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EP1293034A1 - Verfahren zur wirkungsgradsteigerung einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren zur wirkungsgradsteigerung einer elektrischen maschine

Info

Publication number
EP1293034A1
EP1293034A1 EP01943044A EP01943044A EP1293034A1 EP 1293034 A1 EP1293034 A1 EP 1293034A1 EP 01943044 A EP01943044 A EP 01943044A EP 01943044 A EP01943044 A EP 01943044A EP 1293034 A1 EP1293034 A1 EP 1293034A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical machine
electrical
turns
power
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01943044A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Koelle
Kurt Reutlinger
Beqir Pushkolli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1293034A1 publication Critical patent/EP1293034A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/14—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
    • H02P9/26—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P9/30—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P9/305—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator

Definitions

  • three-phase generators such as a claw pole generator
  • This component allows the power of the three-phase generator, particularly in its lower speed range, to be increased considerably.
  • the three-phase generators are usually dimensioned such that, together with the diode rectifiers, they begin to deliver electrical power below the idling speed of a ner internal combustion engine.
  • the speed at which the generator reaches a terminal voltage of 14 N with full excitation is in the order of 1000 to 1200 min "1.
  • the output power reaches a tangent point of the power curve when idling (approx. 1800 min " 1 generator speed).
  • the output of the electrical power reaches approximately 60 to 70% of its maximum value.
  • the mentioned tangent point is usually placed in the engine idling of the internal combustion engine.
  • the electrical machine has its best efficiency at the tangent point.
  • the maximum value of the resulting electrical power output is reached at a generator speed of about 6000 min '1 and hardly increases at higher speeds.
  • an electrical generator with an assigned pulse alternating judge allows the stator winding number on the stator of the generator to be designed according to different design criteria than the insertion speed of the generator at which the output of electrical power begins.
  • the power output of the electrical machine can be guided along the torque line in the lower speed range, regardless of the number of turns in the stator winding of the generator.
  • the insertion speed at which the electrical machine delivers electrical power can be reduced to such an extent that sufficient electrical power can be delivered even when an internal combustion engine is idling. Even at low speeds of the internal combustion engine, operating the electrical machine with a pulse alternating judge then provides sufficient electrical power.
  • the power of the electrical machine can be increased or its efficiency can be significantly increased in the upper speed range.
  • electrical machines with a small number of turns compared to electrical machines with a larger number of turns - with the same electrical power - with the smaller number of stator turns, a lower groove flooding can be achieved with the electrical machine.
  • the losses in the winding copper are significantly lower for the electrical machines with a lower number of turns.
  • the losses in the iron caused by the groove flooding can also be reduced (harmonic losses).
  • the machine winding of the electrical machine can thus be dimensioned for minimal total losses in one driving cycle.
  • Fig. 1 is a schematic configuration of an electrical machine with a downstream pulse change judge.
  • Fig. 2 shows the control ranges of the electrical machine, limited by the course of the power limit, power factor cos ⁇ and voltage limit and
  • Fig. 3 shows the curves of the power curves for electrical machines with different number of turns, plotted against the Drel number.
  • Fig. 1 shows a schematic configuration of an electrical machine with a downstream pulse change judge.
  • An electrical machine 1 comprises an excitation winding 2, in which an excitation current 3 flows, also denoted by ip. Furthermore, a stator winding 4, which - depending on the design of the electrical machine 1 - can have more or fewer winding turns wi or w 2 .
  • the stator winding 4 of the electrical machine 1 which can be operated in generator operation is connected to a converter bridge 6 via its terminal connections 5.
  • the Converter bridge 6 - designed as a pulse alternating judge - contains a number of switches, which are shown here as field effect transistors with reverse diodes, 7, 8 and a capacitor 9. Via the pulse alternating judge 6, the voltage difference between the machine terminals 5 and the voltage u ne tz in the electrical system of a motor vehicle are balanced.
  • the load 11, which represents the electrical consumers of the vehicle electrical system, is indicated by an adjustable ohmic resistor.
  • the control range designated by I of an electrical machine 1 is determined on the one hand by the voltage limit 16 and on the other hand by a section of the torque line 29.
  • the terminal voltage of the electrical machine 1 does not yet reach the maximum possible output voltage of the converter 6.
  • the maximum efficiency of the machine is achieved when the minimum current flows in the stator 4 with constant power output. If the magnetic uniaxiality of a claw pole generator is initially neglected, this is achieved when a pure cross current flows in the stator winding and the longitudinal current becomes zero.
