WO2018050846A1 - Machine comprising a variable-speed drive for providing a direct current - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
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- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K3/00—Details of windings
- H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
- H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
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- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K19/00—Synchronous motors or generators
- H02K19/16—Synchronous generators
- H02K19/34—Generators with two or more outputs
Definitions
- Alternators are used. A distinction is made between single-phase and multi-phase generators, depending on the number of alternating voltages that such a generator supplies.
- a rotor (usually mechanically driven) with a rotor winding rotates e.g. inside a stator having one, two or more independent stator windings.
- Typical examples are generators, such as those used in vehicles.
- the alternators are driven by the engine of the vehicle at a varying speed.
- Fig. 1A the section through a claw pole generator is shown. However, only the essential elements of such a claw pole generator are shown.
- the generator has a pulley 3, which sits here at one end of a drive shaft 4.
- a stator core (usually as a laminated core) is provided, which is referred to here as the stator winding 6
- stator windings 6 typically three stator windings 6 are provided to form a 3-phase system.
- a rotor 1 Inside the generator sits a rotor 1 with a rotor winding 7, which is arranged concentrically to the axis of rotation RA of the drive shaft 4 and which serves as a field winding of the generator.
- the drive shaft 4 is usually driven by a V-belt, which is a pulley on the
- Rotation axis RA rotates, it induces AC voltage in the stator windings 6 (these stator windings 6 are hereinafter referred to as phase windings 6).
- phase windings 6 are hereinafter referred to as phase windings 6.
- the field winding 7 builds on the ends of the jaws 9
- North Pole Np and South Pole Sp on. Due to the staggered arrangement of the two claw pole halves, north poles Np and south poles Sp alternately form on the rotor 1, as shown schematically in FIG. 1A.
- phase windings 6 which are connected together either to a stator circuit in a circular or star configuration, can
- the rectifier can be connected to the rectified current contributions of the individual phase windings 6, e.g. to feed a vehicle battery.
- Fig. 1B shows an exemplary current characteristic of such
- Klauenpolgenerators wherein the current is plotted in ampere A on the speed in rpm of the drive shaft 4 of the generator. Since the drive shaft 4 is typically driven by a ratio, it rotates faster than the engine by the ratio factor.
- Translation of 3 corresponds to an idle speed n L of the engine of about 633 rpm.
- n * i_ the generator shown supplies only a current of approximately 48A, which corresponds to only about 40 percent of the maximum current of about 125A.
- claw pole generators which are mentioned here by way of example only as an example, are relatively small and light and they also have a good
- the motor for rotating the alternator has to apply all the more mechanical power, the more electric power an alternator on the output side, e.g. to a vehicle battery B and / or to electrical consumers in the
- this machine should be able to deliver a high maximum current with reduced loss.
- a machine is provided with a variable speed drivable shaft, which includes a common rotor which is coupled to the shaft.
- the machine has a first m-phase Stator circuit comprising m phase windings, which are connected in series electrically connected to a circle, each between two
- the machine comprises at least a second m-phase stator circuit which has m phase windings.
- the m phase windings of the second m-phase stator circuit are
- Output node is designed for deriving an AC contribution, or they are connected to a star, each per coil, an output node for deriving an AC contribution is formed.
- the machine of the invention is further characterized in that m is an integer greater than or equal to 2,
- both stator circuits are magnetically excitable by the common rotor
- phase windings of the first m-phase stator circuit have a first number of turns and the phase windings of the second m-phase
- Stator circuit have a second number of turns, and wherein
- the first number of turns is greater than the second number of turns.
- the 2 * m current contributions in all embodiments circuit technology (eg, by the use of a downstream rectifier device) combined into a single total dc.
- circuit technology eg, by the use of a downstream rectifier device
- the invention is based on the recognition that the losses of a generator can be significantly reduced when the number of turns is reduced. On the one hand, a coil with a small number of turns has a shorter one
- embodiments of the invention are therefore preferred that have numbers of turns, which are in the range between 4 and 7.
- phase winding / s with reduced number of turns, in addition to the disadvantage of reduced at low speeds voltage, but above all the advantage of significantly reduced losses, as indicated above.
- a low-winding phase winding provides high power, especially in the medium speed range. This aspect may be important, since such a machine should be particularly powerful in modern vehicles, especially in the mid-engine speed range (e.g., between 1 000 and 3 000 rpm).
- a machine which comprises at least two stator circuits with different phase windings, wherein these two stator circuits differ at least due to different numbers of turns of their phase windings. It is therefore here also the concept of asymmetric windings or the
- each of the m phase windings can be designed for a different power development as a function of time or speed.
- the machine of the invention in all embodiments comprises a rectifier device, the loss and
- the combination of machine and rectifier device has a particularly good response even at low speeds.
- Speed range (at the drive shaft of the machine) of e.g. 1,500 rpm to 22,000 rpm, reliable and stable.
- a fast-response variable speed engine for providing a suitable DC voltage (e.g.,> 14.5V) and a high DC current (e.g.,> 100A).
- a rectifier device is used, which is constructed as an analog circuit that it switches at the zero crossing of the AC voltage.
- the rectifier device should be loss and voltage optimized to
- a rectifier device is used, which has been optimized for loss, in order to make better use of the energy that is provided by the stator windings of the stator circuits.
- rotationally driven permanent magnet or the rotationally driven exciter winding a rotating excitation field that induces AC voltages and AC currents in the phase windings of all the stator circuits.
- a machine of the invention can easily so
- a vehicle equipped with a machine of the invention can feed several electrical consumers of the vehicle even at low speeds (for example, at the idle speed of the engine) without the vehicle
- the invention is especially suitable for slowly rotating
- Engines such as diesel engines to deliver high currents even at low speeds.
- the invention is suitable inter alia for use with a
- Claw pole generator which serves as a generator of a vehicle and which is mechanically rotated by the vehicle engine.
- the invention can be applied to Vollpolgeneratoren and on
- the invention can be applied to self-excited generators, in which the excitation DC current, which is used to power the field winding, is derived from one or more of the rectified currents of the phase windings.
- the machine of the invention is particularly suitable for island operation, in which the generator of the machine with at least one
- the invention is not limited to pot generators, e.g.
- the output voltage provided by a low speed engine of the invention may be less than the rated voltage (e.g., an on-board voltage of 14.5V of a vehicle). Such a lower voltage is therefore unusable, e.g. to feed the electrical system.
- the rectifier device can be extended by a transformer circuit which is able to up-convert the voltage before it enters the vehicle electrical system.
- FIG. 1A is a sectional view of a part of a claw pole generator of FIG. 1A
- Fig. 1B shows an exemplary current characteristic of such
- Fig. 2A shows a highly schematic representation of a first
- Phase windings wherein each two of the phase windings have 4 turns and two phase windings each have 6 turns;
- FIG. 2B shows a first electrical equivalent circuit of the generator of FIG.
- FIG. 2C shows a second electrical equivalent circuit of the generator of FIG.
- Fig. 3A shows a highly schematic representation of a second
- Phase windings each three of the phase windings having 4 turns and three of the phase windings each having 6 turns;
- FIG. 3B is an electrical equivalent circuit diagram of the generator of FIG. 3A;
- Phase windings with 6 turns each to a stator circuit with
- Fig. 4 shows a schematic perspective view of another machine of
- FIG. 5 shows a schematic section of the stator of another
- Winding wires is filled
- FIG. 6 shows the current characteristic of a generator based on the principle of FIG.
- Fig. 7 shows details of another machine of the invention, the two
- variable-speed rotary drive 110 is here that part or are here those parts of a generator G referred to, which are rotationally driven from the outside.
- the variable speed rotary drive 110 may be e.g. a pulley 3 and a drive shaft 4 (see Fig. 1A).
- the rotary drive 110 may be designed and / or arranged differently in all embodiments of the invention than shown in Fig. 1A.
- the word "variable speed" is used here to emphasize that the speed given by the rotary drive 110 to the generator G may change, for example, if the machine 100 is connected to the crankshaft of a vehicle engine via a belt drive, for example the speed at the generator G is linearly proportional to the speed of the vehicle engine, and speeds which relate to the generator G are marked with an asterisk * in order to be able to differentiate them from the speeds at the vehicle engine, for example n L represents the idling speed of the engine Vehicle engine, whereas n * L stands for the corresponding idle speed at the generator G.
- n L represents the idling speed of the engine Vehicle engine
- n * L stands for the corresponding idle speed at the generator G.
- the speeds at the vehicle engine can be converted by multiplying it into the speeds at the generator G.
- variable speed also implies that the machine 100 must be specially designed throughout
- Speed range (eg, from idle n * L up to a maximum speed n * ma x at the generator G) to operate reliably and thermally stable.
- a rectifier device 20 is used, such. B. shown in Fig. 7.
- the generator G comprises in all embodiments at least two stator circuits, which are designated here by G1 and G2.
- Stator circuits Gl, G2 feed several phase-shifted
- Rectifier circuit 40 Rectifier circuit 40. r rectifier device 20 is processed and rectified, such. shown in Fig. 7.
- the residual ripple can in all embodiments e.g. be smoothed by an optional low pass filter 30 on the output side of the rectifier device 20, e.g. shown in Fig. 7.
- Fig. 2A the example of a first devispolgenerators G is shown in the form of a claw pole generator. In the plan view shown, it can be seen how alternately the individual claws of the rotor 1 engage with each other.
- the excitation winding 7, which is part of the rotor 1, can not be seen in FIG. 2A.
- the excitation winding 7 is supplied with a direct current, e.g. above
- Slip rings 8 (as shown in Fig. 1A shown) is supplied and it is built
- ⁇ ( ⁇ ) stands for the time-variable angular velocity.
- the time variability results from varying the speed, e.g. of the vehicle engine when accelerating from the idle gas (with the
- the magnetic field lines of the rotor 1 enforce all
- stator windings 6 Windings of the stator 5 (called stator windings 6 or phase windings 6.m) and induce in each of the phase windings 6.m one
- m is an integer> 2 in all embodiments.
- stator 5 preferably comprises in all embodiments an iron core (eg.
- a magnetic circuit mK which is shown in Fig. 2A only hinted by a dashed circle.
- stator 5 there are always several on the stator 5
- Phase windings (eg 6.1, 6.2, 6.4, 6.5) are present, these being Phase windings are each arranged angularly offset from each other.
- the angular offset between two adjacent phase windings eg between the phase winding 6.1 of the first stator circuit Gl and the phase winding 6.4 of the second stator G2 each 90 degrees and the angular offset between two phase windings of a stator (eg between the phase windings 6.1 and 6.2 the stator circuit Gl) is 180 degrees.
- the machine 100 comprises two stator circuits Gl, G2, which are magnetically and mechanically coupled but electrically / galvanically isolated.
- the machine 100 can be at all
- Embodiments also include more than two stator circuits Gl, G2.
- Stator circuits (for example, the two stator circuits Gl and G2) are arranged on or on a stator 5, wherein these stator circuits are magnetically excited by a common rotor 1.
- phase windings synchronously magnetically (in the case of a generator G with permanent magnet) or synchronously electro-magnetically excited (in the case of a generator G with current-fed excitation winding on the rotor 1). Either generates the rotationally driven
- the number of pole pairs p of the rotor 1 and the number of revolutions of the rotor 1 per unit time have a directly proportional influence on the frequency of the alternating voltages or alternating currents which at the corresponding (output) node kl, k2, k3, etc., of the phase windings 6.m.
- Fig. 2A is the
- Pole pair number p 5.
- the poles of the rotor 1 are denoted by Np for magnetic north pole and Sp for magnetic south pole Sp.
- Phase windings 6.1, 6.2 which are connected in series electrically to a circle, as can be seen in Fig. 2B and 2C.
- Phase windings are also provided with the reference symbols R, S and T, as is customary in three-phase systems.
- An index is used to indicate the number of turns of a phase winding.
- the circuit is referred to as the parallel connection of two phase windings (see, for example, the stator circuit Gl in FIGS. 2B and 2C).
- Delta connection also called a delta or three-wire system
- a circuit comprising three phase windings (see, for example, the stator circuits Gl and G2 in Fig. 3B).
- An m-corner circuit is also considered as a circle comprising m phase windings.
- Stator circuit G2 connected in series.
- Such a series connection is regarded as a degenerate star connection, the star having only two beams.
- the neutral point Stp does not have to be led to the outside in the stator circuit G2 of FIG. 2C.
- a classic star connection like this from
- Three-phase generators has three beams with e.g. one each
- an output node Depending on the wiring of the stator circuits Gl, G2, there are different output nodes, which are designated here by kl, k2, k3, etc.
- the output nodes in stator circuits of the invention are points or locations on the phase windings designed to remove AC currents.
- an output node may e.g. be the open end of a winding wire connected to a solder point or a terminal.
- the output nodes kl, k2, k3, etc. are electrically connected to (supply) nodes al, a2, a3, etc. of the rectifier circuits 40, r (see FIG. 7).
- an output node k1, k2, k3, etc. designed to derive an AC contribution I.I (t), I.2 (t), I.3 (t), etc., is in each case between two consecutive ones Phase windings 6.m. Examples of this can be seen, for example, in FIGS. 2B, 2C and 3B.
- the circuit becomes a parallel connection of the phase windings R 6 and Se.
- this circle becomes a triangle with the phase windings Re, Sö and Je.
- Fig. 3B a preferred embodiment is shown, which in the case of the first stator circuit Gl per leg of the delta connection one each
- the m phase windings 6.4, 6.5, 6.6 of the second m-phase stator circuit G2 can be connected either to a circuit or to a (degenerate) star. It should be noted that the second
- Phase windings R4 and S 4th In Fig. 2C from the star a series circuit of the phase windings R4 and S4. In FIG. 3B, the circle becomes a triangle with the phase windings R 4 , S 4 and T 4 .
- Parallel connection of three phase windings includes.
- the corresponding number of winding wires can be uniformly accommodated in 72 slots 10 of a stator 5 , These numbers are to be understood as an example.
- Permanent magnets are generated magnetically, instead of being generated electro-magnetically by means of a field winding 7, since both generate a temporally constant magnetic field.
- variable speed rotary drive 110 e.g., in the form of a mechanically rotary drive shaft 4
- Stator circuits Gl, G2 includes.
- the machine 100 of the invention comprises a rotor 1 coupled to the rotary drive 110 (permanently excited or
- stator 5 DC-excited and a stator 5, which in turn carries the at least two m-phase stator circuits Gl, G2.
