DE19819480A1

DE19819480A1 - Zweifach zwangsgetriebener Generator

Info

Publication number: DE19819480A1
Application number: DE19819480A
Authority: DE
Inventors: Harald Ludanek; Bernd Cappelmann; Joerg Faehland
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: DE19819480B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Generator zur Erzeugung von Elektroenergie, insbesondere zur Gewinnung von Bremsenergie in Fahrzeugen, umfassend zwei durch Luftspalt getrennt gegenüberliegende Magnetfeld-Spulen, denen je eine Spannungsabgriffeinrichtung zugeordnet ist und die unabhängig voneinander zwangsweise bewegbar sind. Dabei wird eine erste Spule mit einem Fahrzeugmotor und die zweite Spule mit dem Getriebe des Fahrzeugantriebes zwangsgekoppelt und die Spulen können jeweils über Riementriebe bewegt werden. In einer Alternative ist je eine Spule motorseitig und getriebeseitig in eine Kupplung des Fahrzeugantriebes integriert und/oder im Luftspalt ein Magnet angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator zur Erzeugung von Elektroenergie, insbesondere zur Gewinnung von Bremsenergie in Fahrzeugen.

In der DE 295 19 552 U1 ist eine Bremsenergie-Nutzeinrichtung mit einem für sich bekannten elektrischen Generator offenbart worden, bei dem der Generator mit einem als Akkumulator ausgebildeten Speicher einerseits gekoppelt ist und von einer Antriebsmaschine, zum Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine, andererseits angetrieben wird. Dabei kann der Generator so geschaltet werden, daß er nur während einer Bremsphase des Fahrzeuges an die Antriebsmaschine gekoppelt wird. Die erzeugte Energie wird dem Speicher zugeführt; alternativ kann die gespeicherte Energie für den Antrieb genutzt werden, indem der Generator auf Motorbetrieb geschaltet wird.

Eine typische Bremsphase oder "Segelphase" ergibt sich zum Beispiel beim PKW während der Annäherung an eine auf rot gestellt Ampel oder bei einer Talabfahrt, wenn die Gaszufuhr zur Verbrennungskraftmaschine gestoppt oder sogar die Verbrennungskraftmaschine stillgesetzt wird. Diese Betriebsphase wird auch als Schubbetrieb bezeichnet; dann wirkt eine Schubumkehr aufgrund der Massenträgheit des Fahrzeuges, wobei die Räder das Getriebe des Fahrzeugantriebes treiben. Bei eingelegter Kupplung wirkt damit der Motor selbst als Bremse für das Fahrzeug wegen der zu leistenden Kompressionsarbeit im Motor.

Einige dieser Bremsphasenvarianten nutzt ein Hybridantrieb gemäß DE 195 28 628 A1 als Nutzbremsung zum Betrieb eines Elektromotors als Generator. Der Generator besorgt dabei die Rückladung einer Batterie. Der Elektromotor ist mit dem Getriebe zwangsgekoppelt; über eine Stromregeleinrichtung kann der Elektromotor als Generator oder als Zusatzantrieb für das Fahrzeug wirken.

In beiden Schutzschriften sind nur Generatoren als solche erwähnt, wie sie zum Beispiel als Bauart aus dem "Kraftfahrttechnischen Taschenbuch", Herausgeber Bosch, 21. Auflage, VDI Verlag, Düsseldorf, 1991, Seite 770 bis 771 in der Version als Klauenpolgenerator oder Compactgenerator handelsüblich sind und in Fahrzeugen auch heutzutage genutzt werden. Darüber hinaus sind eine Vielzahl von Vorschlägen zur Speicherung von Bremsenergie, zum Beispiel in einem Schwungrad, vorgeschlagen worden. Mit der DE 195 47 016 A1 wurde ein rotierender Zwischenspeicher, zum Beispiel für einen Gyro-Bus, offenbart. Die beim Bremsen anfallende kinetische Energie wird in einem Schwungmassenspeicher unter Vermeidung der Kreiselkräfte gespeichert und durch generatorisches Bremsen für den Antrieb des Fahrzeuges wieder freigesetzt. Der kugelförmige Speicher ist gegenüber dem Starter berührungslos magnetisch gelagert, wobei ein Ringmagnet aus Permanentmagneten Verwendung finden kann.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen Elektroenergiegenerator vorzuschlagen, der ohne eigene Antriebseinrichtung oder zusätzliche Schalteinrichtungen bei variablen relativen Geschwindigkeiten zwischen Läufer und Stator benutzbar ist. Dabei soll Hauptaugenmerk auf die Bremsenergiegewinnung in Fahrzeugen gelegt werden.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1 und 9 gelöst, Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.

