsmotor angelassen werden soll. Wenn der Startvorgang abgeschlossen ist, werden die Verbraucher und eine Gleichstromleistungsquelle mit elektrischer Leistung versorgt. Die Anordnung enthält einen Verbrennungsmotor, einen Synchrongenerator mit einem Rotor und Statorwicklungen in Sternschaltung, einen Rotorpositionsdetektor, einen Ganzwellen-Gleichrichter, einen Wechselrichter/Inverter, eine Gleichstromleistungsquelle, eine Schalteinheit zur Umschaltung zwischen Leistungserzeugung und Anlassen sowie eine Steuereinheit. Wenn die elektrische Maschine über den geregelten Inverter aus der Gleichstromleistungsquelle mit elektrischer Leistung versorgt wird, arbeitet die elektrische Maschine als Motor zum Anlassen des Verbrennungsmotors. Bei Umschaltung auf Generatorbetrieb liefert der Synchrongenerator eine dreiphasige Wechselspannung, die durch den Ganzwellen-Gleichrichter gleichgerichtet und dem Inverter zugeführt wird. Der Inverter übernimmt eine Versorgung der Wechselstromlast mit einer auch bei unterschiedlichen Drehzahlen in Frequenz und Spannung geregelten dreiphasigen Wechselleistung. Weitere Ausführungen enthalten schaltungstechnische Details der Schalteinheit, des Inverters und der Steuereinheit.
-
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 typischerweise 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 Rekonfiguration 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 mechanischen Schalter, die zur Bereitstellung der Rekonfiguration benötigt werden, sehr komplex und kostspielig.
-
Es sind auch schon Gleichspannungswandler 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 nachteilig und möglichst zu vermeiden.
-
Bekannt ist aus der gattungsbestimmenden
JP 2000316298 A auch ein Startermotor mit zwei getrennten Drehstromwicklungen in Sternschaltung, der als eine kombinierte Drehstromlichtmaschine/Anlassermotor ausgeführt ist. Der Startermotor enthält eine Motorwicklung in Sternschaltung, einen Wechselrichter, einen Rotorpositionssensor, eine Gleichspannungsquelle, eine Generatorwicklung in Sternschaltung, eine Feldwicklung, einen Frequenz-Umrichter, einen Regler und eine Gleichrichterschaltung sowie einen Umschalter. Zum Starten des Verbrennungsmotors ist die Gleichspannungsquelle über den Schalter mit dem Wechselrichter verbunden, der eine dreiphasige Wechselspannung für die Motorwicklungen liefert. Nach Beendigung des Startvorganges wird auf Generatorbetrieb umgeschaltet. Dann liefert die Generatorwicklung eine dreiphasige Spannung für den Frequenz-Umrichter, der auch bei unterschiedlichen Drehzahlen des Startermotors eine geregelte Wechselspannung vorbestimmter Frequenz und Amplitude an einem Wechselspannungsausgang für die Verbraucher und die Gleichrichterschaltung zum Laden der Gleichspannungsquelle bereit stellt.
-
Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, integrierte elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, die zur Verwendung als Anlassermotor geeignet ist, mit der 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 Wechselrichterkreis, eine Gleichrichterschaltung und eine elektrische Maschine, die einen Ständerkreis aufweist, der den Wechselrichterkreis und die Gleichrichterschaltung verbindet. Der Ständerkreis weist eine der erforderlichen Anzahl der Phasen entsprechende Anzahl von Wicklungen auf, die so ausgeführt sind, dass die Windungszahl der mit dem Wechselrichterkreis verbundenen Teilwicklungen größer als die mit der Gleichrichterschaltung verbundenen Teilwicklungen ist. Ein Paar von Schaltern verbindet selektiv den Wechselrichterkreis mit der Spannungsquelle, 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 Ständerkreis, 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 Schaltverbindungen 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 Windungen der einzelnen Wicklungen 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 Wicklungen des Ständerkreises 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 den Zeichnungen und angefügten Patentansprüchen deutlich.
-
Es zeigen:
-
1 eine Kurvendarstellung des erforderlichen Drehmoments als Funktion der Drehzahl einer Anlasser/Drehstromlichtmachine für ein Kraftfahrzeug;
-
2 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
-
3 die schematische Teilansicht eines anderen Ständerkreises nach der vorliegenden Erfindung;
-
4 eine Kurvendarstellung eines Drehmoments als Funktion der Drehzahl für verschiedene Betriebsarten einer Anlasser/Drehstromlichtmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
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 vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf eine Anlasser/Drehstromlichtmaschine für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Der Fachmann wird jedoch andere Anwendungen für die elektrische Maschine erkennen, die ein hohes Startmoment und einen Generator erfordern, der in einem breiten Drehzahlbereich arbeitet.
-
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.
-
2 ist eine schematische Ansicht eines zur Nutzung als Anlasser-Lichtmaschine in einem Kraftfahrzeug geeigneten elektrischen Maschinensystems 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 Rückleitung 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 20E 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 Anoden, 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 vorgegebenen 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 gemeinsamen Knoten einer Stern-Ausführung darstelle. 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 Spannungsquelle 34 mit der Versorgungsleitung 24 und die neutrale Seite der Batterie mit der Rückleitung 26 verbunden ist.