- phase windings 6.1, 6.2, 6.4, 6.5 in Fig. 2A and the phase windings 6.1 to 6.6 in Fig. 3A is purely schematic.
- the individual winding strands of the phase windings are typically different than shown in FIG. 2A and FIG. 3A.
- Fig. 4 is indicated by a schematic representation that the winding wires of the phase windings are meandering through grooves 10 of the stator 5 are performed.
- the grooves 10 extend parallel to the axis of rotation RA.
- Only a short part of a winding wire 11 of a phase winding is shown.
- the end of the winding is guided radially outwards and can serve as output node kl of the phase winding, for example.
- the winding wire 11 extends in a groove 10 parallel to the rotation axis RA down (section 11.
- the drive shaft 4 which here rotatably drives the rotor 1, indicated schematically.
- the drive shaft 4 serves as a rotary drive 110.
- a plurality of phase windings are present on the stator 5 according to the invention, which are each arranged angularly offset from each other, several winding wires run through each of the grooves 10.
- Fig. 5 the section of another stator 5 is shown by way of example. There are several grooves 10 can be seen. In one of the grooves 10, for example, a plurality of parallel winding wires can be seen. In total, twelve extend here
- the machine 100 comprises a rectifier device 20 having 2 times m rectifier circuits 40. r, such. B. shown in Fig. 7.
- a rectifier device 20 having 2 times m rectifier circuits 40. r, such. B. shown in Fig. 7.
- Each of the m phases of the first stator circuit Gl and each of the m phases of the second stator circuit G2 is each assigned to one of the 2 times m rectifier circuits 40. r.
- the stator circuits Gl, G2 of the machine 100 are preferably designed in all embodiments as a rotating field machines, which are penetrated by a common, rotating exciter field. That the
- At least two stator circuits Gl, G2 are mechanically and magnetically linked together.
- a phase winding 6.m with a high number of turns w.m is not able to supply such high maximum currents as a phase winding 6.m with a lower number of turns w.m;
- the filling factor of the grooves 10 in / on the stator 5 should be the same as possible in all grooves along the stator circumference;
- phase winding 6.m are preferably arranged meander-shaped on the stator 5 (see, for example, FIG.
- Winding wires 11 through which high currents flow should have the highest possible electrical conductivity (therefore they are made, for example, from high-purity copper wire);
- phase winding 6 .m with small winding number w. 2 causes a lower groove flooding than a phase winding 6 .m with large winding number w. l. This results in namely lower losses in the winding wire.
- the phase winding 6 .m with small winding number w. 2 causes a lower groove flooding than a phase winding 6 .m with large winding number w. l. This results in namely lower losses in the winding wire.
- an angular offset is required between the phase windings 6.m of the first stator circuit Gl and the phase windings 6.m of the second stator circuit G2 so that the alternating voltages can be rectified separately (eg in a common rectifier device 20);
- the output side of the stator circuits Gl, G2 a rectifier device 20 is provided, the z. B. diodes Dl, D2 and / or field-effect transistors (FETs) comprises;
- Number of turns w. l is preferably always connected as a circle constellation (see FIGS. 2B, 2C, 3B);
- Winding number w.2 can be a circle constellation (see FIGS. 2B, 3B) or
- Transformation circuit 31 may be arranged to transform the voltage upward (in Fig. 7 as an optional circuit block indicated).
- all embodiments of the invention have a
- Rectifier device 20 which comprises low threshold voltage diodes and / or FETs. These FETs, if present, are preferably so analogously driven in all embodiments of the invention by a circuit that the FETs are already close to the Zero crossing of the output voltages (AC voltages) at the nodes of the stator circuits Gl, G2 switch.
- Phase winding 6.m two or more than two windings are connected in parallel (see for example Fig. 3B).
- a êtpolgenerator G which has a rotor 1 with a rotor winding, which serves as a field winding.
- M 3 phase windings 6.1, 6.2 and 6.3 are provided on the common stator, which are part of a first stator circuit Gl.
- the phase windings 6.1, 6.2 and 6.3 all have a number of turns w.
- m 3 phase windings 6.4, 6.5 and 6.6, which are part of a second stator circuit G2, are provided on the common stator.
- Machine 100 of the invention shown schematically.
- the direct current is applied across the speed of the drive shaft 4 of the machine 100. It was assumed that a ratio of 1: 2.5 between the crankshaft of the engine and the drive shaft 4. One can therefore convert the speeds shown in Fig. 6 into corresponding engine speeds by dividing the values by 2.5.
- the current characteristic Sk ges of the total current I tot is obtained by adding the two current characteristics Sk. L and Sk.2 of the two current contributions.
- Stator G2 provide a higher power contribution.
- the current characteristic Sk. L of the stator circuit G2 has a significantly greater slope here.
- the current characteristic Sk.2 of the stator circuit Gl has a lower slope here. This means that the current characteristic Sk.2 of the first stator circuit Gl already starts to deliver a current contribution at lower speeds (with n ⁇ 2 ⁇ 00 rpm).
- stator circuits Gl, G2 of the machines 100 can be advantageously made technically usable especially in a machine 100 when the stator circuits Gl, G2 of the machines 100 comprise a rectifier device 20 food, which is designed to avoid an electrical short circuit between the m phase windings with different number of turns. Therefore, in all embodiments, diodes and / or analogously connected FETs are preferably used here.
- the rectifier device 20 should be designed so efficient and low loss, that the early response of the first
- Statorscaria G can make usable at all. Therefore, the diodes (e.g., Dl, D2) and / or FETs of the rectifier device 20 connected in an analogous manner should be voltage-optimized.
- a rectifier device 20 is used, which is constructed as an analog circuit so that it switches at the zero crossing of the AC voltages.
- diode rectifiers which have a series connection of, for example, two silicon diodes per phase
- diode rectifiers which have a series connection of, for example, two silicon diodes per phase
- here are per phase either at least one FET (field-effect transistor) and at least one diode or per phase either at least two FETs (field-effect transistors) provided.
- each of the r rectifier circuits 40.r comprises in all embodiments:
- a feed node al a2, a3, a4, a5, a6, which is connected to the output node k1, k2, k3, k4, k5, k6 of the corresponding phase winding 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6,
- each of the r rectifier circuits 40.r comprises in all embodiments:
- a feed node al a2, a3, a4, a5, a6, which is connected to the output node k1, k2, k3, k4, k5, k6 of the corresponding phase winding 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6,
- a diode D 1 arranged between the supply node a 1, a 2, a 3, a 4, a 5, a 6 and an upper potential point V +,
- At least one field effect transistor (not shown), which is arranged between the supply node al, a2, a3, a4, a5, a6 and a lower potential point V-.
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Abstract
Machine (100) comprising - a shaft (RA) which can be driven at variable speed, - a common rotor (1) which is coupled to the shaft (RA), - a first m-phase stator circuit which comprises m phase windings (6.1, 6.2) which are connected electrically in series to form a ring connection, wherein in each case one output node for discharging a quantity of alternating current is formed between two successive phase windings (6.1, 6.2) in each case, - a second m-phase stator circuit which comprises m phase windings (6.4, 6.5) which either o are connected electrically in series to form a ring connection, wherein in each case one output node for discharging a quantity of alternating current is formed between two successive phase windings (6.4, 6.5) in each case, or o are connected to form a star connection, wherein in each case one output node for discharging a quantity of alternating current is formed for each coil (6.4, 6.5) in each case, wherein - m is an integer greater than or equal to 2, - the two stator circuits can be magnetically excited by the common rotor (1), - all of the phase windings (6.1, 6.2) of the first m-phase stator circuit have a first number of turns and all of the phase windings (6.4, 6.5) of the second m-phase stator circuit have a second number of turns, and wherein - the first number of turns is greater than the second number of turns.
Description
Maschine mit drehzahlveränderlichem Antrieb zum Machine with variable speed drive for
Bereitstellen eines Gleichstromes Providing a direct current
[0001] Es geht um eine Maschine mit drehzahlveränderlichem Antrieb zum Bereitstellen eines Gleichstromes. It is about a machine with variable speed drive for providing a direct current.
[0002] Es gibt zahlreiche Bereiche, in denen elektrische There are numerous areas where electrical
Wechselstromgeneratoren zum Einsatz kommen. Man unterscheidet 1-phasige und mehrphasige Generatoren, je nach Anzahl der Wechselspannungen, die ein solcher Generator liefert. Ein Rotor (meist mechanisch angetrieben) mit einer Läuferwicklung dreht sich z.B. im Inneren eines Stators, der eine, zwei oder mehrere unabhängige Ständerwicklungen aufweist. Alternators are used. A distinction is made between single-phase and multi-phase generators, depending on the number of alternating voltages that such a generator supplies. A rotor (usually mechanically driven) with a rotor winding rotates e.g. inside a stator having one, two or more independent stator windings.
[0003] Typische Beispiele sind Lichtmaschinen, wie sie in Fahrzeugen eingesetzt werden. Die Lichtmaschinen werden vom Motor des Fahrzeugs mit einer sich ändernden Drehzahl angetrieben. Typical examples are generators, such as those used in vehicles. The alternators are driven by the engine of the vehicle at a varying speed.
[0004] In Fig. 1A ist der Schnitt durch einen Klauenpolgenerator gezeigt. Es sind jedoch nur die wesentlichen Elemente eines solchen Klauenpolgenerators dargestellt. Der Generator weist eine Riemenscheibe 3 auf, die hier an einem Ende einer Antriebswelle 4 sitzt. Am Stator 5 ist ein Ständerpaket (meist als Blechpaket) vorgesehen, das hier als Statorwicklung 6 bezeichnet wird In Fig. 1A the section through a claw pole generator is shown. However, only the essential elements of such a claw pole generator are shown. The generator has a pulley 3, which sits here at one end of a drive shaft 4. On the stator 5, a stator core (usually as a laminated core) is provided, which is referred to here as the stator winding 6
(typischerweise sind drei Statorwicklung 6 vorgesehen, um ein 3-Phasensystem zu bilden). Im Inneren des Generators sitzt ein Rotor 1 mit einer Rotorwicklung 7, die konzentrisch zur Rotationsachse RA der Antriebswelle 4 angeordnet ist und die als Erregerwicklung des Generators dient. Die Antriebswelle 4 wird meistens von einem Keilriemen angetrieben, die um eine Riemenscheibe an der (typically three stator windings 6 are provided to form a 3-phase system). Inside the generator sits a rotor 1 with a rotor winding 7, which is arranged concentrically to the axis of rotation RA of the drive shaft 4 and which serves as a field winding of the generator. The drive shaft 4 is usually driven by a V-belt, which is a pulley on the
Kurbelwelle eines Motors herum geführt ist. Die Wicklungsenden der
Erregerwicklung 7 sind mit zwei voneinander isolierten Schleifringen 8 verbunden, die hier am rechten Ende der Antriebswelle 4 sitzen. Zwei Klauenpole 9 (meist mit p = 6 Polpaaren) umschließen die Erregerwicklung 7. Die Crankshaft of a motor is guided around. The winding ends of the Exciter winding 7 are connected to two slip rings 8 isolated from each other, which sit here at the right end of the drive shaft 4. Two claw poles 9 (usually with p = 6 pole pairs) surround the excitation winding 7. Die
stromdurchflossene Erregerwicklung 7 baut im Betrieb mit den beiden Current-carrying excitation winding 7 builds in operation with the two
Klauenpolen 9 ein inneres Magnetfeld auf. Sobald sich der Rotor um die Claw poles 9 an internal magnetic field. As soon as the rotor around the
Rotationsachse RA dreht, induziert er Wechselspannung in den Statorwicklungen 6 (diese Statorwicklungen 6 werden im Folgenden als Phasenwicklungen 6 bezeichnet). Dazu baut die Erregerwicklung 7 an den Enden der Klauen 9 Rotation axis RA rotates, it induces AC voltage in the stator windings 6 (these stator windings 6 are hereinafter referred to as phase windings 6). For this purpose, the field winding 7 builds on the ends of the jaws 9
Nordpole Np und Südpole Sp auf. Aufgrund der versetzten Anordnung der beiden Klauenpolhälften bilden sich abwechselnd Nordpole Np und Südpole Sp am Rotor 1, wie in Fig. 1A schematisch gezeigt. North Pole Np and South Pole Sp on. Due to the staggered arrangement of the two claw pole halves, north poles Np and south poles Sp alternately form on the rotor 1, as shown schematically in FIG. 1A.
[0005] An den Phasenwicklungen 6, die entweder zu einer Statorschaltung in Kreis- oder Sternkonfiguration zusammengeschaltet sind, können At the phase windings 6, which are connected together either to a stator circuit in a circular or star configuration, can
Wechselspannungen abgegriffen und einem Gleichrichter zugeführt werden. Der Gleichrichter kann mit dem gleichgerichteten Strombeiträgen der einzelnen Phasenwicklungen 6 z.B. eine Fahrzeugbatterie speisen. AC voltages are tapped and fed to a rectifier. The rectifier can be connected to the rectified current contributions of the individual phase windings 6, e.g. to feed a vehicle battery.
[0006] Fig. 1B zeigt eine beispielhafte Stromkennlinie eines solchen Fig. 1B shows an exemplary current characteristic of such
Klauenpolgenerators, wobei der Strom in Ampere A über die Drehzahl in U/min der Antriebswelle 4 des Generators aufgetragen ist. Da die Antriebswelle 4 typischerweise mit einer Übersetzung angetrieben wird, dreht sie sich um den Übersetzungsfaktor schneller als der Motor. Die Leerlaufdrehzahl n* L des Klauenpolgenerators, wherein the current is plotted in ampere A on the speed in rpm of the drive shaft 4 of the generator. Since the drive shaft 4 is typically driven by a ratio, it rotates faster than the engine by the ratio factor. The idle speed n * L of the
Generators beträgt im gezeigten Beispiel ca. 1900 U/min, was bei einer Generator is in the example shown about 1900 U / min, which is at a
Übersetzung von 3 eine Leerlaufdrehzahl nL des Motors von ca. 633 U/min entspricht. Bei der Leerlaufdrehzahl n*i_ liefert der gezeigte Generator erst einen Strom von ca. 48A, was nur etwa 40 Prozent des maximalen Stroms von ca. 125A entspricht. Translation of 3 corresponds to an idle speed n L of the engine of about 633 rpm. At idling speed n * i_, the generator shown supplies only a current of approximately 48A, which corresponds to only about 40 percent of the maximum current of about 125A.