  • the converter 6 has not yet reached its voltage limit and it can set the desired stator current.
  • the excitation current 3 is set to its maximum value, so that a minimum of stator current in the stator winding is required for the required power.
  • the losses in the stator winding 4 far exceed the excitation losses, so that it is favorable to increase the excitation current 3 to the maximum value and to minimize the stator current in order to optimize the efficiency.
  • the maximum torque of the electrical machine 1 is limited by the maximum stator current, the electrical power 12 delivered by the electrical machine 1 increases linearly with the rotational speed 13.
  • the control range II of an electrical machine shown in FIG. 2 is limited at the top by the profile of the power limit and at the bottom by the profile of the power factor cos ⁇ , reference number 15.
  • the control range II corresponds to the field weakening range and is reached when the machine voltage of the electrical machine 1 has reached the ceiling voltage of the converter 6. The converter 6 can then no longer increase the voltage.
  • a field weakening range is realized by an established longitudinal current in the electrical machine 1.
  • the excitation current i? in the exciter development 2 of the electrical machine 1 remains set to its maximum value in order to realize a minimum stator current in the stator winding 4, so that the losses occurring there are minimized.
  • the control range II of the electrical machine 1 could indeed be traversed further at higher speeds, but a better efficiency is achieved if the excitation current of the electrical machine 1, ip is reduced.
  • two speed values 25.1 are entered, which corresponds to a first insertion speed in diode operation of an electrical machine 1 with a number of turns wi and a second insertion speed 25.2 for a second electrical machine with a second speed w 2 .
  • Reference number 20 shows an insertion speed that applies to both generator designs (number of turns i and number of turns w 2 ) with a pulse alternating judge.
  • the two electrical machines 1 which can be operated on a pulse-changing judge 6 and which are compared in the diagram according to FIG. 3 with different numbers of turns for the stator winding 4, there are different courses in the output 12 of electrical power.
  • the moment straight line 29 has its origin, which represents a linear relationship between the speed and the electrical power output.
  • the torque line 29 is identical to the profile of the power limit 14, which deviates from the profile of the torque line 29 at higher speeds as an asymptote.
  • the curve designated by reference symbol 23 represents the curve of the power output of an electrical machine 1 with a higher number of turns wi, while the curve 24 shown in broken lines represents the profile of the power output of an electrical machine 1 with a lower number of turns w 2 than Wi.
  • the course of the power output of an electrical machine 1 in diode operation is shown with reference number 22. From the course of the characteristic in Diode operation of the electrical machine 1 shows that the output of electrical power decreases drastically in the idling speed range of an internal combustion engine, so that the use of a generator having such a characteristic is not possible in the motor vehicle.
  • the pulse alternating judge 6 For the lower speeds shown in FIG. 3, for example between the speeds 20 and 25.2, the pulse alternating judge 6 must be able to process a machine current which is inversely proportional to the number of turns w_ or w of the stator winding 4. This means that a larger pulse change judge 6 is required for stator windings 4 with a smaller number of turns w 2 .
  • the slot flooding of the electrical machines 1 is identical for both windings of different number of windings Wi and w 2 .
  • the insertion speed of an electrical machine 1 in generator operation is quite high with a low stator winding number w 2 at the diode rectifier 25.2, compared with the insertion speed of an electrical machine for generator operation with an insertion speed 25.1.
  • the power output P max designated by reference numeral 26, is significantly higher for an electrical machine with a smaller number of turns w 2 than for an electrical machine 1 whose stator winding 4 has a higher number of turns wi.
  • the power output 27? max , w ⁇ ⁇ W2 is much lower for higher speeds, compared to the maximum 26 P max , w 2 of an electrical machine 1 with a stator winding 4 with fewer turns w 2 .
  • an electrical machine 1 in generator operation with a smaller number of stator windings w 2 is not fully utilized with regard to its performance. It only has to cover the power requirements of the vehicle electrical system. Due to the lower number of turns of the stator winding 4, the slot flow in such an electrical machine 1 and thus the stator copper losses that occur are significantly less than in the case of an electrical machine 1 with a number of turns wi. In the electric machine 1 with a smaller number of stator windings, a correspondingly larger magnetic flux is established. This flux leads to greater losses in the iron area of the electrical machine 1. In today's claw-pole machines, however, the current-dependent copper losses in the stator winding and the harmonic losses in the machine outweigh the losses mentioned from the magnetic fundamental wave field.
