DE60035020T2

DE60035020T2 - Wechselstromgenerator mit mehrfachen Ausgangsspannungen

Info

Publication number: DE60035020T2
Application number: DE60035020T
Authority: DE
Inventors: Issam Morton Grove Jabaji
Original assignee: CE Niehoff and Co
Current assignee: CE Niehoff and Co
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: CA2431664A1; EP1109310A3; US6275012B1; EP1667318A3; EP1667318A2; EP1109310A2; US6373230B2; DE60045718D1; ATE501548T1; CA2431664C; AU779863B2; EP1109310B1; DE60035020D1; US20010024107A1; CA2328646A1; CA2328646C; ATE363764T1; AU7232900A; ES2285997T3; ES2360513T3

Description

HINTERGRUND
Diese Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Generator wie einen Wechselstromgenerator, der in der Lage ist, Strom in zwei verschiedenen Spannungen bereitzustellen.
Ein modernes Fahrzeug benutzt einen Wechselstromgenerator, um das elektrische System des Fahrzeugs zu betreiben und eine Batterie aufzuladen, die elektrische Reserveleistung liefert, wenn der Motor des Fahrzeugs außer Betrieb ist und wenn nicht ausreichend elektrische Leistung vom Wechselstromgenerator geliefert wird. Der Wechselstromgenerator umfasst eine Feldwicklung, Statorwicklungen und eine Drehachse, die durch gewisse Anordnungen durch einen Motor angetrieben wird. Es werden Gleichrichter benutzt, um den von den Statorwicklungen erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, um die Batterie oder andere elektrische Lasten aufzuladen. Ein Spannungsregulator misst die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators und kontrolliert den Magnetspulenstrom, um eine konstante Spannung entsprechend der internen Referenzspannung des Regulators innerhalb der Grenzen der Ausgangsleistungskapazität des Generators aufrecht zu erhalten, wenn externe elektrische Lasten hinzugefügt und entfernt werden. Das wird allgemein dadurch erreicht, dass dafür gesorgt wird, dass Strom immer dann durch die Feldwicklung fließt, wenn die Ausgangsspannung unter die Referenzspannung absinkt, und der Stromfluss durch die Feldwicklung immer dann angehalten wird, wenn die Ausgangsspannung über die Referenzspannung ansteigt.
Die geeignete Referenzspannung des Regulators wird durch die Batterieladespannung bestimmt, die für die besondere Anwendung gebraucht wird und das elektrische System des Fahrzeugs, dass typischerweise dafür konstruiert ist, bei dieser Spannung zu funktionieren. Die Referenzspannung ist oft mit einer Temperaturkompensation ausgelegt, da es für das Laden der Batterie wünschenswert ist, dass die Ladespannung sinkt, wenn die Temperatur der Batterie zunimmt. Der Ausgangsstrom des Wechselstromgenerators wird in den Statorwicklungen erzeugt wenn die Feldwicklung Strom leitet und sich die Generatorachse dreht.
Einige Fahrzeuge, die Traktionsmotoren verwenden, um das Fahrzeug anzutreiben, benutzen auch übliche elektrische Automobilsysteme für die Beleuchtung und elektronische Systeme, die entweder bei 14 oder bei 28 Volt funktionieren. Die elektrische Leistung für die Traktionsmotoren wird typisch von einem Hauptgenerator abgeleitet, der von einem internen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Es wird typischerweise ein Batterieleistung von 84 Volt benutzt, um den Verbrennungsmotor anzukurbeln und das Feld des Hauptgenerators zu aktivieren. Während des normalen Betriebs wird eine elektrische Leistung entweder von 14 Volt oder von 28 Volt benötigt, um das elektrische System des Automobils zu betreiben und es wird eine elektrische Leistung von 84 Volt benötigt, um die Batterien zum Ankurbeln des Motors vollständig geladen zu halten.
Alternatoren mit zwei Spannungen aus dem Stand der Technik stellen oft einen Ausgang von 14 Volt und 28 Volt bereit, da diese beiden Spannungen am meisten in elektrischen Systemen von Automobilen zu finden sind. Diese Systeme verwenden typischerweise einen gemeinsamen Stator, der von einer Magnetspule betrieben wird, um die Ausgangsleistung für zwei Spannungen zu erzeugen, die eine gemeinsame Erdung benutzen. Als Beispiel für eine typische Anordnung wird die Magnetspule nur in Antwort auf den 28 Volt-Ausgang ohne Gleichrichterkontrolle auf der 28 Volt-Spannungsversorgung kontrolliert, und die 14 Volt-Spannungsversorgung wird über einen geschalteten Gleichrichter wie einen siliziumkontrollierten Gleichrichter (SCR) kontrolliert.
Ein potentieller Nachteil dieser üblichen Statoranordnung ist es, dass keine Ausgangsleistung bei dem höheren Spannungsausgang (z.B. 28 Volt) bei niedrigen Achsengeschwindigkeiten geliefert werden kann. Dieser Ausgangsleistungsunterschied bei niedrigen Ach sengeschwindigkeiten ist akzeptierbar, wenn es keinen signifikanten Unterschied zwischen den beiden Ausgangsspannungen gibt und wenn Ausgangsleistung bei beiden Spannungen bei der niedrigsten normalen Betriebs-Achsengeschwindigkeit zur Verfügung steht. Wenn jedoch die beiden Ausgangsspannungen voneinander abweichen und der Unterschied zwischen ihnen an Größe zunimmt (28 Volt-14 Volt = 14 Volt, während 84 Volt-28 Volt = 56 Volt ist) steht kein Ausgang mit höherer Spannung außer bei einer höheren Wechselstromgeneratorachsengeschwindigkeit zur Verfügung. Ein üblicher von einem Motor angetriebener Statoralternator, der bei Motorleerlaufgeschwindigkeit funktioniert, kann einen Ausgangsstrom von ungefähr 28 Volt, aber keinen Ausgangsstrom von 84 Volt aufweisen, es sei denn, dass die Motorgeschwindigkeit deutlich erhöht worden ist.
Es ist nicht offenkundig, dass alle oben angesprochenen Probleme in Wechselstromgenerator- oder Spannungsregulatorauslegungen angesprochen worden sind. Es sind jedoch verschiedene Systeme vorgeschlagen worden, die einige Aspekte der obigen Probleme ansprechen. Mashino, et al. U.S.-Patent Nr. 4,788,486 , schlagen z.B. ein Leistungsversorgungssystem für Fahrzeuge vor, dass eine Feldwicklung umfasst, die ein rotierendes Magnetfeld generiert, um Wechselstromspannungen in paarweise angeordneten Sets von Ankerwicklungen zu induzieren, die eine gemeinsame Erdung benutzen. Die Wechselstromspannungen der Ankerwicklungen werden durch zwei Gruppen von Gleichrichtern in entsprechende Gleichstromspannungen umgewandelt, die ihrerseits ein Paar von in Serie geschalteten Batterien lädt. Ein erster Spannungsregulator kontrolliert den Strom der Feldwicklung, um die erste Batteriespannung zu regeln. Ein zweiter Spannungsregulator regelt die zweite Batteriespannung, indem die zweite Batterie an eine Gruppe von Gleichrichtern angeschlossen wird oder von ihnen abgekuppelt wird. Mashino offenbart kein unabhängiges Schalten oder eine unabhängige Kontrolle der Gleichrichtergruppen. Weder der zweite Spannungsregulator noch die zweite Batterie scheinen irgendeine Wirkung auf die Feldwicklung zu haben, die von Beginn angeregt wird und danach entsprechend dem Wert der ersten Batterie selbsterregt oder moduliert wird.
Abukawa et al. U.S.-Patent Nr. 5,033,565 , schlagen einen Generator vor, der zwei Spannungsausgänge generiert. Eine Feldwicklung, die auf einen von einem Spannungsregulator zur Verfügung gestellten vorbestimmten Erregungsstrom antwortet, induziert dreiphasige Wechselstromspannungen in einem Paar von Ankerwicklungen. Die erste und die zweite Gleichstromspannung wird an einem Paar von Ausgangsterminals aus Wechselstromspannungen durch zwei Gleichrichtergruppen generiert. Abukawa et al. behandeln keine Spannungsregelungssysteme über die Bereitstellung eines vorbestimmten Erregungsstroms hinaus. Keine Gleichrichtergruppe wird durch den Spannungsregulator kontrolliert, welcher nicht dargestellt ist. Die Ankerwicklungen werden als in einer mechanisch nahen Nachbarschaft befindlich um eine Antriebsachse herum in der 2 von Abukawa gezeigt und scheinen zur gemeinsamen Erde-Vielfalt zu gehören. Die Gleichstromausgangsspannungen scheinen gemeinsam in allen Ausführungsformen des Generators geerdet zu sein.
Baumgartner, et al. U.S.-Patent Nr. 3,793,544 schlägt einen Generator vor, der aus einem Paar von identisch ausgelegten Statoren besteht, die in einer mechanisch nahen Nachbarschaft gewunden sind, um zu versuchen, zwei identische Spannungsausgänge zu erzeugen. Eine Feldwicklung generiert das Alternatorfeld. Ein allgemein üblicher Spannungsregulator hält die geeignete Erregungsspannung quer zur Feldwicklung bei einer Motorgeschwindigkeit über dem niedrigen Leerlauf für Wechselstromausgänge von Statoren aufrecht, die Gleichstromausgänge zur Verfügung stellen, die so äquivalent untereinander wie möglich sind angesichts der ausgeglichenen und unausgeglichenen Lasten. Es scheint ein Auslegungsziel zu sein, dass die Gleichstromspannungsausgänge im Wesentlichen identisch in der betragsmäßigen Größe gehalten werden können, und dass die Statoren identisch in Abmessung und Funktion sind. Der Spannungsregulator kontrolliert keine Gleichrichtergruppe.
US 4,999,563 beschreibt einen Schweißgenerator mit zwei Hauptgenerierungswicklungen, die zwei Ausgänge zur Verfügung stellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es besteht gegenwärtig ein Bedarf an einem elektrischen Generatorsystem (wie einem Wechselstromgenerator), das in der Lage ist, einen elektrischen Ausgang bei zwei unabhängig kontrollierten Ausgangsspannungen zu erzeugen. Dieser Generator ist bevorzugt in der Lage, die Ausgangsspannungen, die sich signifikant in der betragsmäßigen Größe unterscheiden, zu kontrollieren. Der Generator stellt die auf unabhängige Weise kontrol lierten Ausgangsspannungen über einen breiten Bereich von Generatorachsengeschwindigkeiten, einen breiten Bereich von elektrischen Lasten und einen breiten Bereich von Umgebungstemperaturen zur Verfügung. Der Generator kommuniziert bevorzugt mit anderen Systemen, um Zustandsinformation gemeinsam zu benutzen und Aktionen auszuführen, die erforderlich sind, um die Betriebserfordernisse der Anwendung zu erfüllen. Bevorzugt wird eine vollständigere Diagnoseangabe des Generatorzustands zur Verfügung gestellt.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Mehrfach-Spannungs-Generator nach Patentanspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Die vorangehenden Paragraphen dienen als Einführung und nicht zur Begrenzung des Rahmens der folgenden Patentansprüche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen bilden einen Teil der Offenbarung und dienen dazu, ausgewählte Ausführungen der Erfindung eingehender zu erklären.
1 ist ein Blockdiagramm eines elektrischen Generators, nämlich eines Wechselstromgenerators gemäss einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht einer beispielsweisen Wechselstromgenerators-Ausführung;
3 ist eine vereinfachte dreidimensionale Ansicht verschiedener Elemente der Ausführung nach 2;
4 ist ein Blockdiagramm der Ausführung nach 2;
5 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Reglers, geeignet zum Betrieb mit einem Wechselstromgenerator nach 4; gekoppelt mit einem zweiten Ausgang via einen zweiten geschalteten Gleichrichter. Der erste Ausgang und die erste Leistung generierende Wicklung sind elektrisch isoliert vom zweiten Ausgang und der zweiten Leistung generierenden Wicklung.
6 ist ein Flussdiagramm von Softwareroutinen, die von dem Mikrocontroller nach 5 ausgeführt werden; und
7 ist ein Flussdiagramm von Softwareroutinen, die sich auf eine Routine nach 6 erstrecken.
BESCHREIBUNG DER GEGENWÄRTIG BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Entsprechend den Zeichnungen ist die 1 ein Blockdiagramm eines Wechselstromgenerators 100, der entsprechend dieser Erfindung funktioniert. Der Alternator 100 liefert Ausgangsleistung an ein erstes elektrisches System 102, das mit einer ersten Spannung V_A funktioniert und an ein zweites elektrisches System 104, das mit einer zweiten Spannung V_B funktioniert. Bevorzugt ist das zweite elektrische System 104 elektrisch vom ersten elektrischen System 102 isoliert und die Spannung V_A benutzt keine gemeinsame Erde mit der Spannung V_B. Der Alternator 100 umfasst einen Regulator 106, der an eine Feldquelle 108 gekoppelt ist und sie bevorzugt kontrolliert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Regulator 106 getrennt vom Wechselstromgenerator 100 montiert. Eine erste Leistung generierende Wicklung 110 und eine zweite Leistung generierende Wicklung 112 liegen in ausreichender Nähe der Feldquelle 108, so dass die Feldquelle 108 in der Lage ist, Spannungen an der ersten und der zweiten Leistung generierenden Wicklung 110, 112 unter regelmäßigen Leistungsbedingungen des Generators zu induzieren. Bevorzugt werden die an der ersten und der zweiten Leistung generierenden Wicklung 110, 112 induzierten entsprechenden Spannungen zum Regulator 106 zurückgeführt. Die erste Leistung generierende Wicklung 110 ist an die erste Gleichrichterschaltung 114 gekoppelt und die zweite Leistung generierende Wicklung 112 ist an die zweite Gleichrichterschaltung 116 gekoppelt.