[0007] Solche Klauenpolgeneratoren, die hier als Beispiel lediglich als Beispiel genannt sind, sind relativ klein und leicht und sie haben zudem eine gute Such claw pole generators, which are mentioned here by way of example only as an example, are relatively small and light and they also have a good
Leistungscharakteristik, daher werden sie häufig in Fahrzeugen als Lichtmaschine eingesetzt.
[0008] Zahlreiche Anwendung erfordern eine Gleichspannung (DC) statt einer Wechselspannung (AC). Daher werden in diesen Fällen den Performance characteristics, so they are often used in vehicles as an alternator. Numerous applications require a DC voltage (DC) instead of an AC voltage (AC). Therefore, in these cases the
Wechselstromgeneratoren, wie bereits angedeutet, geeignete Alternators, as already indicated, suitable
Gleichrichterschaltungen nachgeschaltet. Downstream rectifier circuits.
[0009] Die Verluste solcher Lichtmaschinen rücken immer mehr in den The losses of such alternators are moving more and more into the
Mittelpunkt des Interesses, da eine Lichtmaschinen vom Motor des Fahrzeugs her betrachtet sich als eine Schlepplast darstellt. Jede solche Schlepplast, die vom Fahrzeugmotor angetrieben werden muss, erhöht den Verbrauch und die Focus of interest, since an alternator viewed from the engine of the vehicle as a towing load. Any such towing load, which must be driven by the vehicle engine, increases the consumption and the
Emissionen des Fahrzeugs. Emissions of the vehicle.
[00010] Weiter kommt hinzu, dass die modernen Fahrzeugsysteme bereits im Leerlauf mit einer Leerlaufdrehzahl nL hohe Ströme anfordern. Das führt dazu, dass Lichtmaschinen gesucht sind, deren Ansprechverhalten besonders In addition, the modern vehicle systems require high currents already at idle with an idling speed n L. The result is that alternators are sought, their response especially
vorteilhaft ist. Alleine eine Klimaanlage, die im 12V Bordnetz eines Fahrzeugs 1'200W Leistung aufnimmt, muss zu diesem Zweck mit einem Strom von 100A gespeist werden. Es gibt somit einen Bedarf für Lichtmaschinen, die grösser uns leistungsfähiger werden. Auch dadurch entwickeln sich die Verbrauchszahlen eher in eine ungünstige Richtung. is advantageous. An air conditioner alone, which consumes 1'200W of power in a vehicle's 12V on-board network, must be supplied with a current of 100A for this purpose. There is thus a need for alternators that become more powerful. Also, the consumption figures are developing in an unfavorable direction.
[00011] Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Motor zum Drehantreiben der Lichtmaschine umso mehr mechanische Leistung aufbringen muss, umso mehr elektrische Leistung eine Lichtmaschine auf der Ausgangsseite z.B. an eine Fahrzeugbatterie B und/oder an elektrische Verbraucher im In summary, it can be stated that the motor for rotating the alternator has to apply all the more mechanical power, the more electric power an alternator on the output side, e.g. to a vehicle battery B and / or to electrical consumers in the
Fahrzeug abgeben muss. Must give vehicle.
[00012] Es stellt sich in Anbetracht der eingangs geschilderten Probleme die Aufgabe, eine drehangetriebene Maschine bereit zu stellen, die besonders verlustarm ausgelegt ist und die in der Lage ist, bereits ab niedrigen Drehzahlen hohe Ströme zu liefern. It arises in view of the problems described above, the task of providing a rotary-driven machine, which is designed particularly low-loss and which is able to deliver high currents from low speeds.
[00013] Ausserdem soll diese Maschine dazu in der Lage sein, einen hohen Maximalstrom bei reduziertem Verlust zu liefern. In addition, this machine should be able to deliver a high maximum current with reduced loss.
[00014] Gemäss Erfindung wird eine Maschine mit einer drehzahlveränderlich antreibbaren Welle bereit gestellt, die einen gemeinsamen Rotor umfasst, der mit der Welle gekoppelt ist. Die Maschine weist eine erste m-phasige
Statorschaltung auf, die m Phasenwicklungen umfasst, die hintereinander elektrisch zu einem Kreis verbunden sind, wobei jeweils zwischen zwei According to the invention, a machine is provided with a variable speed drivable shaft, which includes a common rotor which is coupled to the shaft. The machine has a first m-phase Stator circuit comprising m phase windings, which are connected in series electrically connected to a circle, each between two
aufeinanderfolgenden Phasenwicklungen je ein Ausgangsknoten für das Ableiten eines Wechselstrombeitrags ausgebildet ist. Ausserdem umfasst die Maschine mindestens eine zweite m-phasige Statorschaltung, die m Phasenwicklungen hat. Die m Phasenwicklungen der zweiten m-phasigen Statorschaltung sind successive phase windings each an output node for deriving an AC contribution is formed. In addition, the machine comprises at least a second m-phase stator circuit which has m phase windings. The m phase windings of the second m-phase stator circuit are
entweder hintereinander elektrisch zu einem Kreis verbunden, wobei jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasenwicklungen je ein either electrically connected in succession to a circuit, each between two successive phase windings each one
Ausgangsknoten für das Ableiten eines Wechselstrombeitrags ausgebildet ist, oder sie sind zu einem Stern verbunden, wobei jeweils pro Spule je ein Ausgangsknoten für das Ableiten eines Wechselstrombeitrags ausgebildet ist. Output node is designed for deriving an AC contribution, or they are connected to a star, each per coil, an output node for deriving an AC contribution is formed.
[00015] Die Maschine der Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass m eine ganze Zahl grösser gleich 2 ist, The machine of the invention is further characterized in that m is an integer greater than or equal to 2,
die beide Statorschaltungen durch den gemeinsamen Rotor magnetisch erregbar sind, both stator circuits are magnetically excitable by the common rotor,
die Phasenwicklungen der ersten m-phasigen Statorschaltung eine erste Windungszahl und die Phasenwicklungen der zweiten m-phasigen the phase windings of the first m-phase stator circuit have a first number of turns and the phase windings of the second m-phase
Statorschaltung eine zweite Windungszahl haben, und wobei Stator circuit have a second number of turns, and wherein
die erste Windungszahl grösser ist als die zweite Windungszahl. the first number of turns is greater than the second number of turns.
[00016] Vorzugsweise sind die 2 * m Strombeiträge (mit m Strombeiträgen je Statorschaltung) bei allen Ausführungsformen schaltungstechnisch (z.B. durch den Einsatz einer nachgeschalteten Gleichrichter-Vorrichtung) zu einem einzigen Gesamtgleichstrom zusammengefasst. Es ist aber auch möglich, die Preferably, the 2 * m current contributions (with m current contributions per stator circuit) in all embodiments circuit technology (eg, by the use of a downstream rectifier device) combined into a single total dc. But it is also possible that
Strombeiträge einzeln bereitzustellen oder flexibel miteinander zu kombinieren. To provide power contributions individually or to combine flexibly.
[00017] Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Verluste eines Generators deutlich reduziert werden können, wenn die Windungszahl reduziert wird. Einerseits hat eine Spule mit kleiner Windungszahl eine kürzere The invention is based on the recognition that the losses of a generator can be significantly reduced when the number of turns is reduced. On the one hand, a coil with a small number of turns has a shorter one
Drahtlänge. Dadurch reduziert sich der Widerstand. Die Verluste lassen sich dadurch deutlich reduzieren. Wire length. This reduces the resistance. The losses can be significantly reduced.
[00018] Ausserdem reduzieren sich mit der Windungszahl auch die In addition, reduce the number of turns and the
Wirbelstromverlustes des Generators, respektive der Maschine.
[00019] Da sich jedoch die Amplitude der Wechselspannung und damit auch die Ausgangsspannung auf der Ausgangsseite einer nachgeschalteten Gleichrichter- Vorrichtung aus dem Produkt der magnetischen Durchflutung, respektive des magnetischen Flusses und der Windungszahl ergibt, kann die Windungszahl nicht beliebig reduziert werden, da ansonsten die Ausgangsspannung kleiner wäre als die Spannung der zu speisenden Verbraucher (z.B. eines Bordnetzes mit 14,5V). Dieses Problem tritt vor allem bei niedrigen Drehzahlen auf. Eddy current loss of the generator, respectively the machine. However, since the amplitude of the AC voltage and thus the output voltage on the output side of a downstream rectifier device from the product of the magnetic flux, respectively, the magnetic flux and the number of turns, the number of turns can not be reduced arbitrarily, otherwise the Output voltage would be smaller than the voltage of the consumers to be supplied (eg a vehicle electrical system with 14.5V). This problem occurs especially at low speeds.
[00020] Für Fahrzeuganwendungen mit einem 14,5V Bordnetz werden daher Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, die Windungszahlen haben, die im Bereich zwischen 4 und 7 liegen. For vehicle applications with a 14.5V electrical system, embodiments of the invention are therefore preferred that have numbers of turns, which are in the range between 4 and 7.
[00021] Der Einsatz einer oder mehrerer Phasenwicklung/en mit reduzierter Windungszahl hat, neben dem Nachteil der bei niedrigen Drehzahlen reduzierten Spannung, jedoch vor allem den Vorteil der deutlich reduzierten Verluste, wie weiter oben angedeutet. Ausserdem liefert eine Phasenwicklung mit niedriger Windungszahl vor allem im mittleren Drehzahlbereich eine hohe Leistung. Dieser Aspekt kann wichtig sein, da eine solche Maschine in modernen Fahrzeugen vor allem im mittleren Drehzahlbereich des Motors (z.B. zwischen l'OOO und 3Ό00 U/min) besonders leistungsfähig sein sollte. The use of one or more phase winding / s with reduced number of turns, in addition to the disadvantage of reduced at low speeds voltage, but above all the advantage of significantly reduced losses, as indicated above. In addition, a low-winding phase winding provides high power, especially in the medium speed range. This aspect may be important, since such a machine should be particularly powerful in modern vehicles, especially in the mid-engine speed range (e.g., between 1 000 and 3 000 rpm).
[00022] Gemäss Erfindung wird bewusst eine Maschine eingesetzt, die mindestens zwei Statorschaltungen mit unterschiedliche Phasenwicklungen umfasst, wobei sich diese beiden Statorschaltungen mindestens aufgrund unterschiedlicher Windungszahlen ihrer Phasenwicklungen unterscheiden. Es wird hier daher auch der Begriff der asymmetrischen Wicklungen bzw. der According to the invention, a machine is deliberately used which comprises at least two stator circuits with different phase windings, wherein these two stator circuits differ at least due to different numbers of turns of their phase windings. It is therefore here also the concept of asymmetric windings or the
asymmetrischen Statorschaltungen verwendet. asymmetric stator circuits used.
[00023] Gemäss Erfindung kann jede der m Phasenwicklungen für eine unterschiedliche Leistungsentfaltung als Funktion der Zeit oder Drehzahl ausgelegt sein. Bei einer gegebenen Drehzahl liefert jede der m According to the invention, each of the m phase windings can be designed for a different power development as a function of time or speed. At a given speed, each of the m supplies
Phasenwicklungen über weite Drehzahlbereiche einen anderen Strombeitrag, wobei sich die entsprechenden Strom-Drehzahl-Kennlinien bei einer Drehzahl schneiden.
[00024] Vorzugsweise umfasst die Maschine der Erfindung bei allen Ausführungsformen eine Gleichrichter-Vorrichtung, die verlust- und Phase windings over wide speed ranges a different power contribution, with the corresponding current-speed characteristics intersect at a speed. Preferably, the machine of the invention in all embodiments comprises a rectifier device, the loss and
spannungsoptimiert wurde, um bereits bei niedrigen Drehzahlen eine was optimized for low power, even at low speeds
ausreichend hohe Gleichspannung (z.B. > 14,5V) und hohe Ströme zu liefern. Ausserdem hat dann die Kombination aus Maschine und Gleichrichter-Vorrichtung ein besonders gutes Ansprechverhalten bereits bei niedrigen Drehzahlen. sufficiently high DC voltage (e.g.> 14.5V) and high currents. In addition, then the combination of machine and rectifier device has a particularly good response even at low speeds.
[00025] Insbesondere geht es um eine Maschine, die über einen In particular, it is about a machine that has a
Drehzahlbereich (an der Antriebswelle der Maschine) von z.B. 1'500 U/min bis 22Ό00 U/min zuverlässig und stabil arbeitet. Speed range (at the drive shaft of the machine) of e.g. 1,500 rpm to 22,000 rpm, reliable and stable.
[00026] Insbesondere geht es um eine Maschine mit drehzahlveränderlichem Antrieb mit schnellem Ansprechverhalten zum Bereitstellen einer geeigneten Gleichspannung (z.B. > 14,5V) und eines hohen Gleichstromes (z. B. > 100A). In particular, it relates to a fast-response variable speed engine for providing a suitable DC voltage (e.g.,> 14.5V) and a high DC current (e.g.,> 100A).
[00027] Insbesondere geht es um eine Maschine, die mechanische In particular, it is about a machine that mechanical
Rotationsenergie verlustarm in elektrische Energie umgewandelt, um den Rotational energy loss converted into electrical energy to the
Verbrauch und die Emissionen eines Fahrzeugs deutlich reduzieren zu helfen. To help reduce fuel consumption and emissions of a vehicle significantly.
[00028] Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen der Maschine eine Gleichrichter-Vorrichtung zum Einsatz, die so als Analogschaltung aufgebaut ist, dass sie beim Nulldurchgang der Wechselspannung schaltet. Ausserdem sollte die Gleichrichter-Vorrichtung verlust- und spannungsoptimiert sein, um Preferably, in all embodiments of the machine, a rectifier device is used, which is constructed as an analog circuit that it switches at the zero crossing of the AC voltage. In addition, the rectifier device should be loss and voltage optimized to
zusammen mit einer Maschine der Erfindung zusammen eine optimale together with a machine of the invention together an optimal
Kombination zu bilden. To form a combination.
[00029] Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen der Maschine eine Gleichrichter-Vorrichtung zum Einsatz, die verlustoptimiert wurde, um eine bessere Verwertung der Energie vorzunehmen, die von den Ständerwicklungen der Statorschaltungen bereitgestellt wird. Preferably, in all embodiments of the machine, a rectifier device is used, which has been optimized for loss, in order to make better use of the energy that is provided by the stator windings of the stator circuits.