Der erfindungsgemäße Generator kann von seinem Grundaufbau her wie ein Klauenpolgenerator oder Compactgenerator aufgebaut sein, jedoch sind die gegenüberliegenden, durch Luftspalt getrennten Wicklungen oder Magnetspulen jeweils beweglich gelagert. Vorzugsweise, insbesondere wenn die Generatoren in PKW, z. B. als Lichtmaschine zum Einsatz gelangen, ist eine erste der Spulen mit dem Antriebsmotor, z. B. der Abtriebswelle des Motors und die zweite Spule mit dem Getriebe zwangsweise gekoppelt. Die Anordnung sollte so geschehen, daß die Spule bei Bewegung des Motors oder Getriebes bzw. deren Abtriebswellen ebenfalls bewegt werden. Während diese Situation bei handelsüblichen PKW für eine Läuferwicklung einer Lichtmaschine, getrieben durch einen Riementrieb, z. B. zwischen Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors und der Zentralwelle eines Compactgenerators für sich bekannt ist, ist ein Antrieb des Stators neu. Dieser Antrieb kann ebenfalls via Riementrieb zwischen einer Abtriebswelle des in jedem PKW vorhandenen und dem Motor nachgeschalteten Getriebe sowie dem üblicherweise als Stator oder Ständer bezeichneten Generatorteil realisiert werden. Erfindungsgemäß wird diese zweite Spule in Bewegung gesetzt, so daß die Bezeichnung Stator- oder Ständerwicklung nur noch im übertragenden Sinne anwendbar ist, da beide Spulen beweglich sind. Bei der zuvor beschriebenen Variante der Erfindung, einem Generator dessen beide läuferseitige und ständerseitige Spulen durch Abtriebe vom Motor/Getriebe zwangsbewegt werden, liegt es nahe, rotatorisch bewegte, durch Luftspalt getrennte, ringförmig gestaltete Magnetfeld-Spulen zu verwenden. Die Erfindung ist darauf nicht beschränkt, sondern soll auch für Linearmotore im Generatorbetrieb durch Anordnung zweier beweglicher Spulen verwendbar sein, wobei z. B. auch durch translatorische Bewegungen Elektroenergie erzeugt werden kann.

Sobald beide Spulen bewegt werden, z. B. bei regelmäßiger Fahrzeugbewegung mit Motorbetrieb, ergibt sich zwischen den Spulen des Generators eine relative Bewegung oder eine Drehzahldifferenz, die wirksame Generatordrehzahl, als Differenz der zwangsweisen Bewegung beider Spulen. Ein PKW-Motor dreht üblicherweise mit etwa 1000 bis 6000 min^-1. Bei entsprechender Auswahl der Riementriebübersetzung vom Motor zum Generator und vom Getriebe zum Generator kann die Differenzdrehzahl für den Fall des Antriebs mit Verbrennungsmotor in den nach heutigem Stand der Technik günstigsten Wirkungsbereich gelegt werden, nämlich in einen Bereich mit einem Verhältnis von Generatordrehzahl zu Motordrehzahl von etwa 1,9 bis 2,3.

Wird bei einem erfindungsgemäßen Generator, z. B. einer Lichtmaschine, der Motor in einer Bremsphase oder vorübergehender Stillegungsphase auf Leerlaufdrehzahl gesetzt oder abgestellt, so wird der Generator, d. h. die getriebeseitige zweite Spule über die Raddrehzahl weiterhin zwangsgetrieben. Die Differenzdrehzahl und damit die wirksame Generatordrehzahl steigt über die Phase bei Motorbetrieb. Somit kann der Bremsvorgang zur verstärkten Energieerzeugung genutzt und Energie dem Speicher zugeführt werden. Die Übersetzung des dann allein wirkenden Riementriebes auf der Getriebeseite wählt der Fachmann dann so, daß der Generator entsprechend der Häufigkeitsverteilung der Drehzahlen bzw. spezifischen Bremsphasen möglichst oft in einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden können. Dasselbe gilt für den zweiten Riementrieb, der bei Motorbetrieb die erste Spule antreibt, wobei dann der günstigste Betriebspunkt der Differenzdrehzahl einzustellen ist.