Bevorzugt umfasst die erste Gleichrichterschaltung 114 ein Paar von ersten Ausgangsterminals (darstellend einen ersten Ausgang 126 des Wechselstromgenerators 100), das an das erste elektrische System 102 gekoppelt ist, so dass die erste Leistung generierende Wicklung 110 an das Paar von Ausgangsterminals (der erste Ausgang 126) via die erste Gleichrichterschaltung 114 gekoppelt ist. Bevorzugt umfasst die zweite Gleichrichter schaltung 116 ein Paar von zweiten Ausgangsterminals (darstellend einen zweiten Ausgang 128 des Alternators 100), das an das zweite elektrische System 104 gekoppelt ist, so dass die zweite Leistung generierende Wicklung 112 an das Paar von Ausgangsterminals (der erste Ausgang 128) via die zweite Gleichrichterschaltung 116 gekoppelt ist. In anderen Ausführungsformen kann die erste Gleichrichterschaltung 114 und die zweite Gleichrichterschaltung 116 an das entsprechende erste und zweite elektrische System 102, 104 durch entsprechende Schalter (nicht gezeigt), die außerhalb des Regulators 106 liegen, angeschlossen werden und vom ihm abgekuppelt werden. Bevorzugt sind der erste und der zweite Ausgang 126, 128 elektrisch voneinander isoliert und benutzen keine gemeinsame Erde.
Der Regulator 106 kontrolliert und ist bevorzugt an die erste Gleichrichterschaltung 114 via eine oder mehrere Kontrollleitungen gekoppelt, die eine oder mehr entsprechende, in der ersten Gleichrichterschaltung 114 enthaltene Kontrollterminals versorgt. Der Regulator 106 kontrolliert und ist bevorzugt an die zweite Gleichrichterschaltung 116 via eine oder mehrere Kontrollleitungen gekoppelt, die eine oder mehr entsprechende, in der zweiten Gleichrichterschaltung 116 enthaltene Kontrollterminals versorgen. Der erste und der zweite Kontroll-Terminal sind bevorzugt elektrisch voneinander isoliert. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist jeder Kontroll-Terminal an den Triggereingang eines entsprechenden siliziumkontrollierten Gleichrichters (SCR) gekoppelt.
Der Regulator 106 kontrolliert die Versorgung des ersten und das zweiten elektrischen Systems 102, 104 mit Ausgangsleistung. Der Regulator 106 kontrolliert bevorzugt die Versorgung mit Ausgangsleistung, um die Spannungen V_A und V_B zu regeln und auf stabilen Werten zu halten. Der Regulator 106 umfasst bevorzugt eine erste und eine zweite interne Spannungsreferenz oder Schwellwerte V_AREF und V_BREF. Bevorzugt wird die Spannung V_A wieder in den Regulator 106 zurückgekoppelt und mit der internen Spannungsreferenz V_AREF verglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform moduliert der Regulator 106 ein Kontrollsignal um die erste Gleichrichterschaltung 114 entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs mit der internen Spannungsreferenz V_AREF zu kontrollieren. Bevorzugt wird die Spannung V_B wieder in den Regulator 106 zurückgekoppelt und mit der internen Spannungsreferenz V_BREF verglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform moduliert der Regulator 106 ein Kontrollsignal um die zweite Gleichrichterschaltung 116 entspre chend dem Ergebnis des Vergleichs mit der internen Spannungsreferenz V_BREF zu kontrollieren.
Bevorzugt funktionieren die erste und die zweite Gleichrichterschaltung 114, 116 als geschaltete Gleichrichterschaltungen. Bevorzugt umfassen die erste und die zweite Gleichrichterschaltung 114, 116 jeweils einen oder mehrere geschaltete Gleichrichter, die auf ein oder mehrere Kontrollsignale des Regulators 106 reagieren. Auf diese Weise kann der Regulator 106 auf unabhängige Weise den jeweiligen Ausgangsstrom kontrollieren und so unabhängig jede Spannung V_A und V_B regulieren. Bevorzugt werden SCRs in der ersten und die zweiten Gleichrichterschaltung 114, 116 benutzt, um eine geschaltete Gleichrichtung der Wechselstromspannungen auszuführen.
Bevorzugt wird die Feldquelle 108 durch den Regulator 106 erregt und erzeugt ein Magnetfeld. Der Ausdruck erregen wird umfassend benutzt, um jedes Verfahren zum Führen von Strom durch die Feldquelle 108 einzuschließen, welche z.B. eine Feldwicklung oder eine Magnetspule sein kann. In einer bevorzugten Ausführungsform empfängt ein Ende der Feldquelle 108 eine angelegte Spannung, um die Feldquelle 108 mit Strom zu versorgen, während der Regulator 106 an ein anderes Ende der Feldquelle 108 gekoppelt ist, wodurch die Feldquelle 108 erregt wird. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform kontrolliert der Regulator 106 die Erregung der Feldquelle 108, indem ein Kontrollsignal moduliert wird. Bevorzugt kann die Feldquelle 108 vom Regulator 106 an- oder ausgeschaltet werden um die Kontrolle der Ausgangsleistung des Alternators 100 zu erleichtern. In anderen Ausführungsformen bleibt die Feldquelle 108 andauernd angeschaltet, wenn der Alternator 100 angeschaltet ist und der Regulator 106 benutzt andere Ansätze und Mechanismen wie die Kontrolle der ersten und der zweiten Gleichrichterschaltung 114, 116, um die Ausgangsleistung des Alternators 100 zu kontrollieren. In anderen Ausführungsformen kann die Feldquelle 108 sich selbst erregen wenn sie anfänglich mit Strom versorgt worden ist.
Allgemein ist es der Zweck der Feldquelle 108, einen magnetischen Fluss zu erzeugen, um Spannungen in der ersten und zweiten Leistung erzeugenden Wicklung 110, 112 zu induzieren. Die Feldquelle 108 kann auf vielfältige Weise implementiert werden, um diesen Zweck zu erfüllen. Die Feldquelle 108 kann in spulenförmigen bzw. gewickelten Ausfüh rungsformen implementiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Feldquelle 108 eine Feldwicklung. Die Feldquelle 108 kann z.B. als Spulenwicklung ausgebildet sein. Die Feldquelle 108 kann auch eine Wicklung mit wellenförmigen Windungen umfassen. Die Feldquelle 108 ist auch nicht auf eine Feldwicklung oder eine Magnetspule begrenzt.
In einer anderen Ausführungsform wird z.B. ein Permanentmagnet als Feldquelle 108 benutzt, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Feldquelle 108 eine stationäre Feldwicklung, die keinen Spin oder keine Rotation umfasst. In anderen Ausführungsformen umfasst die Feldquelle 108 jedoch eine Feldwicklung die sich mit einer Drehachse dreht, um ein sich drehendes Magnetfeld zu erzeugen. Allgemeiner kann die Feldquelle 108 stationär bleiben, sich um eine Achse drehen, die ihren eigenen Schwerpunkt umfasst, oder einen Spin ausführen oder sich um eine andere Achse drehen, wie es für die Anwendung geeignet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste und zweite Leistung generierende Wicklung 110 und 112 jeweils als Gruppe von Statorwicklungen implementiert. Jede entsprechende Gruppe von Statorwicklungen ist als dreiphasige Wicklung implementiert, die dem Fachmann als Wye-Konfiguration bekannt ist, obwohl andere Konfigurationen und Phasen, wie die dreiphasige Delta-Konfiguration möglich sind. Die erste Leistung generierende Wicklung 110 ist bevorzugt elektrisch von der zweiten Leistung generierenden Wicklung 112 isoliert. Die erste Leistung generierende Wicklung 110 benutzt bevorzugt keine gemeinsame Erde mit der zweiten Leistung generierenden Wicklung 112.
Die Leistung generierenden Wicklungen 110, 112 wie die Statorwicklungen bleiben bevorzugt stationär in Bezug auf die Drehachse. Man sollte jedoch verstehen, dass die betrachteten Ausführungsformen nicht auf stationäre Wicklungen begrenzt sind. In anderen Generator-Ausführungsformen des elektrischen Generators können die Wicklungen so montiert werden, dass sie sich drehen.
Jede Gruppe von Statorwicklungen kann auf Metall-Lamellen gewickelt werden und in Kombination mit einem oder mehreren Rotoren benutzt werden. Wie es dem Fachmann bekannt ist, ist ein Rotor das sich drehende Teil eines elektrischen Generators. Jede Gruppe von Statorwicklungen hat bevorzugt ihren eigenen zugeordneten Rotor.
Obwohl die erste und die zweite Leistung generierende Wicklung 110, 112 in einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform als Statorwicklungen mit von einer Feldwicklung 108 induzierten Spannungen implementiert sind, existieren andere Implementierungen. In einer anderen Permanentmagnet-Ausführungsform ist die Feldquelle 108 als Permanentmagnet implementiert und wirkt als Magnetfeldquelle. Wenn ein Permanentmagnet als Feldquelle 108 für die erste und die zweite Wicklung 110, 112 benutzt wird, kann eine Abschirmung verwendet werden. Eine Abschirmung wird bevorzugt dazu benutzt, die erste und die zweite Leistung generierende Wicklung 110, 112 voneinander zu isolieren, um die Kreuzkopplung zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Es kann auch ein unmagnetisches Material eingesetzt werden, um die Kreuzkopplung zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Die erste und die zweite Leistung generierende Wicklung 110, 112 können auf einem einzigen Rotor oder einem getrennten Rotor für jede der ersten und die zweiten Leistung generierenden Wicklung 110, 112 benutzt werden.
Das von der Feldquelle 108 erzeugte Magnetfeld induziert bevorzugt Spannungen in der ersten und der zweite Leistung generierenden Wicklung 110, 112. Die in der ersten und der zweite Leistung generierenden Wicklung 110, 112 induzierten Spannungen sind allgemein Wechselstrom-Spannungssignale. Im Fall von Statorwicklungen hängt die relative Höhe der induzierten Spannungen in der ersten und der zweite Leistung generierenden Wicklung 110, 112 von der relativen Anzahl von Wicklungswindungen in der ersten und der zweite Leistung generierenden Wicklung 110, 112 ab. Die von den Statorgruppenwicklungen abgeleitete Ausgangsleistung hängt vom benutzten Drahtdurchmesser, der Anzahl von Windungen und dem zur Herstellung des Stators benutzten Material (typischer Weise Eisen, Kupfer und Stahl) ab. Die Benutzung von elektrisch und physikalisch unabhängigen Statorgruppenwicklungen ermöglicht eine individuelle Optimierung jedes Stators in Bezug auf die in den besonderen Anwendungen gewünschte Ausgangsleistungsgerierung. Diese individuelle Optimierung der Statoren umfasst eine Konstruktion mit dem optimalen Drahtdurchmesser, der optimalen Anzahl von Windungen, der opti malen physikalischen Größe der Lamellen und des Rotorverhältnisses und der Vergrößerung oder Verminderung der zur Statorherstellung benutzten Materialmengen.
Die physikalische Unabhängigkeit der Statoren hat Auswirkungen auf die physikalische Anordnung der Statoren relativ zueinander. In einer bevorzugten Ausführungsform überlappen sich die Statoren nicht gegenseitig. Auf diese Weise wird die Kreuzkopplung reduziert. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform sind die Statoren physikalisch entlang der durch die Antriebswelle des Wechselstromgenerators 100 definierten Achse voneinander getrennt. Allgemeiner dient die axiale Trennung der Statoren im Allgemeinen dazu, Bezug auf jede Anordnung der Statoren zu nehmen, die eine vollständige Überlappung der Statoren verhindert. Am allgemeinsten werden die erste und die zweite Leistung generierende Wicklung 110, 112 so implementiert, dass eine magnetische Kopplung, Kreuzkopplung oder andere gegenseitige Kopplungseffekte zwischen den Wicklungen 110, 112 in dem Masse vermieden oder reduziert werden, dass sie in einer gegebenen Anwendung toleriert werden.