[00030] Alle m Phasenwicklungen aller Statorschaltungen werden gemäss Erfindung synchron magnetisch (im Falle einer Maschine mit Permanentmagnet) oder synchron elektro-magnetisch angeregt (im Falle einer Maschine mit stromgespeister Erregerwicklung am Rotor). Entweder erzeugt der All m phase windings of all Statorschaltungen according to the invention synchronously magnetic (in the case of a machine with permanent magnet) or synchronously electro-magnetically excited (in the case of a machine with current-fed field winding on the rotor). Either the generated
drehangetriebene Permanentmagnet oder die drehangetriebene Erregerwicklung
ein rotierendes Erregerfeld, das in den Phasenwicklungen aller Statorschaltungen Wechselspannungen und Wechselströme induziert. rotationally driven permanent magnet or the rotationally driven exciter winding a rotating excitation field that induces AC voltages and AC currents in the phase windings of all the stator circuits.
[00031] Ein Maschine der Erfindung kann problemlos so A machine of the invention can easily so
ausgelegt/dimensioniert werden, dass sie z. B. zum Speisen von 12V, 24V oder 48V-Fahrzeugsystemen geeignet ist. designed / dimensioned that they z. B. suitable for dining on 12V, 24V or 48V vehicle systems.
[00032] Ein Fahrzeug, das mit einer Maschine der Erfindung ausgestattet ist, kann bereits bei niedrigen Drehzahlen (z.B. bei der Leerlaufdrehzahl des Motors) mehrere elektrische Verbraucher des Fahrzeugs speisen, ohne die A vehicle equipped with a machine of the invention can feed several electrical consumers of the vehicle even at low speeds (for example, at the idle speed of the engine) without the vehicle
Fahrzeugbatterie übermässig zu entladen. To over-discharge vehicle battery.
[00033] Die Erfindung eignet sich vor allem auch für langsam drehende The invention is especially suitable for slowly rotating
Motoren (wie z.B. Dieselmotoren), um dort bereits bei niedrigen Drehzahlen hohe Ströme liefern zu können. Engines (such as diesel engines) to deliver high currents even at low speeds.
[00034] Die Erfindung eignet sich unter anderem zum Einsatz mit einem The invention is suitable inter alia for use with a
Klauenpolgenerator, der als Lichtmaschine eines Fahrzeugs dient und der vom Fahrzeugmotor mechanisch drehangetrieben wird. Claw pole generator, which serves as a generator of a vehicle and which is mechanically rotated by the vehicle engine.
[00035] Bevorzugte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Preferred embodiments can be found in the respective subclaims.
[00036] Die Erfindung ist unabhängig von der Anzahl der Phasen, wobei die Anzahl der Phasen bei allen Ausführungsformen mindestens m = 2 beträgt. Sie lässt sich z.B. auch auf Drei- und Vierphasen-Systeme anwenden. The invention is independent of the number of phases, wherein the number of phases in all embodiments at least m = 2. It can be, for example, also apply to three- and four-phase systems.
[00037] Die Erfindung lässt sich auf Vollpolgeneratoren und auf The invention can be applied to Vollpolgeneratoren and on
Schenkelpolgeneratoren oder andere Generatoren mit ausgeprägten Salient pole generators or other generators with pronounced
Rotorschenkeln anwenden. Use rotor legs.
[00038] Die Erfindung lässt sich auf selbsterregte Generatoren anwenden, bei denen der Erregergleichstrom, der zum Speisen der Erregerwicklung dient, aus einer oder mehreren der gleichgerichteten Ströme der Phasenwicklungen abgeleitet wird.
[00039] Die Maschine der Erfindung ist besonders für den Inselbetrieb geeignet, bei dem der Generator der Maschine mit mindestens einem The invention can be applied to self-excited generators, in which the excitation DC current, which is used to power the field winding, is derived from one or more of the rectified currents of the phase windings. The machine of the invention is particularly suitable for island operation, in which the generator of the machine with at least one
Verbraucher belastet ist. Consumer is charged.
[00040] Die Erfindung lässt sich nicht nur auf Topfgeneratoren, wie z.B. The invention is not limited to pot generators, e.g.
Klauenpolgeneratoren, sondern auch auf Kompakt-Generatoren (auch Compact- Alternatoren genannt) anwenden. Claw pole generators, but also on compact generators (also called compact alternators) apply.
[00041] Je nach Konstellation, kann unter Umständen die Ausgangspannung, die von einer Maschine bei niedriger Drehzahl der Erfindung bereit gestellt wird, kleiner sein als die Nennspannung (z.B. eine Bordspannung von 14,5V eines Fahrzeugs). Eine solche niedrigere Spannung ist daher nicht nutzbar, um z.B. das Bordnetz zu speisen. In diesem Fall kann gemäß Erfindung die Gleichrichter- Vorrichtung um eine Transformatorschaltung erweitert werden, die in der Lage ist die Spannung hochzuwandeln, bevor sie ins Bordnetz gelangt. Depending on the constellation, the output voltage provided by a low speed engine of the invention may be less than the rated voltage (e.g., an on-board voltage of 14.5V of a vehicle). Such a lower voltage is therefore unusable, e.g. to feed the electrical system. In this case, according to the invention, the rectifier device can be extended by a transformer circuit which is able to up-convert the voltage before it enters the vehicle electrical system.
[00042] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Further details and advantages of the invention will be described below with reference to embodiments and with reference to the drawings.
Fig. 1A zeigt eine Schnittansicht eines Teils eines Klauenpolgenerators des FIG. 1A is a sectional view of a part of a claw pole generator of FIG
Standes der Technik, wie er teilweise in Lichtmaschinen von Fahrzeugen eingesetzt wird; Prior art, as used in part in vehicle alternators;
Fig. 1B zeigt eine beispielhafte Stromkennlinie eines solchen Fig. 1B shows an exemplary current characteristic of such
Klauenpolgenerators, wobei der Strom über die Drehzahl der Antriebswelle des Generators aufgetragen ist; Klauenpolgenerators, wherein the current is applied over the rotational speed of the drive shaft of the generator;
Fig. 2A zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines ersten Fig. 2A shows a highly schematic representation of a first
Klauenpolgenerators der Erfindung mit 2 mal m = 2 Claw pole generator of the invention with 2 times m = 2
Phasenwicklungen, wobei je zwei der Phasenwicklungen 4 Windungen und je zwei Phasenwicklungen 6 Windungen haben; Phase windings, wherein each two of the phase windings have 4 turns and two phase windings each have 6 turns;
Fig. 2B zeigt ein erstes elektrisches Ersatzschaltbild des Generators der Fig. FIG. 2B shows a first electrical equivalent circuit of the generator of FIG.
2A, wobei die beiden Phasenwicklungen mit 4 Windungen und die beiden Phasenwicklungen mit 6 Windungen je zu einer Statorschaltung mit Kreis-Konfiguration zusammengeschaltet sind; 2A, wherein the two 4-turn phase windings and the 2 6-turn phase windings each are connected together to form a circular-configuration stator circuit;
Fig. 2C zeigt ein zweites elektrisches Ersatzschaltbild des Generators der Fig. FIG. 2C shows a second electrical equivalent circuit of the generator of FIG.
2A, wobei die beiden Phasenwicklungen mit 4 Windungen zu einer
Statorschaltung in Serien- bzw. Sternkonfiguration geschaltet und die beiden Phasenwicklungen mit 6 Windungen zu einer Statorschaltung mit Kreis-Konfiguration zusammengeschaltet sind; 2A, wherein the two phase windings with 4 turns to a Stator circuit connected in series or star configuration and the two phase windings with 6 turns are connected together to form a stator circuit with a circular configuration;
Fig. 3A zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines zweiten Fig. 3A shows a highly schematic representation of a second
Klauenpolgenerators der Erfindung mit 2 mal m = 3 Claw pole generator of the invention with 2 times m = 3
Phasenwicklungen, wobei je drei der Phasenwicklungen 4 Windungen und je drei der Phasenwicklungen 6 Windungen haben; Phase windings, each three of the phase windings having 4 turns and three of the phase windings each having 6 turns;
Fig. 3B zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des Generators der Fig. 3A, FIG. 3B is an electrical equivalent circuit diagram of the generator of FIG. 3A; FIG.
wobei die Phasenwicklungen mit 4 Windungen und die wherein the 4-turn phase windings and the
Phasenwicklungen mit 6 Windungen je zu einer Statorschaltung mit Phase windings with 6 turns each to a stator circuit with
Kreis-Konfiguration zusammengeschaltet sind; Circuit configuration are interconnected;
Fig. 4 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Maschine der Fig. 4 shows a schematic perspective view of another machine of
Erfindung, die auch hier den Aufbau eines Klauenpolgenerators hat, Fig. 5 zeigt einen schematische Ausschnitt des Stators einer weiteren Invention, which also has the structure of a Klauenpolgenerators here, Fig. 5 shows a schematic section of the stator of another
Maschine der Erfindung, wobei eine Nut des Stators hier mit zwölf Machine of the invention, wherein a groove of the stator here with twelve
Wicklungsdrähten gefüllt ist; Winding wires is filled;
Fig. 6 zeigt die Stromkennlinie eines Generators der auf dem Prinzip der Fig. FIG. 6 shows the current characteristic of a generator based on the principle of FIG.
2A beruht, wobei der Strom über die Drehzahl der Antriebswelle des 2A based, the current over the speed of the drive shaft of the
Generators aufgetragen ist; Generators is applied;
Fig. 7 zeigt Details einer weiteren Maschine der Erfindung, die zwei Fig. 7 shows details of another machine of the invention, the two
Statorschaltungen mit je m-Phasen, eine Gleichrichter-Vorrichtung mit Stator circuits with m-phases, a rectifier device with
2 * m Gleichrichter-Schaltungen und eine Batterie als Verbraucher zeigt. 2 * m rectifier circuits and a battery as a consumer shows.
[00043] Es wird hier der generelle Begriff„WechselsignaT für zeitabhängige Wechselspannungssignale U(t) und auch für zeitabhängige Wechselstromsignale I(t) verwendet. [00043] The general term "alternating signal for time-dependent alternating voltage signals U (t) and also for time-dependent alternating current signals I (t) is used here.
[00044] Als drehzahlveränderlicher Drehantrieb 110 wird hier derjenige Teil oder werden hier diejenigen Teile eines Generators G bezeichnet, die von extern drehangetrieben werden. Der drehzahlveränderliche Drehantrieb 110 kann z.B. eine Riemenscheibe 3 und eine Antriebswelle 4 (siehe Fig. 1A) umfassen. As variable-speed rotary drive 110 is here that part or are here those parts of a generator G referred to, which are rotationally driven from the outside. The variable speed rotary drive 110 may be e.g. a pulley 3 and a drive shaft 4 (see Fig. 1A).
[00045] Der Drehantrieb 110 kann bei allen Ausführungsformen der Erfindung auch anderes ausgelegt und/oder angeordnet sein als in Fig. 1A gezeigt. Das
Wort„drehzahlveränderlich" wird hier verwendet, um zu betonen, dass sich die Drehzahl, die über den Drehantrieb 110 dem Generator G vorgegeben wird, ändern kann. Falls die Maschine 100 z.B. über einen Riemenantrieb mit der Kurbelwelle eines Fahrzeugmotors verbunden ist, so erhöht sich die Drehzahl am Generator G linear proportional zur Drehzahl des Fahrzeugmotors. Drehzahlen, die sich auf den Generator G beziehen, sind hier mit einem Stern * versehen, um sie von den Drehzahlen am Fahrzeugmotor unterscheiden zu können. nL steht zum Beispiel für die Leerlaufdrehzahl des Fahrzeugmotors, wohingegen n* L für die entsprechende Leerlaufdrehzahl am Generator G steht. Bei einer festen Übersetzung von z. B. 1 : 3, können die Drehzahlen am Fahrzeugmotor durch Multiplikation in die Drehzahlen am Generator G umgerechnet werden. The rotary drive 110 may be designed and / or arranged differently in all embodiments of the invention than shown in Fig. 1A. The The word "variable speed" is used here to emphasize that the speed given by the rotary drive 110 to the generator G may change, for example, if the machine 100 is connected to the crankshaft of a vehicle engine via a belt drive, for example the speed at the generator G is linearly proportional to the speed of the vehicle engine, and speeds which relate to the generator G are marked with an asterisk * in order to be able to differentiate them from the speeds at the vehicle engine, for example n L represents the idling speed of the engine Vehicle engine, whereas n * L stands for the corresponding idle speed at the generator G. At a fixed ratio of, for example, 1: 3, the speeds at the vehicle engine can be converted by multiplying it into the speeds at the generator G.
[00046] Das Wort„drehzahlveränderlich" impliziert jedoch auch, dass die Maschine 100 speziell dazu ausgelegt sein muss über den gesamten However, the word "variable speed" also implies that the machine 100 must be specially designed throughout
Drehzahlbereich (z. B. vom Leerlauf n* L bis zu einer maximalen Drehzahl n*max am Generator G) zuverlässig und thermisch stabil zu funktionieren. Speed range (eg, from idle n * L up to a maximum speed n * ma x at the generator G) to operate reliably and thermally stable.
[00047] Um die Wechselstromsignale I(t), die ein Generator G der Erfindung liefert, in Gleichströme umwandeln zu können, kommt vorzugsweise bei allen Ausführungsformen eine Gleichrichter-Vorrichtung 20 zum Einsatz, wie z. B. in Fig. 7 gezeigt. In order to convert the alternating current signals I (t), which provides a generator G of the invention, into direct currents, preferably in all embodiments, a rectifier device 20 is used, such. B. shown in Fig. 7.
[00048] Als Gleichstrombeitrag I.m wird hier der Gleichstrom der m-ten Phasenwicklung auf der Ausgangsseite der Gleichrichter-Vorrichtung 20 bezeichnet. Der Generator G umfasst bei allen Ausführungsformen mindestens zwei Statorschaltungen, die hier mit Gl und G2 bezeichnet sind. Diese As direct current contribution I.m here the direct current of the m-th phase winding on the output side of the rectifier device 20 is referred to. The generator G comprises in all embodiments at least two stator circuits, which are designated here by G1 and G2. These
Statorschaltungen Gl, G2 speisen mehrere phasenverschobene Stator circuits Gl, G2 feed several phase-shifted
Wechselstrombeiträge I.m(t) in die Gleichrichter-Vorrichtung 20 ein, wobei jeder dieser Wechselstrombeiträge I.m(t) separat durch je eine zugeordnete AC contributions I.m (t) in the rectifier device 20, wherein each of these AC contributions I.m (t) separately by one associated
Gleichrichterschaltung 40. r der Gleichrichter-Vorrichtung 20 verarbeitet und gleichgerichtet wird, wie z.B. in Fig. 7 gezeigt. Rectifier circuit 40. r rectifier device 20 is processed and rectified, such. shown in Fig. 7.