Dieser Betriebspunkt ist vom Einsatztyp des Generators bzw. Fahrzeuges abhängig und wird z. B. bei PKW anders zu legen sein, als bei LKW oder Motorrädern oder Wasserfahrzeugen.

Der Spannungsabgriff kann über für sich bekannte Schleifringanordnungen realisiert werden, die der erfindungsgemäßen Generatorbauart angepaßt sind. Aus Gründen der Funktionssicherheit wird eine mindestens doppelspurige oder auch dreispurige Anordnung von Schleifringen gewählt.

Handelsübliche Lichtmaschinenbauarten, wie Klauenpolgeneratoren oder Compactgeneratoren lassen sich ohne deren Bauprinzip zu verlassen in erfindungsgemäße Generatoren um bauen und für Fahrzeuge in gleicher Weise, jedoch mit höherem Wirkungsgrad für die spezifische Kraftstoffnutzung verwenden.

Eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Bauformen dient der Verwendung in KFZ-Antriebskupplungen, insbesondere der Integration in PKW-Kupplungen. Derartige Kupplungen bestehen aus einem motorseitigen und einem getriebeseitigem Kupplungsteil, denen erfindungsgemäß je eine der Magnetfeldspulen zugeordnet werden kann, welche im Generatorbetrieb Verwendung findet, wenn die Kupplung in den zuvor beschriebenen Fällen einer Bremsphase oder beim Motorleerlauf ausgekuppelt ist.

Das erfindungsgemäße Bauprinzip kann auch für permanenterregte Generatoren Anwendung finden. Dabei wird in den Luftspalt zwischen den Spulen ein Permanentmagnet eingesetzt, im einfachsten Falle am Beispiel der Kupplung eine ringförmige Anordnung mit integrierten Permanentmagneten oder Elektromagneten, die komplementär ausgebildeten inneren und äußeren Ringspulen in den motorseitigen und getriebeseitigen Kupplungsbauteilen gegenüberliegt. Je nach Fahrsituation wird in die rotierenden Wicklungen auf Getriebe- oder Motorseite durch die Magnete ein der wirksamen Drehzahl proportionaler Strom induziert, der wiederum über Stromabgriffskontakte, z. B. in Schleifringbauart abgegriffen werden kann. Diese Anordnung in der Kupplung erzeugt systembedingt stets nur dann Elektroenergie, wenn die Kupplung nicht geschlossen ist, also vorzugsweise in einer Bremsphase des Fahrzeuges bei ausgekuppeltem Motor; somit bietet sich diese Bauform auch insbesondere für Automatikgetriebe an. Ein teilweise Bremsenergiegewinnung ist immer dann möglich, wenn ein entsprechender Momentenfluß gewährleistet ist.

Anhand einer Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Anordnung im Teilschnitt mit Fahrzeugantrieb und Generator;

Fig. 2 einen Achsialschnitt durch ein Kupplungssystem;

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß Schnittlage III-III in Fig. 2.