Die 2 ist eine Querschnittsansicht einer vorliegend bevorzugten Zweispannungs-Ausführungsform des Wechselstromgenerators 100, der entsprechend dieser Erfindung funktioniert. Die 3 ist eine vereinfachte dreidimensionale Ansicht der Ausführungsform der 2. Der Wechselstromgenerators 100 umfasst die Antriebswelle 146, die erste und zweite Gleichrichterschaltung 114, 116 im Gehäuse 148, einen ersten und einen zweiten Rotor 150, 152, eine erste und eine zweite Statorwicklung 110, 112, eine Feldwicklung 108, vier Ausgangszapfen 156 (von denen einer in der 2 gezeigt wird) und den Regulator 106. In der 2 ist der Regulator 106 getrennt vom Wechselstromgenerator 100 montiert. Die Feldwicklung 108 ist schleifenförmig auf dem Umfang der Antriebswelle 146 angeordnet und ist so montiert, dass die Feldwicklung 108 stationär während des normalen Betriebs angeordnet ist. Wie es auf den 2 und 3 zu sehen ist, überlappen sich die erste und zweite Statorwicklung 110, 112 nicht und sind axial entlang der Antriebswelle 146 getrennt angeordnet. Die erste und zweite Statorwicklung 110, 112 sind auf jeder Seite der Feldwicklung 108 angeordnet oder positioniert. In dieser Ausführungsform sind die Feldwicklung 108 und die erste und zweite Statorwicklung ortsfest, während der erste und der zweite Rotor 110, 112 mit der Antriebswelle rotieren oder schnell drehen wenn sich die Antriebswelle 146 dreht. Bevorzugt sind die Statorwicklungen 110 und 112 elektrisch voneinander isoliert und benutzen keine gemeinsame Erde.
In der 3 ist die Antriebswelle 146 parallel zu einer Achse 154 wiedergegeben. Die Feldwicklung 108 hat eine erste und eine zweite Seite 196, 198 die einander gegenüberliegen und axial entlang der Antriebswelle 146 voneinander getrennt sind. Die erste und die zweite Statorwicklung 110, 112 haben entsprechende auf der in 3 gezeigten Schwerpunkte 192, 194. Zur Vereinfachung der Darstellung haben die erste und die zweite Statorwicklung 110, 112 uniformes Volumen, Masse und sind perfekt radial entlang der Antriebswelle 146 und der Achse 154 ausgerichtet. So sind die Schwerpunkte 192, 194 auf der Achse 154 jeweils in den Zentren der ersten und zweiten Statorwicklung angeordnet. In bevorzugten Ausführungsformen des Alternators 100 ist der Schwerpunkt 192 der Statorwicklung 110 näher an der ersten Seite 196 als der zweiten Seite 198 der Feldwicklung 108 angeordnet. Die erste Statorwicklung 110 kann auch vollständig auf der ersten Seite 196 der Feldwicklung 108 angeordnet sein. In bevorzugten Ausführungsformen des Wechselstromgenerators 100 ist der Schwerpunkt 194 der zweiten Statorwicklung 112 näher an der zweiten Seite 198 als der ersten Seite 196 der Feldwicklung 108 angeordnet. Die zweite Statorwicklung 112 kann auch vollständig auf der zweiten Seite 198 der Feldwicklung 108 gegenüber der ersten Seite angeordnet sein.
Der Wechselstromgenerator 100 umfasst bevorzugt die Rotoren 150, 152. In anderen Ausführungsformen kann jedoch ein einziger Rotor 151 (ein Teil eines beispielhaftern Rotors ist mit gestrichelten Linien in der 3 dargestellt) benutzt werden. Bevorzugt umfasst der Rotor 151 einen ersten Teil 153 auf der ersten Seite 196 der Feldwicklung 108 und einen zweiten Teil 155 auf der zweiten, der ersten Seite 196 gegenüberliegenden Seite 198 der Feldwicklung 108. Bevorzugt hat der erste Teil 153 einen größeren Effekt als der zweite Teil 155 auf die magnetische Kopplung zwischen der Feldwicklung 108 und der ersten Statorwicklung 110. Bevorzugt hat der zweite Teil 155 einen größeren Effekt als der erste Teil 153 auf die magnetische Kopplung zwischen der Feldwicklung 108 und der zweiten Leistung generierenden Wicklung 112. Man sollte verstehen, dass in einigen Ausführungsformen der erste Teil und der zweite Teil 153, 155 des Rotors 151 sich auf zwei physikalisch unterschiedliche und getrennte Rotoren bezieht, während in anderen Ausführungsformen ein Rotor benutzt wird.
Allgemein sagt man, dass ein Element, wie eine Wicklung auf einer Seite eines anderen Elements wie einer Wicklung liegt, wenn die beiden Elemente in Bezug auf die Längsachse radial ausgerichtet oder radial versetzt sind.
Die 4 ist ein Blockdiagramm oder eine detailliertere Ausführungsform des Wechselstromgenerators 100 ist, der entsprechend dieser Erfindung funktioniert. Der Wechselstromgenerator 100 umfasst den Regulator 106, wovon eine vorliegend bevorzugte Version detaillierter in der 5 dargestellt ist und ausführlicher im folgenden beschrieben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Regulator 106 getrennt vom Alternator 100 montiert. Der Wechselstromgenerator 100 der 4 umfasst außerdem eine Feldwicklung 108, eine erste und eine zweite Statorwicklung 110, 112 und eine erste und eine zweite Gleichrichterschaltung 114, 116, die alle bevorzugt mit dem Regulator 106 an die Stifte FF bis SS gekoppelt sind.
Die erste Gleichrichterschaltung 114 umfasst ein Paar von ersten Ausgabeterminals (darstellend einen ersten Ausgang 126 des Wechselstromgenerators 100), das mit einem ersten elektrischen System 102 gekoppelt ist. Die zweite Gleichrichterschaltung 116 umfasst ein Paar von zweiten Ausgabeterminals (darstellend einen zweiten Ausgang 128 des Alternators 100), das mit einem zweiten elektrischen System 104 gekoppelt ist. Bevorzugt ist der erste und der zweite Ausgang 126, 128 elektrisch voneinander isoliert und benutzt so keine gemeinsame Erde.
Das erste und das zweite elektrische System 102, 104 sind extern vom Wechselstromgenerator 100 dargestellt, in anderen Ausführungsformen kann jedoch ein Teil oder alles von dem ersten oder dem zweiten elektrischen System 102, 104 im Generator eingeschlossen sein. Das erste und das zweite elektrische System 102, 104 der 4 umfassen einen entsprechenden ersten und zweiten elektrischen Gleichstrom-Leistungs-Bus oder -Batterie 118, 120 und kann eine entsprechende erste und zweite geschaltete elektrische Last 122, 124 umfassen. Die erste und zweite Batterie 118, 120 liefert bevorzugt Leistung jeweils an die erste und zweite geschaltete Last 122, 124 (oder andere Lasten, nicht gezeigt) wenn die Schalter geschlossen sind. Die erste und die zweite Batterie 118, 120 haben jeweils Gleichstromausgangsleistungen V_A und V_B.
In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform hat die erste Batterie 118 einen nominalen Ladungswert von ungefähr +28 Volt (d.h. V_A = +28 Volt) während die zweite Batterie 120 einen nominalen Ladungswert von ungefähr +84 Volt (d.h. V_B = +84 Volt) aufweist.
Obwohl die erste und die zweite Batterie 118, 120 in diesem Bereich und anderen Bereichen der Beschreibung darauf Bezug nehmen, dass sie entsprechende nominale Werte von +28 Volt und +84 Volt haben, sind die Spannungen V_A und V_B nicht auf diese Werte begrenzt und es können andere Spannungen oder Batterien benutzt werden. Man sollte auch verstehen, dass der Spannungs-Wert der ersten und zweiten Batterie 118, 120 sich im allgemeinen ändert, wenn Lasten hinzugefügt oder entfernt werden oder wenn die Batterien 118, 120 überladen oder unterladen werden. Bevorzugt ist es ein Zweck des Reglers 106, die entsprechenden Spannungen V_A und V_B auf relativ stabilen Werten aufrechtzuerhalten.
Während des normalen Betriebs wird der Alternator 100 der 4 vom Regulator 106 kontrolliert. Der Regulator 106 kontrolliert bevorzugt den Strom durch die Feldwicklung 108 via ein erstes intern generiertes Kontrollsignal 162 (in der 5 gezeigt) um ein magnetisches Feld zu erzeugen, um die Wechselspannungen in der ersten und zweiten Statorwicklung 110, 112 zu induzieren. Das erste Kontrollsignal 162 kann in Abhängigkeit von der Ausführungsform des verwendeten Regulators 106 entweder ein analoges oder ein digitales Kontrollsignal sein. Bevorzugt ist die erste und die zweite Statorwicklung 110, 112 jeweils in einer dreiphasigen Wye-Konfiguration, wie sie in der 4 dargestellt ist, implementiert sein. Bevorzugt benutzen die erste und die zweite Statorwicklung 110, 112 keine gemeinsame Erde und sind elektrisch wie auch physikalisch voneinander isoliert um Kreuzkopplung oder ähnliche wechselseitige Effekte zu vermeiden.
Die Wechselstrom-Phasen-Spannungen der zweiten Statorwicklung 112 werden an den jeweiligen Stiften KK, LL und MM in den Regulator 106 eingeleitet. Die Wechselstrom-Phasen-Spannungs-Ausgänge der zweiten Statorwicklung 112 sind an einen entsprechenden geschalteten Gleichrichter der zweiten Gleichrichterschaltung 116 gekoppelt. Die zweite Gleichrichterschaltung 116 umfasst drei SCRs 174, 176, 178 und drei Dioden 186, 188, 190. Die SCRs 174, 176, 178 sind so konfiguriert, dass sie entsprechende Triggersignale vom Regulator 106 empfangen. Das Triggersignal schaltet bevorzugt den SCR an oder aus, wodurch die Leitung des SCR und die Gleichrichtung der Wechselstromphasenspannung der zweiten Statorwicklung 112 kontrolliert werden. Auf diese Weise kontrolliert der Regulator 106 den Strom der zweiten Batterie 120 und so auch die Ausgangsspannung V_B der zweiten Batterie. Der Regulator 106 kontrolliert bevorzugt die Triggersignale an den Stiften QQ, RR und SS an den SCRs 174, 178, 178 der zweiten Gleichrichterschaltung 116 via ein zweites intern generiertes Kontrollsignal 164 (in der 5 gezeigt). Das zweite Kontrollsignal 164 kann entweder ein analoges oder ein digitales Kontrollsignal in Abhängigkeit von der Ausführungsform des verwendeten Regulators 106 sein.
Jede der Wechselstrom-Phasen-Spannungen der ersten Statorwicklung 110 wird an den jeweiligen Stiften HH, II und JJ in den Regulator 106 eingeleitet. Die Wechselstrom-Phasen-Spannungs-Ausgänge der ersten Statorwicklung 110 sind an einen entsprechenden geschalteten Gleichrichter der ersten Gleichrichterschaltung 114 gekoppelt. Die erste Gleichrichterschaltung 114 umfasst drei SCRs 168, 170, 172 und drei Dioden 180, 182, 184. Die SCRs 168, 170, 172 sind so konfiguriert, dass sie entsprechende Triggersignale vom Regulator 106 empfangen. Das Triggersignal schaltet bevorzugt den SCR an oder aus, wodurch die Leitung des SCR und die Gleichrichtung der Wechselstromphasenspannung der ersten Statorwicklung 110 kontrolliert werden. Auf diese Weise kontrolliert der Regulator 106 den Strom zur ersten Batterie 118 und so auch die Ausgangsspannung V_A der ersten Batterie. Der Regulator 106 kontrolliert bevorzugt die Triggersignale an den Stiften NN, OO und PP an den SCRs 168, 170, 172 der ersten Gleichrichterschaltung 114 via ein drittes intern generiertes Kontrollsignal 166 (in der 5 gezeigt). Das dritte Kontrollsignal 166 kann entweder ein analoges oder ein digitales Kontrollsignal in Abhängigkeit von der Ausführungsform des verwendeten Regulators 106 sein.
5 stellt ein Blockdiagramm einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform des Regulators 106 bereit, der entsprechend dieser Erfindung funktioniert. Der Regulator 106 umfasst einen Mikrocontroller 160, eine Feldantriebstransistorschaltung 130, eine erste SCR-Kontrolle und eine Wechselstromspannungs-Fühlerschaltung 134, eine zweite SCR-Kontrolle und eine Wechselstromspannungs-Fühlerschaltung 132, eine Temperaturfühler schaltung 138, eine V_A-Spannungsfühlerschaltung 140, eine Spannungsversorgungs-V_DD-Regelschaltung 142, eine V_B-Regelungs- und Spannungsfühlerschaltung 136 und einen Diagnose-LED-Schaltung 144.
Der Mikrocontroller 160 des Regulators führt eine Reihe von Softwareroutinen mit einer Geschwindigkeit aus, die durch das von einem Taktgeber generierten Taktsignal bestimmt wird. Der Mikrocontroller 160 umfasst einen digitalen Signalprozessor, einen Analog-Digital-Wandler und geeignete Speicher. Es können eine Vielzahl von Mikrocontrollern benutzt werden. Der von Motorola als Teil Nr. MC 68HC11 angebotene Mikrocontroller hat sich als geeignet erwiesen.
Der Regulator 106 wie er in der 5 dargestellt worden ist, ist für die Benutzung mit dem auf der 4 gezeigten Wechselstromgenerator 100 angepasst worden. Die Anschlussstifte sind mit AA bis SS bezeichnet worden. Es gibt deshalb neunzehn auf dem Regulator 106 dargestellte Eingangs- und Ausgangsstifte, die dieselben sind wie in der 4. Drei der neunzehn Signale werden während des normalen Betriebs von dem gleichen Signal abgeleitet, so dass der Regulator 106 bevorzugt mit siebzehn Eingangs- oder Ausgangsstiften implementiert ist. Die neunzehn Signale und die neunzehn Stifte ebenso wie die Schaltungen des Regulators 106 werden wie folgt beschrieben:

AA (Eng-in) stellt das Einschaltsignal dar, das eine Inbetriebnahme des Regulators 106 und eine Initialisierung und Leistungsversorgung des Mikrocontrollers bewirkt. Das Einschaltsignal wird bevorzugt von der ersten Batterie 118 abgeleitet und durchquert eine Vielfalt von Kontrollschaltern (dargestellt als offener Schalter in der 4) bevor es am designierten Regulatorstift ankommt. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform hat die erste Batterie 118 einen Nominalwert von 28 Volt. Die erste Batterie 118 ist natürlich nicht auf diesen Wert begrenzt und andere Spannungen können benutzt werden. Der Zustand des Einschaltsignals kann durch einen Zündungsschalter (ZÜNDUNG in der 4) oder durch einen von einer Bedienungsperson kontrollierten Leistungsschalter gewählt werden. In anderen Ausführungsformen kann das Einschaltsignal von einer zweiten Batterie 120 oder von einer von der ersten und zweiten Batterie 118, 120 verschiedenen Leistungsquelle stammen. In einigen Anwendungen wird der Wechselstromgeneratorbetrieb automatisch angeschaltet und das Anschaltsignal wird generiert nachdem die Wechselstromgeneratorwelle sich zu drehen beginnt. In solchen Fällen befindet sich das Signal im Wechselstromgenerator und Regulator 106 und es wird kein externes Signal bereitgestellt.
GG (Feld-Pos) stellt die Seite der Feldwicklung 108 dar, die anfänglich vom Einschaltsignal mit Leistung versorgt wird. In den 4 und 5 ist GG als ein Stift am Regulator 106 dargestellt. In anderen Ausführungsformen hat der Regulator 106 keinen Stift GG und die Feldwicklung 108 ist direkt an die Verbindung des Einschaltsignals (am Stift AA) ausserhalb des Regulators 106 angeschlossen.
BB (Apos-in) stellt die Spannung der ersten Batterie 118 dar, wie sie am Stift gemessen wird. Dieses Signal wird auch V_A-Spannungsfühler genannt. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform hat die erste Batterie 118 einen Nominalwert von 28 Volt. Dieses Signal ist identisch mit dem Einschaltsignal, außer dass dieses Signal bevorzugt direkt an die erste Batterie 118 ohne Einwirkung von Kontrollschaltern angeschlossen wird.
CC (Aneg-in) stellt die Erdungsreferenz der ersten Batterie 118 dar. Dieses Signal wird allgemein vom Regulator 106 als Erdungsreferenz für Spannungsmessungen (V_SS in 4) benutzt. Die Spannung vom Stift BB zum Stift CC ist die Spannung V_A der ersten Batterie 118.
DD (Bpos-in) stellt die Spannung der zweiten Batterie 120 dar, wie sie an diesem Stift gemessen worden ist. Dieses Signal wird auch V₃-Spannungsfühler genannt. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform hat die zweite Batterie 120 einen Nominalwert von 84 Volt.
EE (Bneg-in) stellt die Erdungsreferenz der zweiten Batterie 120 dar. Die Spannung vom Stift DD zum Stift EE ist die Spannung V_B der zweiten Batterie 120. Dieses Signal wird bevorzugt in der V_B-Regelung und in der Spannungsfühlerschaltung 136 als eine Erdungsreferenz für die V_B-Regelung benutzt. Bevorzugt ist dieses Signal elektrisch vom Signal V_SS (Aneg-in) am Stift CC isoliert. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform werden die Optoisolatoren oder Optokuppler benutzt, um die Erde der Spannung V_B am Stift EE von der Erde der Spannung V_A(V_SS) zu isolieren und die V_B-Regelung und die Spannungsfühlerschaltung 136 mit anderen Schaltungen des Regulators 106 zu koppeln. Wie es dem Fachmann bekannt ist, koppeln die Optoisolatoren die elektrischen Schaltungen ohne direkte Verdrahtungsanschlüsse. Selten reagiert ein Photodetektor auf einer Seite der Vorrichtung auf Licht von einer Lichtquelle auf der anderen Seite der Vorrichtung. Eine typische Grenze auf der von einem Optoisolator bereitgestellten Isolierung ist die 1500 Volt-Spitze (1060 V rms).
FF (Field-neg) stellt die geschaltete Seite der Feldwicklung 108 dar, die vom Regulator 106 via das erste Kontrollsignal 162 und die Feldantriebstransistorschaltung 130 kontrolliert wird, um die Feldwicklung 108 zu erregen.
HH, II, JJ (Phasenspannungen A) stellt die Dreiphasen-Wechselstromspannungen der ersten Statorwicklung 110 dar. Diese Signale werden in die erste SCR-Kontrolle und Wechselstromspannungsschaltung 134 eingegeben. In einigen Ausführungsformen des Regulators 106 werden die Wechselstromphasenspannung der ersten Statorwicklung 110 benutzt, um die Geschwindigkeit der Antriebswelle des Wechselstromgenerators 100 abzuleiten.
KK, LL, MM (Phasenspannungen B) stellt die Dreiphasenwechselstromspannungen der zweiten Statorwicklungen 112 dar. Diese Signale werden in die zweite SCR-Kontrolle und Wechselstromspannungsschaltung 132 eingegeben. In einigen Ausführungsformen des Regulators 106 werden die Wechselstromphasenspannungen der zweiten Statorwicklung 110 benutzt, um die Geschwindigkeit der Antriebswelle des Generators 100 abzuleiten.
NN, OO, PP (Kontroll-/Triggersignal für SCRs) stellt die drei Kontroll- oder Triggersignalausgänge von der ersten SCR-Kontrollschaltung 134 zu den Kontroll- oder Triggereingängen der jeweiligen SCRs 168, 170, 172 dar. Die Kontrollsignale werden vom Regulator 106 via das dritte Kontrollsignal 166 und die erste SCR-Kontrollschaltung 134 kontrolliert und sind bevorzugt elektrisch von den Kontroll- oder Triggersignalen an den Stiften QQ, RR und SS isoliert.
QQ, RR, SS (Kontroll-/Triggersignal für SCRs) stellt die drei Kontroll- oder Triggersignalausgänge von der zweiten SCR-Kontrollschaltung 132 zu den Kontroll- oder Triggereingängen der jeweiligen SCRs 174, 176, 178 dar. Die Kontrollsignale werden vom Regulator 106 via das zweite Kontrollsignal 164 und die erste SCR-Kontrollschaltung 134 kontrolliert und sind bevorzugt elektrisch von den Kontroll- oder Triggersignalen an den Stiften NN, OO, PP isoliert.