  • the number of turns of the stator winding can be selected more freely by operating this electrical machine with a pulse-changing judge 6.
  • the converter 6 in the form of a pulse alternator always enables the power output 12 along the torque line 29 in the lower speed range. This is independent of the selected number of turns Wi or w 2 of the electrical machine 1. There are then currents in the pulse alternation -Processing judges that are inversely proportional to the number of turns. In the upper speed range, ie in a speed range above the set speed 25.2 on the speed axis 13 as shown in FIG. 3, a smaller number of windimgs w 2 can either increase the power output 12 of the electrical machine or significantly improve its efficiency.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for operating an electrical machine (1), which is provided for generating electrical power (12) and which contains an excitation winding (2) and a stator winding (4). A converter configuration (6), e.g. a pulse-controlled inverter, is connected in outgoing circuit to the electrical machine (1). In the lower rpm range, the output of electrical power (12) ensues along the moment lines (29) independent of the number of turns w1, w2 of a stator winding (4). In the upper rpm range, the output of electrical power (12) ensues via a stator winding (4) with a low number of turns w2.

Description

Verfahren zur Wirkungsgradsteigerung einer elektrischen Maschine
Technisches Gebiet
Bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen mit niedrigerem Kraftstoffverbrauch ist das Augenmerk zunehmend auf den Anteil am Kraftstoffverbrauch gerichtet, den die elektrischen Komponenten in Kraftfalirzeugen verursachen. Für die Erzeugung von 100 W elektrischer Leistung wird von einem Mehrverbrauch in der Größenordnung von 0,1 bis 0,15 1 Kraftstoff pro 100 km Fahrstrecke ausgegangen. Daraus ergibt sich die Anforderung an im Kraftfahrzeug eingesetzte elektrische Maschinen, wie beispielsweise einen Generator, zur Abgabe elektrischer Leistung mit optimalem Wirkungsgrad auszustatten.
Stand der Technik
Die Erzeugung elektrischer Leistung in Kraftfahrzeugen erfolgt heute üblicherweise durch Klauenpolgeneratoren. Diese Drehstrommaschinen sind mit dem Bordnetz, welches ein Gleichspannungsnetz ist, über eine passive Diodengleichrichterbrücke verbunden. Die Generatoren zur Erzeugung der elektrischen Energie in Kraftfahrzeugen sind so dimensioniert, daß sie bei Motorleerlauf bereits die zur Versorgung der elektrischen Komponenten benötigte elektrische Leistung liefern können.
Um die zu erwartende Steigerung der Anforderung an die Bereitstellung von elektrischer Leistung in Kraftfahrzeugen auch in Zukunft erfüllen zu können, können Drehstromgeneratoren, wie beispielsweise ein Klauenpolgenerator, mit Puls-Wechsel-Richtern ausgestattet werden. Durch diese Baukomponente läßt sich die Leistung des Drehstromgenerators, insbesondere in dessen unterem Drehzahlbereich, erheblich steigern. Die Drehstromgeneratoren werden heute üblicherweise so dimensioniert, daß sie zusammen mit den Diodengleichrichtern unterhalb der Leerlaufdrehzahl einer Nerbrennungskraftmaschine bereits mit der Abgabe elektrischer Leistung beginnen. Die Drehzahl, bei der der Generator eine Klemmenspannung von 14 N bei voller Erregung erreicht, liegt in der Größenordnung von 1000 bis 1200 min"1. Die Abgabeleistung erreicht im Leerlauf (etwa 1800 min"1 Generatordrehzahl) einen Tangentenpunkt der Leistungskurve. In diesem Betriebspunkt des Drehstromgenerators erreicht die Abgabe der elektrischen Leistung ca. 60 bis 70% ihres Maximalwertes. Der erwähnte Tangentenpunkt wird üblicherweise in den Motorleerlauf der Verbrennungskraftmaschine gelegt. Im Tangentenpunkt hat die elektrische Maschine ihren besten Wirkungsgrad.
Der Maximalwert, der sich einstellenden Abgabe elektrischer Leistung wird bei einer Generatordrehzahl von etwa 6000 min'1 erreicht und steigt bei höheren Drehzahlen praktisch kaum mehr an.