[00049] Es ist zu beachten, dass auch eine optimal arbeitende Gleichrichter- Vorrichtung 20 nicht in der Lage ist einen Wechselstrom, respektive eine It should be noted that even an optimally functioning rectifier device 20 is not capable of an alternating current, respectively
Wechselspannung komplett gleichzurichten. Jeder Gleichstrombeitrag I.m hat in der Praxis auf der Gleichspannungsseite der Gleichrichter-Vorrichtung 20 (d.h.
auf deren Ausgangsseite, die in Fig. 7 rechts gezeigt ist) eine Restwellig keit (auch Ripple genannt). Die Begriffe„Gleichstrombeitrag,, und„Gleichstrom" sind daher nicht eng zu verstehen. Completely rectify AC voltage. Each DC contribution Im has in practice on the DC side of the rectifier device 20 (ie on the output side, which is shown in Fig. 7, right) a Restwellig speed (also called ripple). The terms "DC contribution," and "DC," are therefore not narrowly understood.
[00050] Die Restwelligkeit kann bei allen Ausführungsformen z.B. durch einen optionalen Tiefpassfilter 30 auf der Ausgangsseite der Gleichrichter-Vorrichtung 20 geglättet werden, wie z.B. in Fig. 7 gezeigt. The residual ripple can in all embodiments e.g. be smoothed by an optional low pass filter 30 on the output side of the rectifier device 20, e.g. shown in Fig. 7.
[00051] In Fig. 2A ist das Beispiel eines ersten Innenpolgenerators G in Form eines Klauenpolgenerators gezeigt. In der gezeigten Draufsicht kann man erkennen, wie abwechselnd die einzelnen Klauen des Rotors 1 ineinander greifen. Der Erregerwicklung 7, die Teil des Rotors 1 ist, ist in Fig. 2A nicht zu erkennen. Die Erregerwicklung 7 wird mit einem Gleichstrom gespeist, der z.B. über In Fig. 2A, the example of a first Innenpolgenerators G is shown in the form of a claw pole generator. In the plan view shown, it can be seen how alternately the individual claws of the rotor 1 engage with each other. The excitation winding 7, which is part of the rotor 1, can not be seen in FIG. 2A. The excitation winding 7 is supplied with a direct current, e.g. above
Schleifringe 8 (wie in Fig. 1A gezeigt) zugeführt wird und sie baut ein Slip rings 8 (as shown in Fig. 1A shown) is supplied and it is built
magnetisches Feld auf, das rotiert wenn der Rotor 1 drehangetrieben wird. In Fig. 2A ist symbolhaft durch den Pfeil co(t) angedeutet, dass der Rotor 1 drehangetrieben wird. ω(ί) steht für die zeitveränderliche Winkelgeschwindigkeit. Die Zeitveränderlichkeit ergibt sich aus dem Verändern der Drehzahl z.B. des Fahrzeugmotors beim Hochbeschleunigen aus dem Leerlaufgas (mit der magnetic field that rotates when the rotor 1 is rotated. In Fig. 2A symbolically indicated by the arrow co (t) that the rotor 1 is rotationally driven. ω (ί) stands for the time-variable angular velocity. The time variability results from varying the speed, e.g. of the vehicle engine when accelerating from the idle gas (with the
Leerlaudrehzahl nL des Motors). Idle speed n L of the engine).
[00052] Die magnetischen Feldlinien des Rotors 1 durchsetzen die alle The magnetic field lines of the rotor 1 enforce all
Wicklungen des Stators 5 (Statorwicklungen 6 oder Phasenwicklungen 6.m genannt) und induzieren in jeder der Phasenwicklungen 6.m eine Windings of the stator 5 (called stator windings 6 or phase windings 6.m) and induce in each of the phase windings 6.m one
Wechselspannung, m ist bei allen Ausführungsformen eine ganze Zahl > 2. AC voltage, m is an integer> 2 in all embodiments.
[00053] In Fig. 2A sind von dem Stator 5 lediglich die Phasenwicklungen 6.1, 6.2, 6.4, 6.5 gezeigt. Der Stator 5 selbst ist nicht gezeigt. Der Stator 5 umfasst vorzugsweise bei allen Ausführungsformen einen Eisenkern (z. B. aus In Fig. 2A of the stator 5, only the phase windings 6.1, 6.2, 6.4, 6.5 are shown. The stator 5 itself is not shown. The stator 5 preferably comprises in all embodiments an iron core (eg
geschichteten und gegeneinander isolierten Blechpaketen bestehend), um die einzelnen Phasenwicklungen miteinander zu einem magnetischen Kreis mK zu verbinden, was jedoch in Fig. 2A nur andeutungsweise durch einen strichlierten Kreis gezeigt ist. stacked and mutually insulated laminated cores consisting) to connect the individual phase windings together to form a magnetic circuit mK, which is shown in Fig. 2A only hinted by a dashed circle.
[00054] Gemäß Erfindung sind an dem Stator 5 stets mehrere According to the invention, there are always several on the stator 5
Phasenwicklungen (z. B. 6.1, 6.2, 6.4, 6.5) vorhanden, wobei diese
Phasenwicklungen jeweils winkelversetzt zueinander angeordnet sind. In Fig. 2A beträgt der Winkelversatz zwischen zwei benachbarten Phasenwicklungen (z.B. zwischen der Phasenwicklung 6.1 der ersten Statorschaltung Gl und der Phasenwicklung 6.4 der zweiten Statorschaltung G2) jeweils 90 Grad und der Winkel versatz zwischen zwei Phasenwicklungen einer Statorschaltung (z.B. zwischen den Phasenwicklungen 6.1 und 6.2 der Statorschaltung Gl) beträgt jeweils 180 Grad. Phase windings (eg 6.1, 6.2, 6.4, 6.5) are present, these being Phase windings are each arranged angularly offset from each other. In Fig. 2A, the angular offset between two adjacent phase windings (eg between the phase winding 6.1 of the first stator circuit Gl and the phase winding 6.4 of the second stator G2) each 90 degrees and the angular offset between two phase windings of a stator (eg between the phase windings 6.1 and 6.2 the stator circuit Gl) is 180 degrees.
[00055] Bei der Ausführungsform der Fig. 2A umfasst die Maschine 100 zwei Statorschaltungen Gl, G2, die magnetisch und mechanisch gekoppelt aber elektrisch/galvanisch getrennt sind. Die Maschine 100 kann bei allen In the embodiment of FIG. 2A, the machine 100 comprises two stator circuits Gl, G2, which are magnetically and mechanically coupled but electrically / galvanically isolated. The machine 100 can be at all
Ausführungsformen auch mehr als zwei Statorschaltungen Gl, G2 umfassen. Embodiments also include more than two stator circuits Gl, G2.
[00056] Als magnetische und mechanische Kopplung werden hier As magnetic and mechanical coupling are here
Konstellationen bezeichnet, bei denen alle Phasenwicklungen aller Constellations in which all the phase windings of all
Statorschaltungen (z.B. der beiden Statorschaltungen Gl und G2) auf oder an einem Stator 5 angeordnet sind, wobei diese Statorschaltungen von einem gemeinsamen Rotor 1 magnetisch erregt werden. Stator circuits (for example, the two stator circuits Gl and G2) are arranged on or on a stator 5, wherein these stator circuits are magnetically excited by a common rotor 1.
[00057] Gemäss Erfindung werden alle m Phasenwicklungen synchron magnetisch (im Falle eines Generators G mit Permanentmagnet) oder synchron elektro-magnetisch erregt (im Falle eines Generators G mit stromgespeister Erregerwicklung am Rotor 1). Entweder erzeugt der drehangetriebene According to the invention all m phase windings synchronously magnetically (in the case of a generator G with permanent magnet) or synchronously electro-magnetically excited (in the case of a generator G with current-fed excitation winding on the rotor 1). Either generates the rotationally driven
Permanentmagnet oder die drehangetriebene Erregerwicklung ein rotierendes Erregerfeld, das in zeitlicher Abfolge (vorgegeben durch die momentane Permanent magnet or the rotationally driven exciter winding a rotating exciter field, in time sequence (given by the momentary
Winkelgeschwindigkeit co(t)) in den m Phasenwicklungen Wechselspannungen induziert. Angular velocity co (t)) induced in the m phase windings AC voltages.
[00058] Die Polpaarzahl p des Rotors 1 und die Anzahl der Umdrehungen des Rotors 1 pro Zeiteinheit (hier U/min) haben einen direkt proportionalen Einfluss auf die Frequenz der Wechselspannungen bzw. Wechselströme, die an den entsprechenden (Ausgangs-)Knoten kl, k2, k3 usw. der Phasenwicklungen 6.m, bereitgestellt werden. Bei der Ausführungsform der Fig. 2A beträgt die The number of pole pairs p of the rotor 1 and the number of revolutions of the rotor 1 per unit time (here rpm) have a directly proportional influence on the frequency of the alternating voltages or alternating currents which at the corresponding (output) node kl, k2, k3, etc., of the phase windings 6.m. In the embodiment of Fig. 2A is the
Polpaarzahl p = 5. Die Pole des Rotors 1 sind mit Np für magnetischen Nordpol und Sp für magnetischen Südpol Sp bezeichnet.
[00059] Die erste Statorschaltung Gl der Fig. 2A umfasst m = 2 Pole pair number p = 5. The poles of the rotor 1 are denoted by Np for magnetic north pole and Sp for magnetic south pole Sp. The first stator circuit Gl of FIG. 2A comprises m = 2
Phasenwicklungen 6.1, 6.2, die hintereinander elektrisch zu einem Kreis verbunden sind, wie man in Fig. 2B und 2C erkennen kann. Die Phase windings 6.1, 6.2, which are connected in series electrically to a circle, as can be seen in Fig. 2B and 2C. The
Phasenwicklungen werden hier auch mit den Bezugszeichen R, S und T versehen, wie das bei Drehstromsystemen üblich ist. Ein Index wird verwendet, um die Anzahl der Windungen einer Phasenwicklung anzugeben. R4 steht z.B. für eine Wicklung R mit der Windungszahl w.2 = 4. Re steht z.B. für eine Wicklung R mit der Windungszahl w. l = 6. Phase windings are also provided with the reference symbols R, S and T, as is customary in three-phase systems. An index is used to indicate the number of turns of a phase winding. R 4 stands, for example, for a winding R with the number of windings w 2 = 4. For example, Re stands for a winding R with the number of windings w. l = 6.
[00060] Als Kreis wird hier die Parallelschaltung zweier Phasenwicklungen (siehe z.B. die Statorschaltung Gl in Fig. 2B und 2C) bezeichnet. Eine Here, the circuit is referred to as the parallel connection of two phase windings (see, for example, the stator circuit Gl in FIGS. 2B and 2C). A
Dreieckschaltung (auch Delta oder Dreileitersystem genannt) wird als Kreis betrachtet, der drei Phasenwicklungen umfasst (siehe z.B. die Statorschaltungen Gl und G2 in Fig. 3B). Eine m-Eckschaltung wird auch als Kreis betrachtet, der m Phasenwicklungen umfasst. Delta connection (also called a delta or three-wire system) is considered a circuit comprising three phase windings (see, for example, the stator circuits Gl and G2 in Fig. 3B). An m-corner circuit is also considered as a circle comprising m phase windings.
[00061] In Fig. 2C sind die m = 2 Phasenwicklungen R* und S4 der In Fig. 2C, the m = 2 phase windings R * and S 4 of
Statorschaltung G2 in Serie geschaltet. Eine solche Serienschaltung wird als entartete Sternschaltung betrachtet, wobei der Stern nur zwei Strahlen aufweist. Der Sternpunkt Stp muss bei der Statorschaltung G2 der Fig. 2C nicht nach aussen geführt werden. Eine klassische Sternschaltung, wie dies von Stator circuit G2 connected in series. Such a series connection is regarded as a degenerate star connection, the star having only two beams. The neutral point Stp does not have to be led to the outside in the stator circuit G2 of FIG. 2C. A classic star connection, like this from
Drehstromgeneratoren bekannt ist, hat drei Strahlen mit z.B. je einer Three-phase generators is known, has three beams with e.g. one each
Phasenwicklung. Phase winding.
[00062] Je nach Beschaltung der Statorschaltungen Gl, G2, ergeben sich unterschiedliche Ausgangsknoten, die hier mit kl, k2, k3 usw. bezeichnet sind. Die Ausgangsknoten sind bei Statorschaltungen der Erfindung Punkte oder Stellen an den Phasenwicklungen, die zur Entnahme von Wechselströmen ausgelegt sind. In der Praxis kann ein Ausgangsknoten z.B. das offene Ende eines Wicklungsdrahtes sein, der mit einem Lötpunkt oder einer Klemme verbunden ist. Depending on the wiring of the stator circuits Gl, G2, there are different output nodes, which are designated here by kl, k2, k3, etc. The output nodes in stator circuits of the invention are points or locations on the phase windings designed to remove AC currents. In practice, an output node may e.g. be the open end of a winding wire connected to a solder point or a terminal.
[00063] Vorzugsweise werden bei allen Ausführungsformen der Erfindung die Ausgangsknoten kl, k2, k3 usw. elektrisch mit (Speise-)knoten a l, a2, a3 usw. der Gleichrichterschaltungen 40. r verbunden (siehe Fig. 7).
[00064] Typischerweise liegt ein Ausgangsknoten kl, k2, k3 usw., der für das Ableiten eines Wechselstrombeitrags I. l(t), I.2(t), I.3(t) usw. ausgelegt ist, jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasenwicklungen 6.m. Beispiele hierfür sind z.B. den Figuren 2B, 2C und 3B zu entnehmen. Preferably, in all embodiments of the invention, the output nodes kl, k2, k3, etc., are electrically connected to (supply) nodes al, a2, a3, etc. of the rectifier circuits 40, r (see FIG. 7). Typically, an output node k1, k2, k3, etc., designed to derive an AC contribution I.I (t), I.2 (t), I.3 (t), etc., is in each case between two consecutive ones Phase windings 6.m. Examples of this can be seen, for example, in FIGS. 2B, 2C and 3B.