LED-Diagnose-Schaltung 144:
Eine dreifarbige Diagnose-LED, die an den Regulator 106 montiert und an den Mikrocontroller 160 gekoppelt ist, empfängt Befehle vom Mikrocontroller 160, dass was dem Block 270 des Flussdiagramms in der 6 entspricht. Die Funktion der LED-Diagnose-Schaltung 144 wird ausführlicher unten unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben.
Temperaturfühlerschaltung 138:
Diese Schaltung 138 generiert eine analoge Spannung, die proportional zur Umgebungstemperatur ist, wie sie von einem Temperaturfühler gemessen worden ist, der aus Annehmlichkeitsgründen im Gehäuse des Regulators 106 eingeschlossen ist. Es kann eine geeignete auf die Temperatur reagierende Vorrichtung entfernt montiert werden, wenn eine Verdrahtung für das Temperatursignal bereitgestellt wird. Andere Ausführungsformen des Regulators 106 umfassen Temperatursensoren für andere Parameter wie die Statorwicklungstemperatur, die Magnetspulentemperatur und die Lagertemperatur.
Feldantriebstransistorschaltung 130:
Der Mikrocontroller 160 generiert ein erstes Kontrollsignal 162 für die Feldantriebstransistorschaltung 130, die den Stromfluss durch die Feldwicklung 108 der 4 kontrolliert. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform schaltet das erste Kontrollsignal 162 eine Pufferstufe der MOSFETs, die ihrerseits eine Feldstufe der MOSFETs schaltet, um den Strom durch die Feldwicklung 108 am Stift FF zu kontrollieren. Es sind natürlich andere Implementierungen möglich und die Feldantriebstransistorschaltung 130 ist nicht auf diese bevorzugte Ausführungsform begrenzt.
Spannungsversorgungs-V_DD-Regulatorschaltung 142:
Das Anschaltsignal (bevorzugt Spannung V_A), das bevorzugt auf den von einer Bedienperson kontrollierten Zündschalter (gezeigt in der 4) reagiert, tritt nach der Pufferung in die Schaltung ein und generiert eine Versorgungsspannung V_DD, um den Mikrocontroller 160 und den Regulator 106 mit Leistung zu versorgen. Die Versorgungsspannung V_DD beträgt bevorzugt fünf (5) Volt, ist jedoch nicht auf diesen Wert begrenzt. Der Wert von V_DD hängt allgemein von der vom Mikrocontroller 160 benötigten Versorgungsspannung ab. Ausserdem stellt die Schaltung 142 bevorzugt eine Reset-Eingabe für den Mikrocontroller 160 zur Verfügung, die als Sicherheitssignal wirkt, um Spannung zum Abschalten des Mikrocontrollers 160 zur Verfügung zu stellen.
Erste SCR-Kontroll- und Wechselstromspannungsfühlerschaltung 134:
Der Mikrocontroller 160 generiert ein drittes Kontrollsignal 166 für die erste SCR-Kontrollschaltung 134, die die Kontroll- oder Triggersignale für die SCRs 168, 170, 172 der ersten Gleichrichterschaltung 114 der 4 kontrolliert. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform wird das durch Anlegen des dritten Kontrollsignals 166 an die Basis eines bipolaren Flächentransistors (BJT) erreicht. Wenn der bipolare Flächentransistor in Antwort auf das dritte Kontrollsignal 166 an- und ausgeschaltet wird, schaltet der bipolare Flächentransistor gewissermaßen die Kontroll- oder Triggereingänge von jedem der drei SCRs der ersten Gleichrichterschaltung 114 der 4 via drei entsprechende Optoisolatoren um.
Die Optoisolatoren dienen dazu, Teile der Schaltung des Regulators 106 von den Wechselstromphasenspannungen und den Ausgangsspannungen und indirekt die Ausgangsspannungen V_A und V_B voneinander zu isolieren.
Zweite SCR-Kontroll- und Wechselstromspannungsfühlerschaltung 132:
Der Mikrocontroller 160 generiert ein zweites Kontrollsignal 164 für die zweite SCR-Kontrollschaltung 132, die die Kontroll- oder Triggersignale für die SCRs 174, 176, 178 der zweiten Gleichrichterschaltung 116 der 4 kontrolliert. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform wird das durch Anlegen des zweiten Kontrollsignals 164 an die Basis eines bipolaren Flächentransistors (BJT) erreicht. Wenn der bipolare Flächentransistor in Antwort auf das dritte Kontrollsignal 166 an- und ausgeschaltet wird, schaltet der bipolare Flächentransistor gewissermaßen die Kontroll- oder Triggereingänge von jedem der drei SCRs des zweiten Gleichrichterschaltung 116 der 4 via drei entsprechende Optoisolatoren um. Die Optoisolatoren dienen dazu, Teile der Schaltung des Regulators 106 von den Wechselstromphasenspannungen und den Ausgangsspannungen und indirekt die Ausgangsspannungen V_A und V_B voneinander zu isolieren.
Spannungs(V_A)-Fühlerschaltung 140:
Während des normalen Betriebs erscheint die Spannung V_A der ersten Batterie 118 als Spannungs(V_A)-Fühlersignal am Stift BB, das von Kondensatoren und Widerständen und eine Zener-Diode an der Spannungs(V_A)-Fühlerschaltung 140 gepuffert wird, um den Regulator 106 von hohen Überspannungen zu schützen. In Abhängigkeit vom Ergebnis eines Vergleichs des Spannungs(V_A)-Fühlersignals mit dem Schwellenwert V_AREF, stellt der Mikrocontroller 160 der ersten SCR-Kontrollschaltung 134 das dritte Kontrollsignal 166 zur Verfügung.
V_B-Regelungs- und Spannungsfühlerschaltung 136:
Die V_B-Regelungs- und Spannungsfühlerschaltung 136 funktioniert als Spannungssensor und -monitor für die Spannung V_B, der vom Mikrocontroller getrennt ist. Bevorzugt reagiert der Mikrocontroller 160 nicht direkt auf den Wert der V_B-Spannung sondern auf ein Hilfssignal, das als eine indirekte Angabe dient, dass die Spannung V_B die Spannungsschwelle V_BREF übersteigt oder unter ihr liegt. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform werden Optoisolatoren benutzt, um die Schaltung 136 von anderen Schaltungen im Regulator 106 zu isolieren und eine elektrische Isolation der Ausgänge V_A und V_B zur Verfügung zu stellen. Das Anschaltsignal schaltet die V_B-Regulatorschaltung 136 via einen Optoisolator an oder aktiviert sie. Eine Zenerdiode wird als Spannungsreferenz für die Spannung V_B benutzt und ein Komparator generiert das Hilfssignal via einen anderen Optoisolator. Der Mikrocontroller 160 liest das Proxysignal, das bevorzugt einen Wert von entweder V_DD (bevorzugt fünf Volt) oder von V_SS (bevorzugt Null Volt) aufweist. Das Hilfssignal gibt an, ob die am Stift DD gelesene Spannung VB und die am Stift EE referenzierte Erde die in der V_B-Regulations- und Spannungsfühlerspannung 136 interne Schwellenspannung V_BREF überschreitet. Das Hilfssignal kann natürlich andere Werte annehmen und es können natürlich andere Mechanismen benutzt werden, um die Spannung V_B zu lesen und die Spannung V_B mit der Referenz- oder Schwellenspannung V_BREF entweder direkt oder indirekt in Bezug auf den Mikrocontroller 160 zu vergleichen.
Die V_B-Überwachungsfunktion der V_B-Regelungs- und Spannungsfühlerschaltung 136 umfasst bevorzugt ein Totbereich. Wenn die gemessene Spannung VB sich über einem gewissen Wert X (85 Volt und darüber, z.B.) befindet, dann gibt das Hilfssignal dem Mikrocontroller 160 an, dass die Spannung V_B hoch ist. Wenn die gemessene Spannung V_B sich unter gewissem Wert Y (83 Volt und darunter, z.B.) befindet, dann gibt das Hilfssignal dem Mikrocontroller 160 an, dass die Spannung V_B niedrig ist. Diese Grenzwerte verleihen eine erwünschte Hysterese. Da die Spannung V_B relativ gross ist (84 Volt in einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform), ist plus oder minus ein Volt (z.B.) keine vom Referenz- oder Schwellenwert V_BREF unterscheidbare unakzeptable Größe für die regulierte Spannung V_B. Man sollte jedoch verstehen, dass diese Werte Beispiele sind und der Todbereich nicht auf diese Grenzwerte begrenzt ist. Die Grenzwerte unterscheiden sich im allgemeinen von diesen beispielhaften Werten in Abhängigkeit davon, welche Variationsgrösse der regulierten Spannung V_B in einer gegeben Anwendung toleriert wird.
Die 6 ist ein Flussdiagramm 200 der gesamten Programmsoftware für den Mikrocontroller 160 (in der 4 gezeigt) des Regulators 106 der 4 und 5. Die normale Betriebssequenz beginnt mit dem Auftreten des Anschaltsignals am Stift AA des Regulators 106 (durch den Block 202 dargestellt), was eine Initialisierung des Unterprogramms von Block 204 hervorruft. Ein Kalibrierungsentscheidungspunkt im Block 206 ist nur während einer werkseitigen Setup-Kalibrierungsprozedur aktiv und so werden bei normalem Betrieb die Blöcke 208 und 210 nicht ausgeführt und das Programm geht auf Block 212 über. Im Block 212 enthält der Anschaltzähler eine Zählung der Gesamtanzahl von Anschaltungen des Regulators 106. Der Bankzeiger steuert einen internen Speicher des Mikrocontrollers 160 im Block 214 an, der benutzt wird, um die während der entsprechenden Anschaltung vom Regulator 106 gemessene Maximaltemperatur zu speichern.
Im Block 216 wird die Temperatur von der Temperaturfühlerschaltung 138 gelesen und es wird ein Kompensationsfaktor berechnet, der in Block 218 als Temperaturkompensation auf die gespeicherten Grenzen angewendet wird. Die Temperaturkompensation wird bevorzugt auf die Referenzspannung V_AREF angewendet. Ein anderer Aspekt der Temperaturkompensation ist eine Anpassung der Abweichung zwischen der augenblicklichen Vor richtungstemperatur und dem Ort an dem der Temperatursender für die Gelegenheiten angeordnet ist, bei denen eine direkte Messung nicht praktisch ist.
In der vorliegend bevorzugten Ausführungsform ist die Spannungsreferenz V_BREF nicht vom Mikrocontroller 160 oder der Kontrolllogik temperaturkompensiert, da der Mikrocontroller 160 den Wert der Spannungsreferenz V_BREF nicht direkt empfängt oder überwacht. Die V_B-Regelungs- und Spannungsfühlerschaltung 136 stellt einen gewissen Grad an von der Benutzung der Zenerdiode herrührenden negativen Temperaturkompensation zur Verfügung und die Temperatur der Spannungsreferenz kann auf einer diskreten Komponentenbasis kontrolliert werden. Auf ähnliche Weise können andere Komponenten oder Kalibrierungen verwendet werden, um die Spannungsreferenz V_BREF entsprechend der Temperatur zu kompensieren. In anderen Ausführungsformen findet eine direkte Temperaturkompensierung der Spannungsreferenz V_BREF außerhalb des Mikrocontrollers statt. In anderen Ausführungsformen werden beide Spannungsreferenzen V_AREF und V_BREF direkt vom Mikrocontroller 160 gelesen, überwacht oder kontrolliert und können so auf ähnliche Weise temperaturkompensiert werden.
Im Block 220 wird das oben beschriebene Hilfssignal von der V_B-Regelungs- und Spannungsfühlerschaltung 136 gelesen. Das Proxysignal gibt an, ob die zwischen dem Stift DD und dem Erdereferenzstift EE gelesene Spannung V_B die der V_B-Regelungs- und Spannungsfühlerschaltung 136 interne Schwellenspannung V_BREF überschreitet. Das Hilfssignal kann natürlich andere Werte annehmen und es können natürlich andere Mechanismen benutzt werden, um die Spannung V_B zu lesen und die Spannung V_B mit der Referenz- oder Schwellenspannung V_BREF entweder direkt oder indirekt in Bezug auf den Mikrocontroller 160 zu vergleichen.
In Block 222 wird der V_A-Spannungsfühlereingang, der am Stift BB erscheint, nach der Pufferung durch die V_A-Spannungsfühlerschaltungsschaltung 140 gelesen.
Als Nächstes wird ein Unterprogrammblock 230 ausgeführt, um die im Block 222 gelesene Spannung V_A mit der programmierten, temperaturkompensierten Spannungsregulationseinstellung V_AREF zu vergleichen und das von V_B-Regelungs- und Spannungsfühler schaltung 136 eingelesene Hilfssignal im Block 220 zu verarbeiten und die folgenden drei Signale an oder auszuschalten:

1. Das erste Kontrollsignal 162 vom Mikrocontroller 160 für die Feldantriebstransistorschaltung 130, um die Feldwicklung 108 zu kontrollieren;
2. Das zweite Kontrollsignal 164 vom Mikrocontroller 160 für die zweite SCR-Kontrollschaltung 132 um die SCRs 174, 176, 178 zu kontrollieren:
3. Das dritte Kontrollsignal 166 vom Mikrocontroller 160 für die erste SCR-Kontrollschaltung 134 um die SCRs 168, 170, 172 zu kontrollieren.

Der Unterprogrammblock 230 wird ausführlicher unten unter Bezugnahme auf die 7 beschrieben.
Im Block 260 wird ein Verbindungsherstellungsvorgang ausgeführt, um den Betrieb der Feldwicklung 108 der 4 zu überprüfen. Wenn die Feldwicklung 108 als ausgeschaltet gilt oder umgekehrt, wird die Information der Diagnose-LED-Schaltung 144 vom Mikrocontroller 160 präsentiert.
Der Block 270 kontrolliert die in der Diagnose-LED-Schaltung 144 enthaltene dreifarbige Diagnose LED. Der Wechselstromgenerator 100 benutzt während des normalen Betriebs zwei Signale, um die jeweilige Spannung V_B oder V_A zu erhöhen. Das erste Signal 162 wird zur Feldwicklung 108 und das entsprechende zweite und dritte Kontrollsignal 164, 166 wird zu den geeigneten SCRs der ersten und zweiten Gleichrichterschaltung 114, 116 gesendet. Bei Auftreten eines Fehlers wie einem kurzgeschlossenen Feldtransistor oder einem kurzgeschlossenen SCR kann die entsprechende Spannung V_A oder V_B ohne Kontrolle zunehmen. Aus diesem Grund umfasst das Mikrocontroller 160 -Programm bevorzugt eine Logik zum Schutz des Wechselstromgenerator 100 vor einer Überspannung.
Wenn der Mikrocontroller 160 in einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform länger als 3 Sekunden eine konstant hohe Spannung V_A (z.B. 31 Volt in Bezug auf einen Referenzwert von 28 Volt) misst, wird der Mikrocontroller 160 das erste, zweite und dritte Kontrollsignal 162, 164, 166 ausschalten und diesen logischen Zustand aufrechterhalten bis das Anschaltsignal wieder regeneriert wird.
Wenn der Mikrocontroller 160 in einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform versucht, die SCRs der zweiten Gleichrichterschaltung 116 auszuschalten, indem länger als 3 Sekunden ein Aus-Signal am zweiten Kontrollsignal 164 erzeugt wird, wird der Mikrocontroller 160 das erste, zweite und dritte Kontrollsignal 162, 164, 166 ausschalten und diesen logischen Zustand aufrechterhalten bis das Anschaltsignal wieder regeneriert wird.
Die dreifarbige Diagnose-LED analysiert die Leistung des Wechselstromgenerator 100 entsprechend der folgenden vorliegenden bevorzugten Anzeigemodi:

Blinkendes Grünn: die beiden Spannungen V_A und V_B haben ihre jeweiligen regulierten Einstellungen oder Schwellenwerte und der Betrieb ist unter Kontrolle.
Blinkendes Gelb: Entweder die Spannung V_A oder die Spannung V_B liegt unter ihrer jeweiligen regulierten Einstellung oder ihrem jeweiligen Schwellenwert. Der Wechselstromgenerator 100 produziert entweder keine Leistung oder die Schaltung ist überladen.
Blinkendes Rot: Entweder die Spannung V_A oder die Spannung VB liegt über ihrer jeweiligen regulierten Einstellung oder ihrem jeweiligen Schwellenwert. Diese Situation kann abwechselnd bei Hochspannungsüberlastungen oder einem Systemfehler auftreten.
Konstantes Gelb: Der Wechselstromgenerator 100 ist außer Betrieb und produziert wegen der andauernden bei V_A erfassten Überspannung (der oben beschriebene V_A-Überspannungsschutz) weder bei der Spannung V_A noch bei der Spannung VB Leistung. Der Regulator 106 bleibt in diesem Modus bis das Anschaltsignal wieder regeneriert ist.
Konstantes Rot: Der Wechselstromgenerator 100 ist außer Betrieb und produziert wegen der andauernden bei V_B erfassten Überspannung (der oben beschriebene V_B-Überspannungsschutz) weder bei der Spannung V_A noch bei der Spannung V_B Leistung. Das kann z.B. auftreten, wenn die zweite Batterie 120 bei VB ausgekuppelt ist. Der Generator 106 bleibt in diesem Modus bis das Anschaltsignal weder regeneriert ist.
Schnell blinkendes Gelb: In diesem Modus ist die redundante Kontrolle durch den Regler 106 verloren gegangen. Der Wechselstromgenerator 100 sollte so bald wie möglich auf einen Fehler im System untersucht werden. Die Spannung V_B wird weiter geladen, aber die Spannung V_A wird auf eine niedrigere regulierte Spannung fallen (26 Volt falls V_A nominal 28 V ist), um eine Bedienungsperson vor einer fehlerhaften Funktion der Kontrolle zu warnen. Der Regulator 106 bleibt in diesem Modus bis das Anschaltsignal wieder regeneriert ist.
Schnell blinkendes Rot: In diesem Modus ist die Kontrolle des Wechselstromgenerator 100 durch den Generator 106 verloren gegangen und die Spannungen V_A oder VB können unkontrolliert ansteigen. Die Ausgangsleistungsanschlüsse des Wechselstromgenerator 100 sollten unverzüglich ausgekuppelt werden.

Der Block 290 wird angewendet, wenn ein Kommunikationsport (nicht gezeigt) aktiv ist, um Information vom Wechselstromgenerator 100 entweder vom Überwachungs- oder Systemkontrollmodul zu senden. Der Kommunikationsport kann Zustände senden und empfangen, oder er kann Befehle senden oder empfangen, um einen überwachten Parameter zu ändern. Eine typische Statusinformation umfasst bevorzugt die bei gegebener Achsengeschwindigkeit als Prozentsatz der maximalen Ausgangsleistung, Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, Wellengeschwindigkeit, Temperatur, Effizienz, Eingangsleistung und Ausgangsleistung. Eine externe Kontrolleinheit kann diese Information benutzen, um die Achsengeschwindigkeit zu regulieren oder um die angelegten elektrischen Ladungen, die den Wechselstromleistungsbedarf beeinflussen, zu kontrollieren. Die Kommunikationseingangssignale können benutzt werden, um programmierte Grenzen zu ändern. Die Wellengeschwindigkeitsinformation kann z.B. als Teil einer Geschwindigkeits-Steuer-Schaltung in einer Hilfsleistungseinheit benutzt werden, die den Wechselstromgenerator an einen zugeordneten Motor koppeln, und die gesteuerte Geschwindigkeit hängt vom benutzten Alternatormodell und Motortyp ab. Programmierte Grenzen sind auf spezifische Wechselstromgeneratormodelle zugeschnitten. Während der Kalibrierung werden regulierte Spannungseinstellungen genau für jeden einzelnen Wechselstromgenerator ausgeführt.
Die 7 beschreibt ausführlich den Betrieb des in Block 230 der 6 ausgeführten Unterprogramms. Der Block 232 stellt den Anfang des Blocks 230 dar. Der Block 234 ist ein Entscheidungspunkt, der bestimmt, ob der Wert von V_B in Bezug auf die Referenzspannung V_BREF hoch ist. Wenn die Spannung V_B hoch ist, wird der Block 236 ausgeführt. Der Block 236 ist ein Entscheidungspunkt, der bestimmt ob der Wert von V_A in Bezug auf die Referenzspannung V_AREF hoch ist. Wenn die Spannung V_A hoch ist, wird der Block 238 ausgeführt. Der Block 238 ist ein Befehl zum Abschalten der Feldwicklung 108 und zum Abschalten der SCRs 174, 176, 178 der zweiten Gleichrichterschaltung 116. Der Block 240 stellt einen Verzug dar, der der Ausführung des Befehls im Block 238 folgt. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform beträgt die Verzögerung von Block 240 vier Millisekunden (ms) in der Länge. Die Verzögerung kann natürlich auf andere Werte eingestellt werden.
Bei der Rückkehr zum Entscheidungspunkt im Block 236 wird der Block 244 ausgeführt, wenn die Spannung V_B hoch und die Spannung V_A nicht hoch ist. Der Block 244 ist ein Befehl zum Abschalten der SCRs 174, 176, 178 der zweiten Gleichrichterschaltung 116. Der Block 240 stellt den Verzug dar, der der Ausführung des Befehls im Block 244 folgt.
Bei der Rückkehr zum Entscheidungspunkt im Block 234 wird der Block 242 ausgeführt, wenn die Spannung V_B nicht hoch ist. Der Block 242 ist ein Befehl zum Abschalten der Feldwicklung 108 und zum Abschalten der SCRs 174, 176, 178 der zweiten Gleichrichterschaltung 116. Der Block 240 stellt den Verzug dar, der der Ausführung des Befehls im Block 242 folgt.
Der Verzögerung im Block 240 folgend, ist der Block 234 ein Entscheidungspunkt, der bestimmt ob der Wert von V_A in Bezug auf die Referenzspannung V_AREF hoch ist. Wenn die Spannung V_A hoch ist, wird der Block 248 ausgeführt. Der Block 248 ist ein Entscheidungspunkt, der bestimmt ob der Wert von VB in Bezug auf die Referenzspannung V_BREF hoch ist. Wenn die Spannung V_B hoch ist, wird der Block 250 ausgeführt. Der Block 250 ist ein Befehl zum Abschalten der Feldwicklung 108 und zum Abschalten der SCRs 168, 170, 172 der ersten Gleichrichterschaltung 114. Der Block 252 stellt einen Verzug dar, der der Ausführung des Befehls im Block 250 folgt. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform beträgt die Verzögerung von Block 252 vier Millisekunden (ms) in der Länge. Die Verzögerung kann natürlich auf andere Werte als auf diesen beispielhaften Wert eingestellt werden. Obwohl in diesem Beispiel die Verzögerung des Blocks 252 gleich der Verzögerung des Blocks 240 ist, braucht das nicht der Fall zu sein und die Verzögerungszeiten können sich voneinander unterscheiden, wie es bei anderen Implementierungen des im Block 230 ausgeführten Unterprogramms gewünscht wird.
Bei der Rückkehr zum Entscheidungspunkt im Block 248 wird der Block 258 ausgeführt, wenn die Spannung V_B nicht hoch ist. Der Block 258 ist ein Befehl zum Abschalten der SCRs 168, 170, 172 der ersten Gleichrichterschaltung 114. Der Block 252 stellt den Verzug dar, der der Ausführung des Befehls im Block 258 folgt.
Bei der Rückkehr zum Entscheidungspunkt im Block 246 wird der Block 256 ausgeführt, wenn die Spannung V_A nicht hoch ist. Der Block 256 ist ein Befehl zum Abschalten der Feldwicklung 108 und zum Abschalten der SCRs 168, 170, 172 der ersten Gleichrichterschaltung 114. Der Block 252 stellt den Verzug dar, der der Ausführung des Befehls im Block 256 folgt.
Wie oben beschrieben wird die Feldwicklung 108 mit dem ersten Kontrollsignal 162 (vom Mikrocontroller 160) ausgeführt, das in den Block der Feldantriebstransistoren 130 der 4 eingeführt ist. Die SCRs 168, 170, 172 der ersten Gleichrichterschaltung 114 werden mit dem dritten Kontrollsignal 166 kontrolliert, das in die erste SCR-Kontrollschaltung 134 der 4 eingeführt ist. Die SCRs 174, 176, 178 der zweiten Gleichrichterschaltung 116 werden mit dem zweiten Kontrollsignal 164 kontrolliert, das in die zweite SCR-Kontrollschaltung 132 der 4 eingeführt ist.
Das Grundprinzip der Verzögerungszeit in den Blöcken 240 und 252 ist es, die aktuelle Schaltung der Feldwicklung 108 zu verzögern. Ohne Verzögerung würde der Unterprogrammblock 230 hinreichend schnell ausgeführt werden und die ganze Flussdiagrammschleife würde sehr schnell durchlaufen. Der Unterprogrammblock 230 würde z.B. in weniger als einer Millisekunde ausgeführt werden. Das würde zu einer schnellen EIN-AUS-Schaltung der Feldwicklung führen, was unerwünscht ist da die Komponenten, wie die geschalteten Transistoren der Feldantriebstransistorschaltung 130 des Regulators 106 sich erhitzen können und die Leistung des Regulators 106 und der Feldwicklung 108 bedroht wird. Allgemeiner werden einige Komponenten des Regulators 106 unnötigerweise überlastet werden. Die Verzögerung der aktuellen Schaltung der Feldwicklung 108 durch Einführung von Verzögerungen in den Unterprogrammblock 230 verzögert wirksam die Ausführung des ganzen Flussdiagramms. Bevorzugt werden die Verzögerungszeiten so gewählt, dass die Regulatorkontrolle 106 der Ausgangsspannungen V_A und VB und der Feldwicklung 108 nicht beeinflusst wird während eine Überlastung der Schaltkomponenten des Regulators 106 begrenzt wird. Obwohl jede beliebige Verzögerungszeit für die Erreichung dieser Ziele benutzt werden kann, können kombinierte Zeiten für die Verzögerungsblöcke zusammen mit sechs bis zwanzig Millisekunden (ms) geeignet gefunden worden. In der vorliegend bevorzugten Ausführungsform ist jedem Verzögerungsblock 240 und 252 ein Verzögerungszeitwert von vier Millisekunden (ms) zugeordnet worden. Als Alternative kann anstatt der offenbarten Verzögerungen ein durch Unterbrechung betriebenes System benutzt werden.
Es ist natürlich verständlich, dass die Feldwicklung 108 der 1 und 4 auf verschiedene Arten kontrolliert werden kann. Das erste Kontrollsignal 162 der 4 schaltet im allgemeinen den Strom, der durch die Feldwicklung 108 fliesst, an oder aus. In anderen Ausführungsformen kann die Erregung des Stroms der Feldwicklung 108 inkrementweise erhöht und gesenkt werden. In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform wird die Feldwicklung 108 durch den Unterprogrammblock 230 der 6 und 7 kontrolliert und auf eine korrekte Funktion im Block 260 geprüft. Auf diese Weise kann die Feldwicklung 108 jedesmal gewechselt werden wenn die Kontrollschleife der 6 ausgeführt wird. In anderen Ausführungsformen kann ein durch Unterbrechung betriebenes System benutzt werden, um den Wert des Stroms zu überprüfen und daraufhin einen Befehl einzuführen, der den Strom durch die Feldwicklung 108 kontrolliert. In einer anderen Ausführungsform wird die Feldwicklung 108 in Reaktion auf einen Zündschalter angeschaltet und bleibt unbegrenzt angeschaltet.
Es kann für andere Zwecke vorteilhaft sein, den Strom der Feldwicklung 108 auf unterschiedliche, aber komplementäre Weise in Bezug auf die in dem Unterprogrammblock 230 beschriebenen Weise zu variieren. Es kann z.B. in gewissen Anwendungen ein Feldwicklungsstrom 108, der einen vorgeschriebenen Arbeitszyklus aufweist benutzt werden. In einer anderen Ausführungsform wird der Feldstrom AN-, AUS- oder via die Feldan triebstransistorschaltung 130 für ein festes Intervall AN- geschaltet, das vom Ergebnis der zwei getrennten Vergleiche abhängt, das für Regulationszwecke benutzt wird:

1. ein Vergleich einer Stromausgangsschaltung, die sich auf eine Spannungsregulationseinstellung (wie im Unterprogramm des Blocks 230) bezieht;
2. ein Vergleich einer Stromausgangsschaltung die sich auf eine programmierte Stromgrenze bezieht. Der Regulator 106 kann einen Mittlungsfeldschaltungskreis (nicht auf der 5 gezeigt) aufweisen, um eine Spannung zu produzieren, die proportional zu der Zeit in einer Periode ist, während der die Feldwicklung 108 Strom leitet (z.B. Arbeitszyklus).

Ein vorliegend bevorzugtes Verfahren zur Regulation des Wechselstromgenerators 100 umfasst folgendes:
Der Regulator 106 erhöht den Strom durch die Feldwicklung 108, wenn entweder die erste oder die zweite Ausgangspannung V_A, V_B unter die entsprechende Schwelle V_AREF, V_BREF fällt.
Der Regulator 106 senkt den Strom durch die Feldquelle 108 wenn (1) die erste Ausgangsspannung V_A die erste Schwelle V_AREF überschreitet und (2) die zweite Schwelle Ausgangsspannung V_B die zweite Schwelle V_BREF überschreitet. Das heisst, wenn die erste und die zweite Ausgangsspannung V_A, V_B beide die jeweilige Schwelle V_AREF, V_BREF überschreiten, senkt der Regulator 106 den Strom durch die Feldquelle 108.
Der Regulator 106 kontrolliert die erste Gleichrichterschaltung 114, um Strom zwischen der ersten Leistung generierenden Wicklung 110 und dem ersten Ausgang 126 zu leiten, wenn die erste Ausgangsspannung V_A unter die erste Schwelle V_AREF fällt.
Der Regulator 106 kontrolliert die zweite Gleichrichterschaltung 116, um Strom zwischen der zweiten Leistung generierenden Wicklung 112 und dem zweiten Ausgang 128 zu leiten, wenn die zweite Ausgangsspannung V_B unter die zweite Schwelle V_BREF fällt.
Der Regulator 106 unterbricht den Strom zwischen der ersten Leistung generierenden Wicklung 110 und dem ersten Ausgang 126 wenn die erste Ausgangsspannung V_A die erste Schwelle V_AREF übersteigt.
Der Regulator 106 unterbricht den Strom zwischen der zweiten Leistung generierenden Wicklung 112 und dem Ausgang 128, wenn die zweite Ausgangsspannung V_B die zweite Schwelle V_BREF übersteigt.
Der oben beschriebene Wechselstromgenerator 100 bietet eine Anzahl von wichtigen Vorteilen. Der Regulator 106 kontrolliert die Leistung an mehreren Ausgängen, indem eine Feldquelle wie eine Feldwicklung kontrolliert und die Gleichschaltung an jedem Ausgang geschaltet wird. Die Wechselstromgeneratorausgänge und die Leistung generierenden Wicklungen sind elektrisch unabhängig und voneinander isoliert. Das physikalische Layout und die strukturelle Konfiguration der Elemente des Wechselstromgenerators 100 wie die Statorwicklungen, die Feldwicklung und die Rotoren in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Antriebswelle haben ebenfalls Auswirkungen. Die axial getrennten und elektrisch isolierten Statorwicklungen, die keine gemeinsame Erde benutzen, können z.B. individuell auf die Leistung bei verschiedenen Betriebs-Geschwindigkeiten- und -Spannungen optimiert werden, wobei unerwünschte Kopplungseffekte reduziert werden. Man sollte verstehen, dass jede oben beschriebene Funktion oder Struktur ebenso wie jeder durch jede oben beschriebene Funktion oder Struktur erreichter Vorteil getrennt in einer Vielzahl von Ausführungsformen getrennt benutzt, ausgeführt oder implementiert werden kann. Die Regulationsverfahren und Regulationsfunktionen können z.B. Ausgänge oder Elemente wie Wicklungen kontrollieren, die nicht elektrisch isoliert sind, eine gemeinsame Erde benutzen, oder nicht jederzeit unabhängig voneinander sind. Als anderes Beispiel kann ein Permanentmagnet als Feldquelle 108 benutzt und jederzeit während des Normalbetriebs angeschaltet werden. Die Ausgangsspannungen können ohne regelmäßiges An- oder Aus-Schalten des Permanentmagneten, aber selten durch alleinige Kontrolle von geschalteten Gleichrichtern reguliert werden.
Das am 22. Juni 1999 eingereichte US-Patent Nr. 6,184,661 beschreibt eine Ausführungsform eines einzigen Spannungs-Wechselstromgenerator-Regulators, der sowohl die Ausgangsspannung als auch den Ausgangsstrom kontrolliert, die Eingangsantriebsleistung und das Eingangsantriebsdrehmoment begrenzt, und die Ausgangsleistung in einem vorgeschrieben Bereich während des Betriebs in einem weiten Umgangstemperaturbereich und einem weiten Geschwindigkeitsbereich aufrechterhält. Spannungs-, Achsengeschwindigkeits- und Temperatursignale werden überwacht und die Ergebnisse werden verarbeitet, um den Ausgangsstrom zu bestimmen und die Ausgangsleistung zu kontrollieren, ohne die programmierten Grenzen für Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, Temperatur Ausgangsleistung, Antriebsleistung, Drehmoment und Wellengeschwindigkeit zu überschreiten. Die Ausführungsform stellt ein vorhersehbares Ausgangsleistungskennzeichen für den Wechselstromgenerator bereit und eliminiert eine hohe Eingangsantriebsleistung und Drehmomentabweichungen die bei geringer Temperatur und gewissen Achsengeschwindigkeiten auftreten. Wenn die programmierten Grenzen über ein spezifisches Intervall hinaus überschritten werden und der Wechselstromgenerator nicht auf die durch den Regulator auferlegten Kontrollenänderungen reagiert, schaltet der Regulator den Feldstrom des Wechselstromgenerators aus, aktiviert eine Alarmschaltung und stellt einen Fehlercode ein. Der Regulator ist also in der Lage, mit anderen Kontrollsystemen zu kommunizieren, um den Status bereitzustellen, den Bedarf zu spezifizieren und auf Anfragen zu antworten.
In anderen Ausführungsformen kann der Regulator auch programmierte Grenzen für die Temperatur, die Ausgangsleistung, die Effizienz, den Prozentsatz der nominalen Ausgangskapazität und die Wellengeschwindigkeit speichern. Solche Variationen können Kontrolleinheiten für die Kontrolle des Wechselstromgeneratorfeldstroms umfassen, um den Wechselstromgeneratorbetrieb in diesen Programmgrenzen für einen oder mehrere dieser Parameter, entweder alleine oder in Kombination mit den Parametern, die benutzt werden, um den Feldstrom in der bevorzugten im am 22. Juni 1999 eingereichten US-Patent Nr. 6,184,661 beschriebenen Ausführungsform aufrechtzuerhalten. Der Regulator 106 kann eine verallgemeinerte Ausweitung der Ausführungsformen des individuellen Spannungs-Wechselstromgenerator-Regulators des am 22. Juni 1999 eingereichten US-Patents Nr. 6,184,661 sein und die oben aufgelisteten Funktionen ausführen, umfassend die Kontrolle von Ausgangsspannungen und Ausgangströmen, die Begrenzung von Eingangsantriebsleistung und Eingangsantriebsdrehmoment innerhalb eines vorgeschrieben Bereichs während des Betriebs in einem weiten Umgebungstemperatur- und Wellengeschwindigkeitsbereich. In anderen Ausführungsformen ist der Regulator 106 auch in der Lage, ein für den mittleren Magnetspulenstrom kennzeichnendes Signal zu messen und bereitzustellen indem der Feldwicklungsarbeitszyklus gemessen wird und eine Spannung bereitgestellt wird, die proportional zum Feldwicklungsarbeitszyklus ist.
Ein Wechselstromgenerator entsprechend dieser Erfindung wird oben beschrieben. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht auf einen Wechselstromgenerator begrenzt und können auf eine Vielfalt von Vorrichtungen wie z.B. einen elektrischen Generator angewendet werden. Wie in diesem Text benutzt, dient der Ausdruck Generator (oder elektrischer Generator) allgemein dazu, den weitesten Bereich von Vorrichtungen zur Generierung von elektrischem Strom zu umfassen, wenn sich eine Generatorachse dreht umfassend solche Vorrichtungen wie Wechselstromgeneratoren. So umfasst der Ausdruck Generator generierende Vorrichtungen in denen eine der Feldquellen und die erste und zweite Leistung generierende Vorrichtungen so montiert sind, dass sie sich mit der Generatorwelle drehen und die Rotation der Welle modifiziert deshalb die elektromagnetische Interaktion zwischen der Feldquelle und den Leistung generierenden Wicklungen. Der Ausdruck Generator umfasst auch Vorrichtungen, bei denen beide die Feldquelle und die Leistung generierenden Wicklungen getrennt von der Generatorwelle montiert sind, und die Generatorachse ein Element dreht, das die elektromagnetische Interaktion zwischen der Feldquelle und den Leistung generierenden Wicklungen modifiziert.
Wie in diesem Text benutzt, dient der Ausdruck Ausgang allgemein dazu, ein Paar von Leitern oder Ausgangsterminals oder einen Leiter zu bezeichnen, der an ein Ausgangsterminal mit oder ohne Eingreifen von elektrischen Komponenten gekoppelt ist. Das Paar von Leitern kann z.B. ein Paar von Ausgangsterminals umfassen. Außerdem kann ein Leiter jeder Ausgang des Wechselstromgenerators 100 sein (z.B. ein Ausgangsterminal oder ein Paar von Ausgangsterminals).
Wie in diesem Text benutzt, dient der Ausdruck Wechselstromgenerator allgemein dazu, Ausführungsformen zu umfassen, die einen Regulator umfassen können oder nicht. Der Regulator kann z.B. getrennt vom Wechselstromgenerator oder in den Wechselstromgenerator integriert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform des Wechselstromgenerator 100 ist der Regulator getrennt vom Wechselstromgenerator montiert. In anderen Ausführungsformen jedoch ist der Regulator in den Wechselstromgenerator 100 inkorporiert.
Obwohl die beiden Spannungen V_A und V_B in den 1 und 4 dargestellt sind, kann der Wechselstromgenerator 100 in anderen Ausführungsformen Ausgangsleistung an mehr als zwei elektrische Systemen, die mit entsprechenden Spannungen funktionieren, geliefert werden. Diese elektrischen Systeme sind bevorzugt elektrisch voneinander isoliert und die entsprechenden Betriebsspannungen benutzen miteinander keine gemeinsamen Erden.
Das erste elektrische System 102 umfasst bevorzugt eine erste Batterie mit einem Nominalwert von V_A. Das zweite elektrische System 104 umfasst bevorzugt eine zweite Batterie mit einem Nominalwert von V_B. Das Versorgen eines elektrischen Systems 102 mit Ausgangsleistung umfasst bevorzugt das Aufladen einer ersten Batterie. Das Versorgen eines elektrischen Systems 104 mit Ausgangsleistung umfasst bevorzugt das Aufladen einer zweiten Batterie. In einer anderen Ausführungsform umfassen das erste und zweite elektrische System 102, 104 nur jeweils die erste und die zweite Batterie, und das erste und zweite elektrische System 102, 104 versorgen ihrerseits andere externe elektrische Systeme mit Spannung.
Das erste elektrische System 102 umfasst bevorzugt eine oder mehrere Lasten, die Leistung von der ersten Batterie empfangen. Das zweite elektrische System 104 umfasst bevorzugt eine oder mehrere Lasten, die Leistung von der zweiten Batterie empfangen. Wenn Leistung gebraucht wird, können die Lasten an die entsprechende Batterie angeschlossen oder von ihr entkoppelt werden.
Eine Referenz- oder Schwellenspannung wie V_AREF oder V_BREF können auf einen festen Wert eingestellt werden oder der Schwellenwert kann während des Betriebs variiert werden. Der Schwellenwert kann kompensiert werden und gilt für Betriebsbedingungen einschließlich der Temperatur. Im Allgemeinen sagt man, dass ein Schwellenwert überschritten wird, wenn die Höhe der Spannung die Höhe des Schwellenwerts oder umgekehrt überschreitet. Der Schwellenwert kann in jeder Richtung, d.h. sowohl von unten als auch von oben bei verschiedenen Werten überschritten werden. Ein Schwellenwert wird über schritten, wenn der absolute Wert des Schwellenwerts überschritten wird. Ein Wert von –13 Volt überschreitet z.B. einen Schwellenwert von –12 Volt. Auf ähnliche Weise, und nur in diesem Kontext, ist ein Wert hoch, wenn er einen Schwellenwert in absoluter Höhe überschreitet. Und ein Wert ist niedrig, wenn er unter einen Schwellenwert in absoluter Höhe fällt.
In einer vorliegend bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Ausgangsspannung V_A und V_B Gleichstromspannungen. Man sollte natürlich verstehen, dass der Wechselstromgenerator 100 nicht auf einen Gleichstromleistungsausgang begrenzt ist und andere Ausführungsformen stellen ein Wechselstromleistungsausgang zur Verfügung. In Wechselstromleistungsausgangsausführungen können Synistoren anstatt der ersten und zweiten Gleichrichterschaltung 114, 116 benutzt werden, um einen Wechselstromausgangsstrom von der entsprechenden ersten und zweiten Leistung generierenden Wicklung 110, 112 zur Verfügung gestellt zu bekommen.
Es ist eine Herausforderung, bei der Konstruktion für einen oder mehr Wechselstromausgänge eine stabile Ausgangsfrequenz aufrechtzuerhalten. Die Geschwindigkeit der Antriebswelle eines elektrischen Generators wie einem Alternator im Allgemeinen die Ausgangsfrequenz eines Wechselstromausgangs. Die Generierung eines Wechselstromausgangs mit einer stabilen und zuverlässigen Ausgangsfrequenz kann mit einem Wechselstromgenerator mit fester Geschwindigkeit erhalten werden.
Man sollte verstehen, dass, obwohl die Benutzung von SCRs in der ersten und zweiten Gleichrichterschaltung 114, 116 bevorzugt wird, andere Elemente benutzt werden können. Der geschaltete Gleichrichter kann z.B. einen Metalloxydhalbleiterfeldeffekttransistor (MOSFET) umfassen. Es kann jedoch mehr als eine Vorrichtung benutzt werden, um die Gleichrichtung auszuführen oder um die geschaltete Gleichrichtung auszuführen. In anderen Ausführungsformen kann der geschaltete Gleichrichter ein Element sein, oder es können zwei oder mehr Elemente zusammen als ein geschalteter Gleichrichter benutzt werden. Ein MOSFET oder eine Diode können in Serie benutzt werden, um eine geschaltete Gleichrichtungsfunktion auszuführen. Allgemeiner kann z.B. eine Diode in Serie mit einem Schalter benutzt werden.
Entweder die negative Seite oder die positive Seite eines geschalteten Gleichrichters kann an einen Wechselstromspannungsausgang gekuppelt werden. In der 4 ist z.B. jeder der Wechstelstromphasenspannungsausgänge der ersten und zweiten Statorwicklung 110, 112 auf der positiven Seite an ein SCR und auf der negativen Seite an eine Diode angeschlossen. Es sind jedoch andere Implementierungen möglich und der Wechselstromgenerator 100 ist nicht auf die bevorzugte Ausführungsform begrenzt. In einer anderen Ausführungsform ist die Situation umgekehrt und jeder der Wechselstromphasenspannungsausgänge ist an ein SCR auf der negativen Seite und an eine Diode auf der positiven Seite angeschlossen.
Es sollte verstanden werden, dass, wie es in diesem Text benutzt wird, der Ausdruck Kontrollsignal allgemein ein analoges oder ein digitales Signal bezeichnet und beide Typen von Signalen umfasst.
Es sollte verstanden werden, dass die Schritte des hierin zitierten Verfahrens in jeder beliebigen Reihenfolge, die mit den zitierten Aktionen übereinstimmt, ausgeführt werden.
Die vorhergehende ausführliche Beschreibung hat nur wenige der vielfältigen Formen, die diese Erfindung annehmen kann, beschrieben. Die ausführliche Beschreibung dient deshalb nur als Darstellung und nicht als Begrenzung. Nut die folgenden Patentansprüche dienen dazu, die Erfindung zu definieren.