Zwar ergibt diese Dimensionierung einer im Generatorbetrieb arbeitenden elektrischen Maschine einen sehr guten Kompromiß aus Baugröße und der Forderung nach vollständiger Abdeckung der elektrischen Leistung bereits im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine in Kraftfahrzeugen, aber zur Abgabe maximaler elektrischer Leistung arbeitet die elektrische Maschine in einem sehr hohen Drehzahlbereich, nahe an ihrem Kurzschlußpunkt. Dadurch sind die sich einstellenden Ständerkupferverluste beträchtlich.
Darstellung der Erfindung
Der Betrieb eines elektrischen Generators mit zugeordnetem Puls-Wechsel- Richter gestattet es, die Ständerwindungszahl am Ständer des Generators nach anderen Auslegungskriterien auszulegen als der Einsetzdrehzahl des Generators, an der die Abgabe elektrischer Leistung einsetzt. Mittels des der elektrischen Maschine zugeordneten Puls-Wechsel-Richters läßt sich im unteren Drehzahlbereich die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine entlang der Momentengerade führen, unabhängig von der Windungszahl in der Ständerwicklung des Generators. Durch den Betriebsmodus der elektrischen Maschine mit nachgeordnetem Puls-Wechsel-Richter läßt sich die Einsetzdrehzahl, bei der die elektrische Maschine elektrische Leistung abgibt, so weit absenken, daß bereits im Leerlaufbetrieb einer Verbrennungskraftmaschine genügend elektrische Leistung abgegeben werden kann. Auch bei kleinen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine steht durch den Betrieb der elektrischen Maschine mit Puls- Wechsel-Richter bereits dann genügend elektrische Leistung zur Verfügung. Man ist nicht mehr daran gebunden, daß die Klemmenspannung der Maschine die Netzspannung überschreitet.
Wird der Puls- Wechsel-Richter mit einer elektrischen Maschine betrieben, deren Ständerwicklung eine geringere Windungsanzahl aufweist, lassen sich im oberen Drehzahlbereich die nachfolgend aufgeführten Vorteile erzielen:
Einerseits läßt sich im oberen Drehzahlbereich entweder die Leistung der elektrischen Maschine steigern oder deren Wirkungsgrad signifikant erhöhen. Bei elektrischen Maschinen mit kleiner Windungsanzahl läßt sich, verglichen mit elektrischen Maschinen mit größerer Windungsanzahl - bei gleicher elektrischer Leistung — bei der elektrischen Maschine mit einer geringeren Ständerwindungszahl eine niedrigere Nutendurchflutung erzielen. Unter Annahme eines Nutenfiülungsgrades, der bei der elektrischen Maschine mit höherer Windungsanzahl und bei der elektrischen Maschine mit geringerer Windungsanzahl gleich ist, stellen sich bei den elektrischen Maschinen mit geringerer Windungsanzahl deutlich geringere Verluste im Wicklungskupfer ein. Ferner lassen sich ebenfalls die im Eisen einstellenden Verluste, die durch die Nutendurchflutung verursacht werden, verringern (Oberwellenverluste). Die Maschinenwicklung der elektrischen Maschine läßt sich somit auf minimale Gesamtverluste in einem Fahrzyklus dimensionieren. Mit der erfindungsgemäß vorgschlagenen Lösung, eine elektrische Maschine mit kleiner Windungsanzahl mit einem Puls- Wechsel-Richter zu betreiben, läßt sich die Leistungsfähigkeit dieser elektrischen Maschinen im oberen Drehzahlbereich voll ausschöpfen. Damit steht eine Leistungsreserve hinsichtlich der Bereitstellung elektrischer Leistung zur Verfügung.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Konfiguration einer elektrischen Maschine mit nachgeordnetem Puls-Wechsel-Richter.
Fig. 2 die Regelbereiche der elektrischen Maschine, begrenzt durch Verlauf von Leistungsgrenze, Leistunsfaktor cos φ sowie Spannungsgrenze und
Fig. 3 die Verläufe der Leistungskurven für elektrische Maschinen mit unterschiedlicher Windungsanzahl, aufgetragen über der Drel zahl.
Ausfuhrungsvarianten
Fig. 1 zeigt in schematischer Konfiguration eine elelctrische Maschine mit nachgeordnetem Puls- Wechsel-Richter.