[00065] Gemäß Erfindung sind die m Phasenwicklungen 6.1, 6.2, 6.3 der ersten m-phasigen Statorschaltung Gl stets zu einem Kreis verbunden, wobei zu beachten ist, dass die erste Statorschaltung Gl jeweils die Statorschaltung mit der grösseren Windungszahl w. l ist (in den Figuren 2A, 2B, 2C, 3A, 3B gilt: w. l = 6). According to the invention, the m phase windings 6.1, 6.2, 6.3 of the first m-phase stator circuit Gl are always connected to a circuit, it should be noted that the first stator circuit Gl respectively the stator circuit with the larger number of turns w. 1 (in FIGS. 2A, 2B, 2C, 3A, 3B: w = 1 = 6).
[00066] In den Figuren 2B und 2C wird aus dem Kreis eine Parallelschaltung der Phasenwicklungen R6 und Se- In Fig. 3B wird aus diesem Kreis ein Dreieck mit den Phasenwicklungen Re, Sö und Je. In FIGS. 2B and 2C, the circuit becomes a parallel connection of the phase windings R 6 and Se. In FIG. 3B, this circle becomes a triangle with the phase windings Re, Sö and Je.
[00067] In Fig. 3B ist eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt, die im Falle der ersten Statorschaltung Gl pro Schenkel der Dreieckschaltung je eine In Fig. 3B, a preferred embodiment is shown, which in the case of the first stator circuit Gl per leg of the delta connection one each
Parallelschaltung zweier Phasenwicklungen umfasst. Includes parallel connection of two phase windings.
[00068] Gemäß Erfindung können die m Phasenwicklungen 6.4, 6.5, 6.6 der zweiten m-phasigen Statorschaltung G2 entweder zu einem Kreis oder zu einem (entarteten) Stern verbunden sein. Es ist zu beachten, dass die zweite According to the invention, the m phase windings 6.4, 6.5, 6.6 of the second m-phase stator circuit G2 can be connected either to a circuit or to a (degenerate) star. It should be noted that the second
Statorschaltung G2 jeweils die Statorschaltung mit der kleineren Windungszahl w.2 ist (in den Figuren 2A, 2B, 2C, 3A, 3B gilt: w.2 = 4). Stator circuit G2 is in each case the stator circuit with the smaller number of turns w.2 (in the figures 2A, 2B, 2C, 3A, 3B applies: w.2 = 4).
[00069] In Fig. 2B wird aus dem Kreis eine Parallelschaltung der In Fig. 2B from the circuit is a parallel circuit of
Phasenwicklungen R4 und S4. In Fig. 2C wird aus dem Stern eine Serienschaltung der Phasenwicklungen R4 und S4. In Fig. 3B wird aus dem Kreis ein Dreieck mit den Phasenwicklungen R4, S4 und T4. Phase windings R4 and S 4th In Fig. 2C from the star a series circuit of the phase windings R4 and S4. In FIG. 3B, the circle becomes a triangle with the phase windings R 4 , S 4 and T 4 .
[00070] In Fig. 3B ist eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt, die pro In Fig. 3B a preferred embodiment is shown, the pro
Schenkel der Dreieckschaltung der zweiten Statorschaltung G2 je eine Leg of the delta connection of the second stator G2 each one
Parallelschaltung dreier Phasenwicklungen umfasst. Parallel connection of three phase windings includes.
[00071] Eine solche Anordnung, wie speziell in Fig. 3B gezeigt, kann vorteilhaft sein was den Füllungsgrad der Nuten des Stators 5 anbelangt, wie noch erläutert wird, die m = 3 Phasenwicklungen mit je w. l = 6 Windungen multipliziert mit
zwei, wegen der jeweils beiden parallel geschalteten Wicklungen, die Zahl 36 ergibt. Analog ergibt sich auch für die m = 3 Phasenwicklungen mit je w.2 = 3 Windungen multipliziert mit drei, wegen der jeweils drei parallel geschalteten Wicklungen, die Zahl 36. Die entsprechende Anzahl von Wicklungsdrähten lässt sich gleichmässig in 72 Nuten 10 eines Stators 5 unterbringen. Diese Zahlen sind als Beispiel zu verstehen. Such an arrangement, as specifically shown in Fig. 3B, may be advantageous as far as the degree of filling of the slots of the stator 5, as will be explained, the m = 3 phase windings with each w. l = 6 turns multiplied by two, because of the two parallel windings, the number 36 results. Similarly, for the m = 3 phase windings with w.2 = 3 turns multiplied by three, because of the three windings connected in parallel, the number 36 results. The corresponding number of winding wires can be uniformly accommodated in 72 slots 10 of a stator 5 , These numbers are to be understood as an example.
[00072] Bisher wurde ein Rotor 1 mit Erregerwicklung 7 beschrieben, da dies eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Erregerfeld kann bei allen Ausführungsformen aber auch durch ein oder mehrere So far, a rotor 1 has been described with exciter winding 7, since this represents a preferred embodiment of the invention. The exciter field can in all embodiments but also by one or more
Permanentmagnete magnetisch erzeugt werden, statt elektro-magnetisch mittels einer Erregerwicklung 7 erzeugt zu werden, da beide ein zeitlich konstantes magnetisches Feld erzeugen. Permanent magnets are generated magnetically, instead of being generated electro-magnetically by means of a field winding 7, since both generate a temporally constant magnetic field.
[00073] Als Maschine 100 wird hier eine Vorrichtung bezeichnet, die einen drehzahlveränderlichen Drehantrieb 110 (z.B. in Form eine mechanisch drehantreibbaren Antriebswelle 4) und mindestens zwei m-phasige As the machine 100 here is referred to a device comprising a variable speed rotary drive 110 (e.g., in the form of a mechanically rotary drive shaft 4) and at least two M-phase
Statorschaltungen Gl, G2 umfasst. Die Maschine 100 der Erfindung weist einen mit dem Drehantrieb 110 gekoppelten Rotor 1 (permanenterregt oder Stator circuits Gl, G2 includes. The machine 100 of the invention comprises a rotor 1 coupled to the rotary drive 110 (permanently excited or
Gleichstrom-erregt) und einen Stator 5 auf, der wiederum die mindestens zwei m-phasigen Statorschaltungen Gl, G2 trägt. DC-excited) and a stator 5, which in turn carries the at least two m-phase stator circuits Gl, G2.
[00074] Die Art der Darstellung der Phasenwicklungen 6.1, 6.2, 6.4, 6.5 in Fig. 2A und der Phasenwicklungen 6.1 bis 6.6 in Fig. 3A ist rein schematisch zu verstehen. Bei einer effizienten Maschine 100 der Erfindung verlaufen die einzelnen Wicklungsstränge der Phasenwicklungen typischerweise anders als in Fig. 2A und Fig. 3A gezeigt. The type of representation of the phase windings 6.1, 6.2, 6.4, 6.5 in Fig. 2A and the phase windings 6.1 to 6.6 in Fig. 3A is purely schematic. In an efficient machine 100 of the invention, the individual winding strands of the phase windings are typically different than shown in FIG. 2A and FIG. 3A.
[00075] In Fig. 4 ist anhand einer schematischen Darstellung angedeutet, dass die Wicklungsdrähte der Phasenwicklungen mäanderförmig durch Nuten 10 des Stators 5 geführt werden. An dem zylinderförmigen Stator 5 der Fig. 4 sind der besseren Übersichtlichkeit halber lediglich fünf Nuten 10 (von z.B. 72 Nuten 10) gezeigt. Die Nuten 10 erstrecken sich parallel zur Rotationsachse RA. Es ist lediglich ein kurzes Stück eines Wicklungsdrahtes 11 einer Phasenwicklung gezeigt. Das Ende der Wicklung ist radial nach aussen geführt und kann z.B. als Ausgangsknoten kl der Phasenwicklung dienen. Der Wicklungsdraht 11 verläuft
in einer Nut 10 parallel zur Rotationsachse RA nach unten (Abschnitt 11. a), dann folgt eine kurze Querverbindung 11. b, die entlang des Umfangs läuft, bevor der Wicklungsdraht 11 in einer anderen Nut 10 parallel zur Rotationsachse RA nach oben verläuft (Abschnitt 11. c). Es folgt eine kurze Querverbindung 11. d, die entlang des Umfangs läuft, bevor der Wicklungsdraht 11 erneut in einer weiteren Nut 10 parallel zur Rotationsachse RA nach unten verläuft (Abschnitt 11. e). In Fig. 4 is indicated by a schematic representation that the winding wires of the phase windings are meandering through grooves 10 of the stator 5 are performed. On the cylindrical stator 5 of FIG. 4, for better clarity, only five grooves 10 (of eg 72 grooves 10) are shown. The grooves 10 extend parallel to the axis of rotation RA. Only a short part of a winding wire 11 of a phase winding is shown. The end of the winding is guided radially outwards and can serve as output node kl of the phase winding, for example. The winding wire 11 extends in a groove 10 parallel to the rotation axis RA down (section 11. a), then follows a short cross-connection 11 b, which runs along the circumference, before the winding wire 11 in another groove 10 parallel to the rotation axis RA upwards (section 11. c). This is followed by a short cross-connection 11.d, which runs along the circumference, before the winding wire 11 again extends downwards in a further groove 10 parallel to the axis of rotation RA (section 11.e).
[00076] In Fig. 4 ist die Antriebswelle 4, die hier den Rotor 1 drehantreibt, schematisch angedeutet. Die Antriebswelle 4 dient hier als Drehantrieb 110. In Fig. 4, the drive shaft 4, which here rotatably drives the rotor 1, indicated schematically. The drive shaft 4 serves as a rotary drive 110.
[00077] Da an dem Stator 5 gemäß Erfindung mehrere Phasenwicklungen vorhanden sind, die jeweils winkelversetzt zueinander angeordnet sind, laufen mehrere Wicklungsdrähte durch jede der Nuten 10. In Fig. 5 ist beispielhaft der Ausschnitt eines anderen Stators 5 gezeigt. Es sind mehrere Nuten 10 zu erkennen. In einer der Nuten 10 sind beispielhaft mehrere parallel verlaufende Wicklungsdrähte zu erkennen. Insgesamt erstrecken sich hier zwölf Since a plurality of phase windings are present on the stator 5 according to the invention, which are each arranged angularly offset from each other, several winding wires run through each of the grooves 10. In Fig. 5, the section of another stator 5 is shown by way of example. There are several grooves 10 can be seen. In one of the grooves 10, for example, a plurality of parallel winding wires can be seen. In total, twelve extend here
Wicklungsdrähte 11 durch die eine Nut 10. Winding wires 11 through a groove 10th
[00078] Weiterhin umfasst die Maschine 100 eine Gleichrichter-Vorrichtung 20, die 2 mal m Gleichrichterschaltungen 40. r aufweist, wie z. B. in Fig. 7 gezeigt. Jeder der m Phasen der ersten Statorschaltung Gl und jeder der m Phasen der zweiten Statorschaltung G2 ist je eine der 2 mal m Gleichrichterschaltungen 40. r zugeordnet. Furthermore, the machine 100 comprises a rectifier device 20 having 2 times m rectifier circuits 40. r, such. B. shown in Fig. 7. Each of the m phases of the first stator circuit Gl and each of the m phases of the second stator circuit G2 is each assigned to one of the 2 times m rectifier circuits 40. r.
[00079] Die Statorschaltungen Gl, G2 der Maschine 100 sind vorzugsweise bei allen Ausführungsformen als Drehfeldmaschinen ausgelegt, die von einem gemeinsamen, sich drehenden Erregerfeld durchsetzt werden. D.h. die The stator circuits Gl, G2 of the machine 100 are preferably designed in all embodiments as a rotating field machines, which are penetrated by a common, rotating exciter field. That the
mindestens zwei Statorschaltungen Gl, G2 sind mechanisch und magnetisch miteinander verknüpft. at least two stator circuits Gl, G2 are mechanically and magnetically linked together.
[00080] Bisher sind beispielhafte Ausführungsformen anhand der So far, exemplary embodiments are based on the
entsprechenden Figuren beschrieben worden. Im Folgenden werden einige Aussagen getroffen, die dazu beitragen können je nach Bedarf und corresponding figures have been described. Below are some statements that may help as needed and
Anforderungsprofil Optimierungen vorzunehmen. Ein Teil der folgenden Aussagen ist bewusst in genereller Form formuliert. Die entsprechenden Aussagen sind generell gültig und lassen sich auf alle Ausführungsformen anwenden. Bei Bedarf
kann man bei der Auslegung einer Maschine 100 der Erfindung eine, mehrere oder alle Aussagen berücksichtigen : Requirement profile to make optimizations. Some of the following statements are deliberately formulated in a general form. The corresponding statements are generally valid and can be applied to all embodiments. If necessary When designing a machine 100 of the invention, one, several or all statements can be considered:
- die Windungszahl w. l ist per Definitionem hier stets größer als die - the number of turns w. By definition, l is always larger than that
Windungszahl w.2; Number of turns w.2;
- die Windungszahlen w. l und w.2 müssen keine ganzen Zahlen sein (eine - the number of turns w. l and w.2 do not have to be integers (one
Phasenwicklung kann z. B. auch w. l = 6,5 Wicklungen aufweisen); Phase winding can z. B. also w. l = 6.5 windings);
- Umso höher die Windungszahl w.m einer Phasenwicklung 6.m ist, umso früher liefert diese Phasenwicklung 6.m einen nutzbaren Strombeitrag I.m; The higher the number of turns w.m of a phase winding 6.m, the earlier this phase winding 6.m provides a usable current contribution I.m;
- Eine Phasenwicklung 6.m mit einer hohen Windungszahl w.m ist nicht in der Lage so hohe Maximalströme zu liefern wie eine Phasenwicklung 6.m mit einer niedrigeren Windungszahl w.m; A phase winding 6.m with a high number of turns w.m is not able to supply such high maximum currents as a phase winding 6.m with a lower number of turns w.m;
- eine Phasenwicklung 6.m mit einer kleinen Windungszahl w.m hat aufgrund der reduzierten Länge des Wicklungsdrahtes 11 einen kleineren a phase winding 6.m with a small number of turns w.m has a smaller one due to the reduced length of the winding wire 11
Innenwiderstand. Dadurch werden die elektrischen Verluste reduziert, wobei diese Reduktion der Verluste quadratisch vom Strom abhängt, der durch die Phasenwicklung 6.m fliesst. Internal resistance. As a result, the electrical losses are reduced, this reduction of the losses depending on the square of the current flowing through the phase winding 6.m.