Ein Verbrennungsmotor 10 hat auf der Abtriebswelle 15 eine Riemenscheibe 16, die sich mit der Motordrehzahl dreht. Diese Riemenscheibe 16 ist Teil eines Riementriebes umfassend diese Riemenscheibe sowie eine auf einer Welle 18 eines Generators 20 angeordnete Riemenscheibe 8 und einen diese Scheibe verbindenden Riemen 4, wobei die Durchmesser der Riemenscheiben entsprechend dem gewünschten Übersetzungsverhältnis ausgewählt sind. Dem Motor nachgeordnet ist ein Getriebe 9, das einerseits auf ein Radgetriebe 11 mit Radsatz 12 wirkt und andererseits auf einer Abtriebswelle 14 eine Riemenscheibe 13 trägt. Diese Riemenscheibe 13 ist Teil eines Riementriebes umfassend eine Riemenscheibe 19 am Generator 20, sowie einen die Riemenscheiben verbindenden Riemen 3, wobei auch hier die Riemenscheiben entsprechend einem gewünschten vorgegebenem Übersetzungsverhältnis ausgebildet sind. Bei laufendem Motor 10 treibt der Riemen 4 die Generatorwelle 18 mit Läuferwicklung oder Spule 1 an. Die Generatorwelle 18 ist in Lagern 26 bzw. 25 wälzgelagert, wobei sich die Lager in entsprechenden Bohrungen der Seitenwand 24 bzw. der Seitenwand 19 der Generatorwandung 21 abstützen. Auf der Generatorwelle 18 sind außerdem ein doppelspuriger Schleifring 5 angeordnet und ein Lüfter 17 sorgt für entsprechende Kühlung des Generators. Die Seitenwandungen 19, 24 werden durch einen rotationssymmetrischen Spulenkörper 23 verbunden, in den eine der Läuferwicklung oder Spule 1 gegenüberliegende Statorwicklung oder Spule 2 integriert ist. Der Spulenkörper 23 ist seinerseits mittels Lagern 28 in der Generatorwandung 21 gelagert und darin frei drehbar. Der Spulenkörper 23 kann via Riemenscheibe 7 in Rotation versetzt werden, wenn das Getriebe eine Rotationsbewegung ausführt. Durch geeignete Übersetzungen der Riementriebe 16, 4, 8 bzw. 13, 3, 7 werden die Spulen 1 und 2 im Abstand des Luftspaltes 29 relativ zu einander bewegt. Die dadurch induzierten Ströme in den Spulen 1, 2 werden durch der Spule 2 zugehörige Schleifringe 22 auf Kontakte 6 übertragen. In gleicher Weise können in Spule 1 erzeugte Ströme über die zuvor erwähnten Schleifringe 5 und Zwischenkontakte 27 auf den hier dargestellten Doppelschleifring 5 und die davon ableitenden Kontakte 6 übertragen werden. Bei Motorbetrieb und aus gekoppelter Kupplung, z. B. im Motorleerlauf rotiert lediglich die Spule 1 mit einer zur stillstehenden Spule 2 entsprechenden Leerlaufdrehzahl oder einer anderen akuten Motordrehzahl bei ausgekuppelter Kupplung, also nicht laufendem Getriebe 9. Bei zugeschaltetem Getriebe 9 wird die Spule 2 ebenfalls in Rotation versetzt entsprechend dem Obersetzungsverhältnis des Riementriebes 13, 3, 7, so daß sich eine Differenzdrehzahl zwischen der Spule 1 und 2 einstellt, die zur Stromerzeugung genutzt wird. In einer Bremsphase fällt die Drehzahl des Motors stark ab und somit auch die Drehzahl der Spule 1, während über das Rad 12 und das Radgetriebe 11 das Getriebe 14 sowie die Riemenscheibe 13, der Riemen 3 und die Riemenscheibe 7 die Spule 2, z. B. im Schubbetrieb schneller antreiben und so auch aus der Bremsphase des Fahrzeuges eine Energiegewinnung resultieren kann. Im Extremfall ist der Motor 10 stillgesetzt, was bei bestimmten Fahrzeugen möglich ist und das ausgekuppelte Getriebe treibt allein die Spule 2 bei stillstehender Spule 1 an, was ebenfalls noch zur Stromerzeugung führt.