-
In 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Ständerkreises 16' dargestellt, der mit einer Doppelwicklung ausgeführt ist. Anstelle der Verwendung einer angezapften Wicklung gemäß 2, weist der Ständerkreis 16' eine erste Wicklung 40A, 40B und 40C auf, die in Stern-Ausführung verbunden ist, und eine dazu angeordnete, zweite Wicklung 42A, 428 und 42C, die über Leitungen 44A, 44B und 44C 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 12 verbunden.
-
Der Fachmann wird erkennen, dass weitere Ausführungen des Ständerkreises möglich sind, die mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Ein Beispiel ist ein Ständerkreis mit angezapften Wicklungen. In dieser Ausführung könnte der innere Teil der Wicklungen, der mit der Gleichrichterschaltung verbunden ist, entweder mit einer Stern- oder Dreiecksschaltung verbunden werden. Andere Beispiele enthalten eine Ausführung des Ständerkreises mit Doppelwicklung, in der jede Gruppe oder beide Gruppen von Wicklungen anstelle einer Sternschaltung mit einer Dreieckschaltung verbunden sein könnten.
-
Die Funktion der in den 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 Gleichrichterschaltung 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 als Spannungsquelle 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 Wicklungen des Ständerkreises, 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 4 werden qualitativ und für eine Bauart auch quantitativ Drehmomente als Funktion der Drehzahl der in 2 gezeigten elektrischen Maschine 10 dargestellt. Die Verläufe der Drehmomente als Funktion der Drehzahl sind abhängig von der Anzahl der Windungen, die für die Wicklungsgruppen in jedem der Phasenleiter des Ständerkreises 16 für einen gegebenen Phasenstrom der elektrischen Maschine 10 gewählt wurde. Die Anzahl von Windungen in den beiden Wicklungsgruppen 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 10 mit dem Wechselrichterkreis 12 direkt mit der Spannungsquelle 34 verbunden ist. Die entsprechenden Übergangs-Momente Mm2 und Mg2 sind gegeben, wenn der Wechselrichterkreis 12 von der Spannungsquelle 34 getrennt wird. Mg3 schließlich ist der mögliche Momentenverlauf bei Betrieb mit der Gleichrichterschaltung 14. Die Betriebsarten werden im Folgenden noch erläutert.
-
In 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 Reihenwicklungen des Ständerkreises 16, die betrieben wird, indem ein Wechselrichterkreis 12 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 Gleichrichterschaltung 14 Strom führen. Die Leistungsfähigkeit des Generatorbetriebs ist für das gleiche Stromverhältnis im Wechselrichterkreis 12 und Gleichrichtschaltung 14 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 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 22 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 Wechselrichterkreis 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 angeschlossenen 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 34 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 Wechselrichterkreis 12 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 Windungen der Wicklungen des Ständerkreises 16, die an den Wechselrichterkreis 12 mit der Anzahl von mit der Gleichrichterschaltung 14 verbundenen Reihenwindungen angeschlossen sind. Die erhöhte Spannung im Wechselrichterteil 12 des Reglers erfordert Schaltelemente 20A–20F, 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 Generatorbetrieb, 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 Generatorbetrieb 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 Generatorbetriebs 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 durchschnittlich benötigten Generatorlast vorzugsweise die mit der Energieversorgung verbundenen elektrischen Verluste ausgleicht.
-
In 5 werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um die funktionsgleichen Komponenten von 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 Wechselrichterkreis 12 fließt. Die Dioden D7 und D8 haben die Klemmenspannung des Wechselrichterkreises 12, so dass sie nicht unter die der Spannungsquelle 34 fallen. Die Dioden D7 und D8 können zulassen, dass sich der Wechselrichterkreis 12 auf einer Spannungshöhe befindet, die höher als die der Spannungsquelle 34 bei der Betriebsart Starten ist. Diese Situation würde auftreten, wenn der Kondensator 22 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 5 eliminiert die Schalter A' und den Schalter B'. Der Betrieb eines solchen ist dem oben beschriebenen ähnlich.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10, 10'
- elektrische Maschine
- 12
- Wechselrichterkreis
- 14, 14'
- Gleichrichterschaltung
- 16, 16'
- Ständerkreis
- 18
- Schalterkreis
- 20A–20F
- Schaltelemente
- 22
- Kondensator
- 24
- Versorgungsleitung
- 26
- Rückleitung
- 28A, 28B, 28C
- Wicklungen
- 30A, 30B 30C
- Phasenleiter
- 32A, 32B, 32C
- Phasenleiter
- 34
- Spannungsquelle
- 40A, 40B, 40C
- Wicklungen
- 42A, 42B, 42C
- Wicklungen
- 44A, 44B, 44C
- Leitungen
- A, B, A'; B'
- Schalter
- D1–D6
- Dioden
- D7, D8
- Dioden
- N1–N8
- Knoten