- bei einer dreiphasigen Ausführungsform (d.h. m = 3), wie z.B. in Fig. 3A, 3B gezeigt, beträgt die Polpaarzahl vorzugsweise p = 5, falls der Winkelversatz zwischen den Phasenwicklung 6.m der ersten Statorschaltung Gl und der zweiten Statorschaltung G2 60 Grad beträgt; in a three-phase embodiment (i.e., m = 3), e.g. In Figs. 3A, 3B, the pole pair number is preferably p = 5 if the angular offset between the phase winding 6.m of the first stator circuit Gl and the second stator circuit G2 is 60 degrees;
- Der Füllfaktor der Nuten 10 im/am Stator 5 sollte möglichst in allen Nuten entlang des Statorumfangs derselbe sein; - The filling factor of the grooves 10 in / on the stator 5 should be the same as possible in all grooves along the stator circumference;
- Die Phasenwicklung 6.m sind vorzugsweise mäanderförmig am Stator 5 angeordnet (siehe z. B. Fig. 4); The phase winding 6.m are preferably arranged meander-shaped on the stator 5 (see, for example, FIG.
- Wicklungsdrähte 11, die von hohen Strömen durchflössen werden, sollten eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen (daher sind sie z.B. aus hochreinem Kupferdraht gefertigt); Winding wires 11 through which high currents flow should have the highest possible electrical conductivity (therefore they are made, for example, from high-purity copper wire);
- Es ist ein Vorteil von Phasenwicklung 6.m mit kleiner Windungszahl w.2, dass diese Phasenwicklung 6.m eine geringere Nutdurchflutung bewirkt als eine Phasenwicklung 6.m mit großer Windungszahl w. l. Dadurch ergeben sich nämlich geringere Verluste im Wicklungsdraht. Ausserdem werden die It is an advantage of phase winding 6 .m with small winding number w. 2 that this phase winding 6 .mu. Causes a lower groove flooding than a phase winding 6 .m with large winding number w. l. This results in namely lower losses in the winding wire. In addition, the
Eisenverluste im Stator 5 auch deutlich verringert, da eine Reduzierung der Windungszahl w.m die Wirbelstromverluste im Stator 5 reduziert.
- Phasenwicklung 6.m mit kleiner Windungszahl w.2 liefert vor allem bei hohen Drehzahlen eine höhere elektrische Leistung als Phasenwicklung 6.m mit großer Windungszahl w. l. Iron losses in the stator 5 also significantly reduced, since a reduction in the number of turns wm reduces the eddy current losses in the stator 5. - Phase winding 6.m with a small number of turns w.2 supplies higher electrical power than high-speed phase winding 6.m, especially at high speeds
- Durch den Einsatz von mindestens zwei Statorschaltungen Gl, G2, die mit Phasenwicklung 6.m mit unterschiedlichen Windungszahlen w.m ausgestattet sind, lassen sich die Verluste der Maschine 100 reduzieren und es kann im oberen Drehzahlbereich eine erhöhte elektrische Leistung erzielt werden; - By using at least two stator circuits Gl, G2, which are equipped with phase winding 6.m with different numbers of turns w.m, the losses of the machine 100 can be reduced and it can be achieved in the upper speed range increased electrical power;
- zwischen den Phasenwicklungen 6.m der ersten Statorschaltung Gl und den Phasenwicklungen 6.m der zweiten Statorschaltung G2 ist ein Winkelversatz erforderlich, damit die Wechselspannungen separat gleichgerichtet werden können (z. B. in einer gemeinsamen Gleichrichter-Vorrichtung 20); an angular offset is required between the phase windings 6.m of the first stator circuit Gl and the phase windings 6.m of the second stator circuit G2 so that the alternating voltages can be rectified separately (eg in a common rectifier device 20);
- Um Quer- oder Rückströme zwischen den Phasenwicklung 6.m der - To cross or return currents between the phase winding 6.m the
verschiedenen Statorschaltungen Gl, G2 zu vermeiden, wird ausgangsseitig der Statorschaltungen Gl, G2 eine Gleichrichter-Vorrichtung 20 vorgesehen, die z. B. Dioden Dl, D2 und/oder Feld-Effekt-Transistoren (FETs) umfasst; To avoid different stator circuits Gl, G2, the output side of the stator circuits Gl, G2 a rectifier device 20 is provided, the z. B. diodes Dl, D2 and / or field-effect transistors (FETs) comprises;
- es sollte keine galvanische Verbindung zwischen Phasenwicklung 6.m mit unterschiedlichen Windungszahlen w.m geben; - There should be no galvanic connection between 6.m phase winding with different winding numbers w.m;
- Die Statorschaltung Gl mit den Phasenwicklung 6.m mit der grösseren - The stator circuit Gl with the phase winding 6.m with the larger one
Windungszahl w. l ist vorzugsweise stets als Kreiskonstellation beschaltet (siehe Fig. 2B, 2C, 3B); Number of turns w. l is preferably always connected as a circle constellation (see FIGS. 2B, 2C, 3B);
- Die Statorschaltung G2 mit den Phasenwicklung 6.m mit der kleineren - The stator circuit G2 with the phase winding 6.m with the smaller
Windungszahl w.2 kann als Kreiskonstellation (siehe Fig. 2B, 3B) oder Winding number w.2 can be a circle constellation (see FIGS. 2B, 3B) or
Sternkonstellation (siehe Fig. 2C) beschaltet sein; Star constellation (see Fig. 2C) to be connected;
- Falls die Ausgangsspannung (Wechselspannung) an den Knoten der Die - If the output voltage (AC voltage) at the node of the
Statorschaltung G2 mit der kleineren Windungszahl w.2 bei niedrigen Stator circuit G2 with the smaller number of turns w.2 at low
Drehzahlen zu niedrig sein sollte, so kann zwischen der entsprechenden Die Statorschaltung G2 und der Gleichrichter-Vorrichtung 20 eine Speed should be too low, so between the corresponding The stator G2 and the rectifier device 20 a
Transformationsschaltung 31 angeordnet sein, um die Spannung nach oben zu transformieren (in Fig. 7 als optionaler Schaltungsblock angedeutet). Transformation circuit 31 may be arranged to transform the voltage upward (in Fig. 7 as an optional circuit block indicated).
- Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen der Erfindung eine Preferably, all embodiments of the invention have a
Gleichrichter-Vorrichtung 20 zum Einsatz, welche Dioden mit geringer Schwellenspannung und/oder FETs umfasst. Diese FETs, falls vorhanden, werden vorzugsweise bei allen Ausführungsformen der Erfindung durch eine Schaltung so analog angesteuert, dass die FETs bereits nahe dem
Nulldurchgang der Ausgangsspannungen (Wechselspannungen) an den Knoten der Statorschaltungen Gl, G2 schalten. Rectifier device 20 is used which comprises low threshold voltage diodes and / or FETs. These FETs, if present, are preferably so analogously driven in all embodiments of the invention by a circuit that the FETs are already close to the Zero crossing of the output voltages (AC voltages) at the nodes of the stator circuits Gl, G2 switch.
- Es können bei allen Ausführungsformen der Erfindung bei jeder It can be in all embodiments of the invention at each
Phasenwicklung 6.m zwei oder mehr als zwei Wicklungen parallel geschaltet werden (siehe z.B. Fig. 3B). Phase winding 6.m two or more than two windings are connected in parallel (see for example Fig. 3B).
[00081] Zum Teil werden dieses Aussagen sind im Folgenden anhand von Kennlinien der Fig. 6 erläutert. Es geht dabei um einen Innenpolgenerator G, der einen Rotor 1 mit einer Rotorwicklung aufweist, die als Erregerwicklung dient. An dem gemeinsamen Stator sind m = 3 Phasenwicklungen 6.1, 6.2 und 6.3 vorgesehen, die Teil einer ersten Statorschaltung Gl sind. Die Phasenwicklungen 6.1, 6.2 und 6.3 haben alle eine Windungszahl w. l = 6. An dem gemeinsamen Stator sind zusätzlich m = 3 Phasenwicklungen 6.4, 6.5 und 6.6 vorgesehen, die Teil einer zweiten Statorschaltung G2 sind. Die Phasenwicklungen 6.4, 6.5 und 6.6 haben alle eine Windungszahl w.2 = 4. In Fig. 3B ist das elektrische In part, these statements are explained below with reference to characteristic curves of FIG. 6. It is a Innenpolgenerator G, which has a rotor 1 with a rotor winding, which serves as a field winding. M = 3 phase windings 6.1, 6.2 and 6.3 are provided on the common stator, which are part of a first stator circuit Gl. The phase windings 6.1, 6.2 and 6.3 all have a number of turns w. In addition, m = 3 phase windings 6.4, 6.5 and 6.6, which are part of a second stator circuit G2, are provided on the common stator. The phase windings 6.4, 6.5 and 6.6 all have a winding number w.2 = 4. In FIG
Ersatzschaltbild dieser Ausführungsform gezeigt. Equivalent circuit diagram of this embodiment shown.
[00082] In Fig. 6 sind nun beispielhafte Stromkennlinien einer solchen In Fig. 6 are now exemplary current characteristics of such
Maschine 100 der Erfindung schematisch gezeigt. Der Gleichstrom ist über die Drehzahl der Antriebswelle 4 der Maschine 100 aufgetragen ist. Hier wurde von einer Übersetzung von 1 : 2,5 zwischen der Kurbelwelle der Motors und der Antriebswelle 4 ausgegangen. Man kann daher die in Fig. 6 gezeigten Drehzahlen in entsprechende Motordrehzahlen umrechnen, indem man die Werte durch 2,5 teilt. Machine 100 of the invention shown schematically. The direct current is applied across the speed of the drive shaft 4 of the machine 100. It was assumed that a ratio of 1: 2.5 between the crankshaft of the engine and the drive shaft 4. One can therefore convert the speeds shown in Fig. 6 into corresponding engine speeds by dividing the values by 2.5.
[00083] Fig. 6 zeigt neben der Stromkennlinie Sk. l der ersten Statorschaltung Gl und der Stromkennlinie Sk.2 der zweiten Statorschaltung G2 auch die 6 shows in addition to the current characteristic Sk. L of the first stator circuit Gl and the current characteristic Sk.2 of the second stator circuit G2 also the
Stromkennlinie Skges des Gesamtstromes Iges. Die Stromkennlinie Skges des Gesamtstromes Iges ergibt sich durch Addition der beiden Stromkennlinien Sk. l und Sk.2 der beiden Strombeiträge. Current characteristic Sk ges of the total current I tot . The current characteristic Sk ges of the total current I tot is obtained by adding the two current characteristics Sk. L and Sk.2 of the two current contributions.
[00084] Fig. 6 lässt erkennen, dass bei der Drehzahl n* L = 2Ό00 U/min die Phasenwicklungen 6.4, 6.5, 6.6 mit w.2 = 4 Wicklungen der zweiten Fig. 6 shows that at the speed n * L = 2Ό00 U / min, the phase windings 6.4, 6.5, 6.6 with w.2 = 4 windings of the second
Statorschaltung G2 einen höheren Strombeitrag liefern. Der Strombeitrag der ersten Statorschaltung Gl (mit w. l = 6 Wicklungen) liegt niedriger.
[00085] Links von der strich-punktieren vertikalen Linie bei n* L = 2Ό00 U/min ist zu erkennen, dass sich die beiden Stromkennlinien Sk. l und Sk.2 schneiden. Die Stromkennlinie Sk. l der Statorschaltung G2 hat hier eine deutlich grössere Steigung. Die Stromkennlinie Sk.2 der Statorschaltung Gl hat hier eine geringere Steigung. Dies bedeutet, dass die Stromkennlinie Sk.2 der ersten Statorschaltung Gl bereits bei niedrigeren Drehzahlen (mit n < 2Ό00 U/min) beginnt einen Strombeitrag zu liefern. Stator G2 provide a higher power contribution. The current contribution of the first stator circuit Gl (with w.l = 6 windings) is lower. [00085] To the left of the dash-dotted vertical line at n * L = 2Ό00 rpm, it can be seen that the two current characteristics Sk l and Sk 2 intersect. The current characteristic Sk. L of the stator circuit G2 has a significantly greater slope here. The current characteristic Sk.2 of the stator circuit Gl has a lower slope here. This means that the current characteristic Sk.2 of the first stator circuit Gl already starts to deliver a current contribution at lower speeds (with n <2Ό00 rpm).
[00086] Die Vorteile, die man mit einer asymmetrischen Windungszahl der Statorschaltungen Gl, G2 der Maschinen 100 erzielt, können vor allem dann in einer Maschine 100 vorteilhaft technisch nutzbar gemacht werden, wenn die Statorschaltungen Gl, G2 der Maschinen 100 eine Gleichrichter-Vorrichtung 20 speisen, die dazu ausgelegt ist einen elektrischen Kurzschluss zwischen den m Phasenwicklungen mit unterschiedlicher Windungszahl zu vermeiden. Daher kommen hier vorzugsweise bei allen Ausführungsformen Dioden und/oder analog geschaltete FETs zum Einsatz. The advantages which are achieved with an asymmetrical number of turns of the stator circuits Gl, G2 of the machines 100 can be advantageously made technically usable especially in a machine 100 when the stator circuits Gl, G2 of the machines 100 comprise a rectifier device 20 food, which is designed to avoid an electrical short circuit between the m phase windings with different number of turns. Therefore, in all embodiments, diodes and / or analogously connected FETs are preferably used here.
[00087] Ausserdem sollte die Gleichrichter-Vorrichtung 20 so effizient und verlustarm ausgelegt sein, dass man das frühe Ansprechen der ersten In addition, the rectifier device 20 should be designed so efficient and low loss, that the early response of the first
Statorschaltung Gl überhaupt nutzbar machen kann. Daher sollten die Dioden (z.B. Dl, D2) und/oder analog geschaltete FETs der Gleichrichter-Vorrichtung 20 spannungsoptimiert eingesetzt werden. Statorschaltung G can make usable at all. Therefore, the diodes (e.g., Dl, D2) and / or FETs of the rectifier device 20 connected in an analogous manner should be voltage-optimized.
[00088] Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen der Maschine 100 eine Gleichrichter-Vorrichtung 20 zum Einsatz, die so als Analogschaltung aufgebaut sind, dass sie beim Nulldurchgang der Wechselspannungen schaltet. [00088] Preferably, in all embodiments of the machine 100, a rectifier device 20 is used, which is constructed as an analog circuit so that it switches at the zero crossing of the AC voltages.