Eine elektrische Maschine 1 umfaßt eine Erregerwicklung 2, in der ein Erregerstrom 3 fließt, auch mit ip bezeichnet. Ferner eine Ständerwicklung 4, die - je nach Auslegung der elektrischen Mashine 1 - mehr oder weniger Wicklungswindungen wi oder w2 aufweisen kann. Die Ständerwicklung 4 der im Generatorbetrieb betreibbaren elektrischen Maschine 1 ist über ihre Klemmenaschlüsse 5 mit einer Umrichterbrücke 6 verbunden. Die Umrichterbrücke 6 - ausgelegt als ein Puls- Wechsel-Richter - enthält eine Anzahl Schalter, die hier als Feldeffekttransistoren mit Rückwärtsdioden dargestellt sind, 7, 8 sowie einen Kondensator 9. Über den Puls- Wechsel-Richter 6 kann die Spannungsdifferenz zwischen den Maschinenklemmen 5 und der Spannung unetz im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges ausgeglichen werden. Die Last 11, die die elektrischen Verbraucher des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges darstellen, ist über einen verstellbaren ohmschen Widerstand angedeutet.
Fig.2 zeigt die Regelbereiche einer elektrischen Maschine 1, die jeweils durch den Verlauf von Leistungsgrenze, Spannungsgrenze sowie den Verlauf des Leistungsfaktors cos φ begrenzt sind.
Der mit I bezeichnete Regelbereich einer elektrischen Maschine 1 wird einerseits durch die Spannungsgrenze 16 sowie andererseits durch einen Abschnitt der Momentengeraden 29 bestimmt. In diesem Regelbereich erreicht die Klemmenspannung der elektrischen Maschine 1 noch nicht die maximal mögliche Ausgangsspannung des Umrichters 6. Der maximale Wirkunsgrad der Maschine wird erreicht, wenn im Ständer 4 bei konstanter Leistungabgabe der minimale Strom fließt. Wird die magnetische Einachsigkeit eines Klauenpolgenerators zunächst vernachlässigt, ist dies dann erreicht, wenn in der Ständerwicklung ein reiner Querstrom fließt und der Längsstrom zu null wird. Im Regelbereich I ist der Umrichter 6 noch nicht an seiner Spannungsgrenze angelangt und er kann den gewünschten Ständerstrom einstellen. Der Erregerstrom 3 wird auf seinen maximalen Wert eingestellt, so daß für die geforderte Leistung ein Minimum an Ständerstrom in der Ständerwicklung erforderlich ist. Die Verluste in der Ständerwicklung 4 überschreiten bei weitem die Erregerverluste, so daß es günstig ist, den Erregerstrom 3 auf den Maximalwert zu steigern und den Ständerstrom zu minimieren, um den Wirkungsgrad zu optimieren. Das maximale Drehmoment der elektrischen Maschine 1 ist durch den maximalen Ständerstrom beschränkt, die abgegebene elektrische Leistung 12 der elektrischen Maschine 1 nimmt linear mit der Drehzahl 13 zu. Der in Figur 2 dargestellte Regelbereich II einer elektrischen Maschine wird nach oben durch den Verlauf der Leistungsgrenze und nach unten durch den Verlauf des Leistungsfaktors cos φ, Bezugszeichen 15, begrenzt. Der Regelbereich II entspricht dem Feldschwächbereich und wird erreicht, wenn die Maschinenspannung der elektrischen Maschine 1 die Deckenspannung des Umrichters 6 erreicht hat. Der Umrichter 6 kann die Spannung dann nicht mehr weiter steigern. Durch einen sich einstellenden Längsstrom in der elektrischen Maschine 1 wird ein Feldschwächbereich realisiert. Der Erregerstrom i? in der Erregerentwicklung 2 der elektrischen Maschine 1 bleibt auf seinen Maximalwert eingestellt, um einen minimalen Ständerstrom in der Ständerwicklung 4 zu realisieren, so daß die sich dort einstellenden Verlust minimiert sind.
Der Regelbereich III gemäß Figur 2 ist durch den Verlauf des Leistungsfaktor cos φ, Bezugszeichen 15, sowie den Verlauf der Drehzal lachse 13 beschränkt. Wenn der Längsstrom in der elektrischen Maschine 1 einen Wert erreicht, bei dem der Leistungsfaktor cos φ der elektrischen Maschine 1 den Wert cos φ = -1 erreicht hat, ist eine Änderung der Regelstruktur günstig. Der Regelbereich II der elektrischen Maschine 1 könnte zwar durchaus weiter zu höheren Drehzahlen durchfahren werden, jedoch wird ein besserer Wirkungsgrad dann erzielt, wenn der Erregerstrom der elektrischen Maschine 1 , ip reduziert wird.