Fig. 2 zeigt eine andere erfindungsgemäße Bauform des Generators, nämlich einen in eine Kupplung integrierten Generator 30, angeordnet zwischen Getriebe 39 und Motorabtrieb 34. Die eigentliche Kupplung mit den Kupplungselementen 40 und den zugehörigen Stützflächen in Kupplungsglocke 37 bzw. Kupplungsscheibe 43 ist in offener Stellung schematisch im Schnitt dargestellt. Der Kupplungsglocke 37 ist eine Spule 32 zugeordnet, während der Kupplungsscheibe 43 eine Spule 31 zugeordnet ist; beide Spulen liegen sich mit Luftspalt 45 gegenüber und werden von den mit ihnen gekoppelten Elementen rotatorisch angetrieben. Die Spulen sind ringförmig ausgebildet, wie der Fig. 3 zu entnehmen ist. Die induzierten Ströme werden getriebeseitig über Schleifringe 42 auf Kupplungswelle 41 über Kontakte 36 abgegriffen, während sie motorseitig über Schleifring 35 auf Motorabtrieb 34 mittels Kontakten 36 abgegriffen werden, wobei die Spule 32 mit dem Schleifring 35 durch entsprechende Stromleiter 38 verbunden sind. Dieses Spulensystem funktioniert in gleicher Weise, wie bereits in Fig. 1 dargestellt unter Berücksichtigung der verschiedenen Betriebszustände der Kupplungsglocke nämlich in Rotation bei Motorbetrieb oder Leerlauf bzw. auch Stillstand in einer Bremsphase. Im dargestellten ausgekuppelten Betrieb ist bei Leerlauf keine Rotationsbewegung der Kupplungsscheibe gegeben, während bei Schubbetrieb und ausgekuppelter Kupplung die Kupplungsscheibe 43 mit Spule 31 rotiert. In den Luftspalt 45 ist an der Klaue 44 ein Permanentmagnetring 33 angeordnet, der sowohl in Wirkverbindung mit der Magnetfeldspule 31 auf der Getriebeseite als auch mit der motorseitigen Spule 32 steht. Durch den Permanentmagnetring wird in die rotierenden Wicklungen ein der Differenzdrehzahl proportionaler Strom induziert, der über die zuvor erwähnten Schleifringkontakte 36 abgegriffen werden kann. Erfindungsgemäß kann auch so bei Stillstand des Verbrennungsmotors bzw. des Motorabtriebs 34 in ausgekuppeltem Zustand des Getriebes in die getriebeseitig angeordnete Wicklung 31 ein Strom induziert werden zur teilweisen Bremsenergierückgewinnung. Voraussetzung ist natürlich ein entsprechender Momentenfluß. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung ist insbesondere für automatisch betätigte Getriebe anwendbar.

Fig. 3 zeigt nochmals im Schnitt gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 2 die insoweit geschnittene Kupplungsanordnung mit den zuvor beschriebenen Teilen der Kupplung.

Bezugszeichenliste

1

Spule

2

Spule

3

Riemen

4

Riemen

5

Schleifring

6

Kontakte

7

Riemenscheibe

8

Riemenscheibe

9

Getriebe

10

Kraftmaschine

11

Radachse

12

Rad

13

Riemenscheibe

14

Abtriebsachse

15

Kurbelwelle

16

Riemenscheibe

17

Lüfter

18

Generatorwelle

19

Seitenwand

20

Generator

21

Generatorwandung

22

Schleifring

23

Spulenkörper

24

Seitenwand

25

Lager

26

Lager

27

Zwischenkontakte

28

Lager

29

Luftspalt

30

Generator

31

Spule

32

Spule

33

Magnet

34

Motorabtrieb

35

Schleifring

36

Kontakte

37

Kupplungsglocke

38

Stromleiter

39

Getriebe

40

Kupplungselement

41

Kupplungswelle

42

Schleifring

43

Kupplungsscheibe

44

Klaue

45

Luftspalt

Claims

1. Generator (20, 30) zur Erzeugung von Elektroenergie, insbesondere zur Gewinnung von Bremsenergie in Fahrzeugen, umfassend zwei durch Luftspalt (29, 45) getrennt gegenüberliegende Magnetfeld-Spulen (1, 2; 31, 32), denen je eine Spannungsabgriffeinrichtung (5, 6; 35, 36, 42) zugeordnet ist und die unabhängig voneinander zwangsweise bewegbar sind.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Spule (1) mit einem Fahrzeugmotor (10) und die zweite Spule (2) mit dem Getriebe (9) des Fahrzeugantriebes zwangsgekoppelt ist.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen jeweils über Riementriebe (4, 16, 17; 3, 7, 13) bewegt werden.

4. Generator nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß je eine Spule motorseitig und getriebeseitig in eine Kupplung (37, 40, 43) des Fahrzeugantriebes integriert ist.

5. Generator nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftspalt ein Magnet (33) angeordnet ist.

6. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen als rotationsbewegliche Ringspulen ausgebildet sind.

7. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet als ringförmige Anordnung mit integrierten Permanentmagneten oder Elektromagneten ausgebildet ist.

8. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabgriffeinrichtung als mindestens doppelte Schleifringanordnung ausgestaltet ist.

9. Verwendung eines Klauenpolgenerators oder Compactgenerators, ausgestaltet mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Lichtmaschine für Fahrzeuge.