[00089] Zu diesem Zweck weist eine solche Gleichrichter-Vorrichtung 20 vorzugsweise bei allen Ausführungsformen für jede der r = 2 * m Phasen eine Gleichrichterschaltung 40. r auf, wie in Fig.7 gezeigt. Falls die beiden For this purpose, such a rectifier device 20 preferably has a rectifier circuit 40.r for each of the r = 2 * m phases in all embodiments, as shown in FIG. If the two
asymmetrisch Statorschaltungen Gl, G2 der Erfindung z.B. je m = 3 asymmetrical stator circuits Gl, G2 of the invention e.g. each m = 3
Phasenwicklungen haben, so weist die Gleichrichter-Vorrichtung 20 insgesamt 2 mal 3 = 6 Gleichrichterschaltungen 40. r auf. Have phase windings, the rectifier device 20 has a total of 2 times 3 = 6 rectifier circuits 40. r on.
[00090] Anders als bei den üblichen Diodengleichrichtern, die pro Phase eine Serienschaltung von z.B. zwei Silizium-Dioden aufweisen, sind hier pro Phase
entweder mindestens ein FET (Field-Effect-Transistor) und mindestens eine Diode oder pro Phase entweder mindestens zwei FETs (Field-Effect-Transistoren) vorgesehen. Unlike the usual diode rectifiers, which have a series connection of, for example, two silicon diodes per phase, here are per phase either at least one FET (field-effect transistor) and at least one diode or per phase either at least two FETs (field-effect transistors) provided.
[00091] Vorzugsweise umfasst jede der r Gleichrichterschaltungen 40. r bei allen Ausführungsformen : [00091] Preferably, each of the r rectifier circuits 40.r comprises in all embodiments:
- einen Speiseknoten al, a2, a3, a4, a5, a6, der mit dem Ausgangsknoten kl, k2, k3, k4, k5, k6 der entsprechenden Phasenwicklung 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6 verbunden ist, a feed node al, a2, a3, a4, a5, a6, which is connected to the output node k1, k2, k3, k4, k5, k6 of the corresponding phase winding 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6,
- zwei Dioden Dl, D2, von denen eine zwischen dem Speiseknoten al, a2, a3, a4, a5, a6 und einem oberen Potentialpunkt V+ und die andere zwischen dem Speiseknoten al, a2, a3, a4, a5, a6 und einem unteren Potentialpunkt V- angeordnet ist. - Two diodes Dl, D2, one of which between the supply node al, a2, a3, a4, a5, a6 and an upper potential point V + and the other between the feed node al, a2, a3, a4, a5, a6 and a lower potential point V- is arranged.
[00092] Vorzugsweise umfasst jede der r Gleichrichterschaltungen 40. r bei allen Ausführungsformen : [00092] Preferably, each of the r rectifier circuits 40.r comprises in all embodiments:
- einen Speiseknoten al, a2, a3, a4, a5, a6, der mit dem Ausgangsknoten kl, k2, k3, k4, k5, k6 der entsprechenden Phasenwicklung 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6 verbunden ist, a feed node al, a2, a3, a4, a5, a6, which is connected to the output node k1, k2, k3, k4, k5, k6 of the corresponding phase winding 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6,
- eine Diode Dl, die zwischen dem Speiseknoten a l, a2, a3, a4, a5, a6 und einem oberen Potentialpunkt V+ angeordnet ist, a diode D 1 arranged between the supply node a 1, a 2, a 3, a 4, a 5, a 6 and an upper potential point V +,
- mindestens einen Feld -Effekt-Transistor (nicht gezeigt), der zwischen dem Speiseknoten al, a2, a3, a4, a5, a6 und einem unteren Potentialpunkt V- angeordnet ist. - At least one field effect transistor (not shown), which is arranged between the supply node al, a2, a3, a4, a5, a6 and a lower potential point V-.
[0001] Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass man durch das zielgerichtete Ändern der Windungszahl(en) der Statorschaltungen Gl, G2 bei gleicher It is an advantage of the invention that by the targeted change in the number of turns (s) of the stator circuits Gl, G2 at the same
Baugrösse im Prinzip denselben Laststrom bereit stellen kann wie bei einem konventionellen Generator G mit gleicher Windungszahl aller m Size in principle can provide the same load current as in a conventional generator G with the same number of turns of all m
Phasenwicklungen.
Bezugszeichen: Phase windings. Reference numerals:
wobei r eine ganze Zahl > m ist
Rotationsachse der Antriebswelle RA where r is an integer> m Rotation axis of the drive shaft RA
Induktivitäten/Spulen (4 Wicklungen) R4, S4, T4 Inductors / coils (4 windings) R 4 , S 4 , T 4
Induktivitäten/Spulen (6 Wicklungen) RÖ, Se, ÖInductors / coils (6 windings) RÖ, Se, Ö
Stromkennlinien Sk. l, Sk.2Current characteristics Sk. L, Sk.2
Stromkennlinie des Gesamtstromes Skqes Current characteristic of the total current Skqes
Südpol Sp South Pole Sp
Sternpunkt Stp Star point Stp
Zeit t Time t
Wechselspannungssignal UCt AC signal UCt
Drehzahl U/minSpeed rpm
Winkelgeschwindigkeit ü)(t)Angular velocity) (t)
Windungszahl (Anzahl der w.mNumber of turns (number of w.m
Windungen); Zahl größer gleich 1
Turns); Number greater than or equal to 1
Claims
1. Maschine (100) mit 1st machine (100) with
- einer drehzahlveränderlich antreibbaren Welle (4, RA), a variable speed drivable shaft (4, RA),
- einem gemeinsamen Rotor (1), der mit der Welle (4, RA) gekoppelt ist, a common rotor (1) coupled to the shaft (4, RA),
- einer ersten m-phasigen Statorschaltung (Gl), die m Phasenwicklungen (6.1, 6.2, 6.3) umfasst, die hintereinander elektrisch zu einem Kreis verbunden sind, wobei jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden a first m-phase stator circuit (Gl) comprising m phase windings (6.1, 6.2, 6.3) connected in series electrically to a circuit, each between two consecutive
Phasenwicklungen (6.1, 6.2, 6.3) je ein Ausgangsknoten (kl, k2, k3) für das Ableiten eines Wechselstrombeitrags (I. l(t), I.2(t), I.3(t)) ausgebildet ist, Phase windings (6.1, 6.2, 6.3) are each formed an output node (kl, k2, k3) for deriving an AC contribution (I. l (t), I.2 (t), I.3 (t)),
- einer zweiten m-phasigen Statorschaltung (G2), die m Phasenwicklungen (6.4, 6.5, 6.6) umfasst, die - A second m-phase stator circuit (G2), the m phase windings (6.4, 6.5, 6.6), the
o entweder hintereinander elektrisch zu einem Kreis verbunden sind, wobei jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasenwicklungen (6.4, 6.5, 6.6) je ein Ausgangsknoten (k4, k5, k6) für das Ableiten eines Wechselstrombeitrags (I.4(t), I.5(t), I.6(t)) ausgebildet ist, o are either electrically connected in series to form a circuit, each time between two successive phase windings (6.4, 6.5, 6.6) one output node (k4, k5, k6) for deriving an alternating current contribution (I.4 (t), I.5 ( t), I.6 (t)),
o oder die zu einem Stern verbunden sind, wobei jeweils pro Spule (6.4, 6.5, 6.6) je ein Ausgangsknoten (k4, k5, k6) für das Ableiten eines Wechselstrombeitrags (I.4(t), I.5(t), I.6(t)) ausgebildet ist, o or which are connected to a star, wherein in each case one coil (6.4, 6.5, 6.6) has one output node (k4, k5, k6) for deriving an alternating current contribution (I.4 (t), I.5 (t), I.6 (t)) is formed,
wobei in which
- m eine ganze Zahl grösser gleich 2 ist, - m is an integer greater than or equal to 2,
- die beide Statorschaltungen (Gl, G2) durch den gemeinsamen Rotor (1) magnetisch erregbar sind, - Both stator circuits (Gl, G2) are magnetically excitable by the common rotor (1),
alle Phasenwicklungen (6.1, 6.2, 6.3) der ersten m-phasigen Statorschaltung (Gl) eine erste Windungszahl (w. l) und alle all phase windings (6.1, 6.2, 6.3) of the first m-phase stator circuit (G1) have a first number of turns (w.1) and all
Phasenwicklungen (6.4, 6.5, 6.6) der zweiten m-phasigen Statorschaltung (G2) eine zweite Windungszahl (w.2) haben, und wobei Phase windings (6.4, 6.5, 6.6) of the second m-phase stator circuit (G2) have a second number of turns (w.2), and wherein
- die erste Windungszahl (w. l) grösser ist als die zweite Windungszahl - The first number of turns (w.l) is greater than the second number of turns
(w.2). (W.2).
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden 2. Machine according to claim 1, characterized in that the two
Statorschaltungen (Gl, G2) Teil eines Innenpolgenerators sind.
Stator circuits (Gl, G2) are part of a Innenpolgenerators.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Rotor (1) entweder ein permanentmagnetischer Rotor oder ein elektro-magnetischer Rotor mit Erregerwicklung (7) ist. 3. Machine according to claim 1 or 2, characterized in that the common rotor (1) is either a permanent magnet rotor or an electro-magnetic rotor with exciter winding (7).
4. Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Windungszahl (w. l) und die zweite Windungszahl (w.2) Zahlen grösser gleich 1 sind. 4. Machine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the first number of turns (w. L) and the second number of turns (w.2) are numbers greater than or equal to 1.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gleichrichter-Vorrichtung (20) mit r Gleichrichterschaltungen (40. r) umfasst, wobei r eine ganze Zahl grösser gleich m ist, und wobei 5. Machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a rectifier device (20) with r rectifier circuits (40. r), where r is an integer greater than or equal to m, and wherein
vorzugsweise gilt: r = 2 * m. preferably, r = 2 * m.
6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der m 6. Machine according to claim 5, characterized in that each of the m
Phasenwicklungen (6.1, 6.2, 6.3) der ersten m-phasigen Statorschaltung (Gl) und jeder der m Phasenwicklungen (6.4, 6.5, 6.6) der zweiten m- phasigen Statorschaltung (G2) je eine der r Gleichrichterschaltungen (40. r) zugeordnet ist. Phase windings (6.1, 6.2, 6.3) of the first m-phase stator circuit (Gl) and each of the m phase windings (6.4, 6.5, 6.6) of the second m-phase stator (G2) each one of the r rectifier circuits (40. r) is assigned ,
7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede der 7. Machine according to claim 6, characterized in that each of the
Phasenwicklungen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) an einer Ausgangsseite der Gleichrichter-Vorrichtung (20) einen drehzahlabhängigen Gleichstrombeitrag (I.m) liefert. Phase windings (6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) on an output side of the rectifier device (20) provides a speed-dependent DC contribution (I.m).
8. Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der r Gleichrichterschaltungen (40. r) umfasst: A machine according to claim 6 or 7, characterized in that each of the r rectifier circuits (40.r) comprises:
- einen Speiseknoten (a l, a2, a3, a4, a5, a6), der mit dem Ausgangsknoten (kl, k2, k3, k4, k5, k6) der entsprechenden Phasenwicklung (6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) verbunden ist, a feed node (a1, a2, a3, a4, a5, a6) connected to the output node (kl, k2, k3, k4, k5, k6) of the corresponding phase winding (6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) connected is,
- zwei Dioden (Dl, D2), von denen eine zwischen dem Speiseknoten (a l, a2, a3, a4, a5, a6) und einem oberen Potentialpunkt (k+) und die andere zwischen dem Speiseknoten (a l, a2, a3, a4, a5, a6) und einem unteren Potentialpunkt (k-) angeordnet ist. two diodes (D1, D2), one between the supply node (a1, a2, a3, a4, a5, a6) and an upper potential point (k +) and the other between the supply node (al, a2, a3, a4, a5, a6) and a lower potential point (k-) is arranged.
9. Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der r Gleichrichterschaltungen (40. r) umfasst:
- einen Speiseknoten (al, a2, a3, a4, a5, a6), der mit dem Ausgangsknoten (kl, k2, k3, k4, k5, k6) der entsprechenden Phasenwicklung (6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) verbunden ist, A machine according to claim 6 or 7, characterized in that each of the r rectifier circuits (40.r) comprises: a feed node (a1, a2, a3, a4, a5, a6) connected to the output node (kl, k2, k3, k4, k5, k6) of the corresponding phase winding (6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) connected is,
- eine Diode (Dl), die zwischen dem Speiseknoten und einem oberen a diode (Dl) connected between the feeding node and an upper one
Potentialpunkt (k+) angeordnet ist, Potential point (k +) is arranged,
- mindestens einen Feld-Effekt-Transistor, der zwischen dem Speiseknoten (al, a2, a3, a4, a5, a6) und einem unteren Potentialpunkt (k-) angeordnet ist. - At least one field-effect transistor, which is arranged between the supply node (al, a2, a3, a4, a5, a6) and a lower potential point (k-).
10. Maschine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Generator (G) über die Welle (4, RA) mit einer ansteigender Drehzahl angetrieben wird, A machine (100) according to claim 1, characterized in that when the generator (G) is driven by the shaft (4, RA) at an increasing speed,
- die m-Phasenwicklungen (6.1, 6.2, 6.3) der ersten m-phasigen - The m-phase windings (6.1, 6.2, 6.3) of the first m-phase
Statorschaltung (Gl) ausgangsseitig einen Strombeitrag liefern, der einen erstes Ansprechverhalten und einen ersten maximalen Strombeitrag aufweist, und Stator circuit (Gl) on the output side provide a current contribution, which has a first response and a first maximum current contribution, and
- die zweiten der m-Phasenwicklungen (6.4, 6.5, 6.6) der zweiten m- phasigen Statorschaltung (G2) ausgangsseitig einen Strombeitrag liefert, der einen zweites Ansprechverhalten und einen zweiten maximalen - The second of the m-phase windings (6.4, 6.5, 6.6) of the second m-phase stator circuit (G2) on the output side provides a current contribution, a second response and a second maximum
Strombetrag liefert, Electricity amount,
wobei das erste Ansprechverhalten aufgetragen über die Drehzahl eine Steigung hat, die grösser ist als die Steigung des zweiten wherein the first response applied to the speed has a slope which is greater than the slope of the second
Ansprechverhaltens. Response.
11. Maschine (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite maximale Strombetrag grösser ist als der erste maximale Strombetrag.
11. Machine (100) according to claim 11, characterized in that the second maximum amount of current is greater than the first maximum amount of current.
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