Unter der Randbedingung einer konstanten Klemmenspannung an der elektrischen Maschine erreicht der Wirkungsgrad ein Maximum, wenn der Leistungsfaktor 15 den Wert 1 (oder auch -1) erreicht. Strom und Spannung sind dann in Phase und für den Fall konstanter Netzspannung (d. h. Dachspannung des Umrichters) ist der Strangstrom dann am geringsten und somit auch die sich dort einstellenden Verluste. Dieser Betriebszustand entspricht einer im Generatorbetrieb betriebenen elektrischen Maschine 1 mit einer nachgeordneten Diodenbrücke. Die Regelung der abgegebenen elektrischen Leistung 12 erfolgt über die Regelung des Erregerstromes 3. Die Randbedingung einer maximalen Klemmenspannung bei cos φ = -1 wird durch die Gleichrichterbrücke erfüllt. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Leistungskurven für elelctrische Maschinen, mit unterschiedlicher Windungszahl Wj bzw. w2, jeweils aufgetragen über den Drehzahlen von der Verbremiungskraftmaschine bzw. der im Generatorbetrieb betreibbaren elektrischen Maschine.
Auf der Drehzahlverläufe repräsentierenden Achse 13 sind zwei Drehzahlwerte 25.1, die einer ersten Einsetzdrehzahl im Diodenbetrieb emer elektrischen Maschine 1 mit einer Windungszahl wi entspricht sowie eine zweite Einsetzdrehzahl 25.2 für eine zweite elektrische Maschine mit einer zweiten Drehzahl w2 eingetragen. Mit Bezugszeichen 20 ist eine Einsetzdrehzahl die für beide Generatorauslegungen (Windungszahl i und Windungszahl w2) mit einem Puls-Wechsel-Richter gilt, aufgetragen. Für die an einem Puls-Wechsel-Richter 6 betreibbaren beiden elektrischen Maschinen 1, die im Diagramm gemäß Fig. 3 mit unterschiedlichen Windungszahlen für die Ständerwicklung 4 einander gegenübergestellt sind, ergeben sich unterschiedliche Verläufe in der Abgabe 12 elektrischer Leistung.
In der Nähe des Ursprungs des aus den Achsen 12 und 13 bestehenden Koordinatensystems, nämlich bei 20, hat die Momentengerade 29 ihren Ursprung, die einen linearen Zusammenhang, zwischen Drehzahl und abgegebener elektrischer Leistung wiedergibt. Die Momentengerade 29 verläuft für einen niedrigen Drehzahlbereich identisch zum Verlauf der Leistungsgrenze 14, welche bei höheren Drehzahlen als Asymptote verlaufend, vom Verlauf der Momentengerade 29 abweicht.
Der mit Bezugszeichen 23 bezeichnete Kurvenzug repräsentiert den Verlauf der Leistungsabgabe einer elektrischen Maschine 1 mit einer höheren Windungsanzahl wi, während der in gestrichelter Darstellung wiedergegebene Kurvenzug 24 den Verlauf der Leistungsabgabe einer elektrischen Maschine 1 mit einer im Vergleich zu Wi niedrigeren Windungsanzahl w2 repräsentiert. Mit Bezugszeichen 22 ist der Verlauf der Leistungsabgabe einer elektrischen Maschine 1 im Diodenbetrieb dargestellt. Aus dem Verlauf der Kennlinie im Diodenbetrieb der elektrischen Maschine 1 geht hervor, daß die Abgabe elektrischer Leistung im Bereich der Leerlaufdrehzahl einer Verbrennungslcraftmaschine drastisch abnimmt, so daß der Einsatz eines eine - solche Kennlinie aufweisenden Generators im Kraftfahrzeug nicht möglich ist.
Demgegenüber ist aus dem Diagramm gemäß Fig. 3 entnehmbar, daß der Verlauf der Abgabe der elektrischen Leistung 12 gemäß des Kurvenzuges 23, welcher die Leistungsabgabe bei Betrieb einer elektrischen Maschine 1 mit einem Puls- Wechsel-Richter darstellt, auch im Leerlaufbereich bis nahe an den Ursprung des Diagramms bis zur Einsetzdrehzahl 20 die Zuordnung eines Puls-Wechse- Richters zu einer elektrischen Maschine 1 eine ausreichende, dem Momentenverlauf 29 entsprechende Leistungsabgabe 12 einer elektrischen Maschine 1 gestattet. In diesem Bereich kann durch die Umrichterbrücke 6 die Abgabe der elektrischen Leistung unabhängig von der Windungsanzahl Wi bzw. w2, d. h. unabhängig vom weiteren Verlauf der Kurvenzüge 23 bzw. 24, gehalten werden, die für größere Drehzahlen beträchtlich voneinander abweichen.
Für die gemäß der Darstellung in Fig. 3 dargestellten kleineren Drehzahlen, beispielsweise zwischen den Drehzahlen 20 und 25.2 muß der Puls-Wechsel- Richter 6 einen den Windungszahlen w_ bzw. w der Ständerwicklung 4 umgekehrt proportionalen Maschinenstrom verarbeiten können. Dies bedeutet, daß bei Ständerwicklungen 4 mit einer kleineren Windungsanzahl w2 ein größerer Puls- Wechsel-Richter 6 erforderlich ist. Die Nutdurchflutung der elektrischen Maschinen 1 ist bei beiden Wicklungen unterschiedlicher Wicklungszahlen Wi bzw. w2 identisch.
Aus der Gegenüberstellung der Leistungsgrenzen 23 bzw. 24 für elelctrische Maschinen 1 mit unterschiedlichen Ständerwindungsanzahlen Wi bzw. w2 läßt sich folgendes entnehmen: Zum einen liegt die Einsetzdrehzahl einer elektrischen Maschine 1 im Generatorbetrieb mit einer niedrigen Ständerwindungsanzahl w2 am Diodengleichrichter 25.2 recht hoch, verglichen mit der Einsetzdrehzahl einer elektrischen Maschine für Generatorbetrieb mit einer Einsetzdrehzahl 25.1. Andererseits ist die Leistungsabgabe Pmax, bezeichnet mit Bezugszeichen 26, für eine elektrische Maschine mit kleinerer Windungsanzahl w2 wesentlich höher als für eine elelctrische Maschine 1, deren Ständerwicklung 4 eine höhere Windungsanzahl wi aufweist. Die Leistungsabgabe 27 ?max, wι < W2 liegt für höhere Drehzahlen wesentlich geringer, verglichen mit dem Maximum 26 Pmax, w2 einer elektrischen Maschine 1 mit einer Ständerwicklung 4 mit weniger Windungen w2.
Im oberen Drehzahlbereich wird daher eine elektrische Maschine 1 im Generatorbetrieb mit kleinerer Ständerwindungsanzahl w2 hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit nicht vollständig ausgenutzt. Sie muß nur den Leistungsbedarf des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges decken. Aufgrund der niedrigeren Windungsanzahl der Ständerwicklung 4 ist die Nutendurchflutung in einer solchen elektrischen Maschine 1 und somit die sich einstellenden Ständerkupferverluste deutlich geringer als bei einer elektrischen Maschine 1 mit einer Windungsanzahl wi. Bei der elektrischen Maschine 1 mit einer geringeren Ständerwindungsanzahl stellt sich ein entsprechend größerer magnetischer Fluß ein. Dieser Fluß führt zu größeren Verlusten im Eisenbereich der elektrischen Maschine 1. Bei den heutigen Klauenpolmaschinen überwiegen jedoch die stromabhängigen Kupferverluste in der Ständerwicklung sowie die Oberwellenverluste in der Maschine die erwähnten Verluste aus dem magnetischen Grundwellenfeld.
Durch den Betrieb einer elektrischen Maschine 1 im Generatormodus kann durch Betrieb dieser elektrischen Maschine mit einem Puls- Wechsel-Richter 6 die Windungszahl der Ständerwicklung freier gewählt werden. Der Umrichter 6 in Gestalt eines Puls- Wechsel-Richters ermöglicht im unteren Drehzahlbereich immer die Leistungsabgabe 12 entlang der Momentengerade 29. Dies ist unabhängig von der jeweiligen gewählten Windungszahl Wi bzw. w2 der elektrischen Maschine 1. Es sind dann Ströme im Puls- Wechsel-Richter zu verarbeiten, die sich umgekehrt proportional zur Windungsanzahl verhalten. Im oberen Drehzahlbereich, d. h. in einem Drehzahlbereich oberhalb der Einsetzdrehzahl 25.2 auf der Drehzahlachse 13 gemäß der Darstellung in Fig. 3 läßt sich durch eine kleinere Windimgsanzahl w2 entweder die Leistungsabgabe 12 der elektrischen Maschine steigern oder aber ihr Wirkungsgrad erheblich verbessern. Im oberen Drehzahlbereich ergeben sich bei Einsatz einer Ständerwicklung mit einer kleineren Windungsanzahl w2 entsprechend geringere Nutdurchflutungen. Vorausgesetzt, es ist dieselbe Nutfüllung wie bei einer elektrischen Maschine 1 mit einer größeren Windungsanzahl wi gegeben, ergeben sich somit deutlich kleinere Verluste im Wicklungskupfer. Femer reduzieren sich die Eisenverluste, die durch die Nutdurchflutung verursacht werden. Damit läßt sich eine solche Art gestaltete Maschinenwicklung mit weniger Windungen auf minimale Gesamtverluste in einem Fahrzyklus dimensionieren. Eine Reduktion der Windungsanzahl an einer elektrischen Maschine 1, die im Generatormodus betrieben wird, führt demnach zu einem besseren Wirkungsgrad im Gesamtsystem, wobei jedoch beachtlich ist, daß Feldeffekttransistoren stärker ausgelegt werden müssen, die sich jedoch durch eine stärkere Auslegung auch entsprechend leichter regeln lassen.
B ezugszeichenliste
1 elektrische Mascl ine
2 Erregerwicklung 3 Erregerstrom IF
4 Ständerwicklung
5 Klemmenanschlüsse
6 Umrichter
7 Dioden 8 Schaltventile
9 Kapazität
10 Netzspannung
11 Last
12 abgegebene elelctrische Leistung 13 Drehzahl
14 Verlauf Leistungsgrenze
15 Verlauf Leistungsfaktor für cos φ = 1
16 Spannungsgrenze
17 Regelbereich I 18 Regelbereich II
19 Regelbereich III
20 Leerlaufdrehzahl
21 Leistungskurve größere Windungsanzahl wi
22 Betrieb mit Diodenbrücke 23 Leistungsgrenze Umrichterbetrieb
24 Leistungskurve kleinere Windungsanzahl w2
25.1 Einsetzdrehzahl n i
25.2 Einsetzdrehzahl nw2
26 Maximalleistung bei w2 27 Maximalleistung bei wi
28 Leistungsreserve
29 Momentengerade

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (1) zur Abgabe elektrischer Leistung (12), eine Erregerwicklung (2) sowie eine
Ständerwicklung (4) enthaltend, denen eine Umrichteranordnung (6) nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich einer Leerlaufdrehzahl einer Verbrennungskraftmaschine die Abgabe elektrischer Leistung (12) entlang der Momentengerade (29) unabhängig von der Windungsanzahl wj, w2 erfolgt und im oberen Drehzahlbereich jenseits der Leerlaufdrehzahl einer Verbrennungskraftmaschine die Abgabe elektrischer Leistung (12) über eine elektrische Maschine (1) mit einer Ständerwicklung (4) mit kleiner Windungsanzahl w2 erfolgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Puls-Wechsel-Richters (6) die Spannungsdifferenz zwischen Bordnetz (10) des Kraftfahrzeuges und den Maschinenklemmen (5) ausgeglichen wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlauf- drehzahlbereich einer Verbrennungskraftmaschine die Leistungsabgabe (12) der elektrischen Maschine (1) über die Puls-Wechsel-Richter-Anordnung (6) erfolgt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Puls- Wechsel-Richter (6) einen der Windungsanzahl der Ständerwicklung (4) der elektrischen Maschine (1) umgekehrt proportionalen Strom verarbeitet.
5. Verfahren gemäß Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgabe elektrischer Leistung (12) oberhalb des Leerlaufdrehzahlbreiches gemäß der Leistungskurve (24) einer elektrischen Maschine (1) mit kleiner
Windungsanzahl w erfolgt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Betrieb der elektrischen Maschine (1) mit einem Puls- Wechsel-Richter (6) die Ständerwindungszahl unabhängig von der Einsetzdrehzahl (25.1, 25.2) gewählt werden kann.
7. Verfahren gemäß Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Drehzahlbereich die Abgabe elektrischer Leistung (12) bis fast zu seinem Maximalwert (27) gemäß der Momentengerade (29) über den Puls-Wechsel- Richter (6) erfolgt.
8. Verfahren gemäß Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Wirkungsgrad der elektrischen Maschine (1) dadurch erhöht wird, daß die elektrische Maschine (1) mit kleinerer Windungszahl w2 ausgestattet wird.
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