Claims

Verfahren zum Steuern des elektrischen Systems eines Fahrzeuges zum Schutz vor Überladung der Batterie, wobei das Verfahren einschliesst: (a) Bereitstellen eines elektrischen Systems für ein Fahrzeug mit einem Wechselstromgenerator für das Generieren von Spannung (V_Ausgang) zu wenigstens einer ersten und einer zweiten Reihe von seriegeschalteten wideraufladbaren Batterien, (b) Regulieren der generierten Spannung an die Reihe von wiederaufladbaren Batterien (V_Ausgang) zu einem Sollwert (V_Soll); c) Reduzieren des Sollwertes (V_Soll) wenn eine erste Spannung (V₁) über der ersten Batterie einen ersten Schwellenwert (T₁) übersteigt; (d) Reduzieren des Sollwertes (V_Soll) wenn eine zweite Spannung (V₂) über der zweiten Batterie einen zweiten Schwellenwert (T₂) übersteigt; und (e) Mehrmaliges Wiederholen von wenigstens (c) und (d).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wechselstromgenerator die Spannung (V_Ausgang) an die Reihe von wiederaufladbaren Batterien über einen Ausgangs- und einen Basis-Terminal abgibt; wobei die Reihe von Batterien eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Batterien auf einer Verbindungsspannung (V_Verbindung) aufweist; wobei die erste Spannung über die erste Batterie (V₁) gleich der Spannung zwischen der Verbindung und dem Basis-Terminal (V_Ausgang), V_Basis) ist. wobei die zweite Spannung über die zweite Batterie (V₂) gleich der Spannung zwischen dem Ausgangs-Terminal und der Verbindung (V_Ausgang), V_Verbindung) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter einschliessend: (f) Generieren eines Warnsignals wenn wenigstens eine der ersten oder zweiten Spannungen über die Batterien (V₁, V₂) wesentlich vom entsprechenden Nominalwert abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Schwellenwert (T₁) gleich dem zweiten Schwellenwert (T₂) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische System des Fahrzeugs desweiteren wenigstens eine höhere Spannungslast und eine tiefere Spannungslast versorgt, die über entsprechende Batterie-Sets der Reihe verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 5, weiter einschlissend: den Einsatz eines Equalizers, der mit wenigstens der ersten und der zweiten Batterien der Reihe gekoppelt ist.
Elektrisches System für ein Fahrzeug, einschliessend: eine Reihe von wenigstens ersten und zweiten serie-geschalteten wiederaufladbaren Batterien; einen Alternator für das Generieren einer Spannung (V_Ausgang) zur Reihe der seriegeschalteten wideraufladbaren Batterien; einen Spannungsregler zum Regulieren der generierten Spannung an die Reihe von wiederaufladbaren Batterien (V_Ausgang) zu einem Sollwert (V_Soll); einen ersten Komparator, der auf die erste Spannung (V₁) über der ersten Batterie und einen ersten Schwellenwert (T₁) reagiert, wobei dieser erste Komparator wirksam ist, um eine Reduktion des Sollwertes (V_Soll) herbeizuführen, wenn die erste Spannung über der ersten Batterie (V₁) einen ersten Schwellenwert (T₁) übersteigt; einen zweiten Komparator, der auf die zweite Spannung (V₂) über der zweiten Batterie und einen zweiten Schwellenwert (T₂) reagiert, wobei dieser zweite Komparator wirksam ist, um eine Reduktion des Sollwertes (V_Soll) herbeizuführen, wenn die zweite Spannung über der zweiten Batterie (V₂) einen zweiten Schwellenwert (T₂) übersteigt;
System nach Anspruch 7, wobei die Reihe von Batterien eine Verbindung zwischen der ersten und zweiten Batterien auf einer Verbindungsspannung (V_Verbindung) einschliesst, wobei die erste Spannung über die erste Batterie (V₁) gleich der Spannung zwischen der Verbindung und dem Basis-Terminal (V_Ausgang), V_Basis) ist, und wobei die zweite Spannung über die zweite Batterie (V₂) gleich der Spannung zwischen dem Ausgangs-Terminal und der Verbindung (V_Ausgang), V_Verbindung) ist.
System nach Anspruch 7, weiter einschliessend: Einen Warnsignal-Generator zum Generieren eines Warnsignals wenn wenigstens eine der ersten oder zweiten Spannungen über die Batterien (V₁, V₂) wesentlich vom entsprechenden Nominalwert abweicht.
System nach Anspruch 7, wobei der erste Schwellenwert (T₁) gleich dem zweiten Schwellenwert (T₂) ist.
System nach Anspruch 7, weiter einschliessend: wenigstens eine höhere Spannungslast und eine tiefere Spannungslast, die über entsprechende Batterie-Sets der Reihe verbunden sind.
System nach Anspruch 11, weiter einschliessend: einen Equalizer, der mit wenigstens der ersten und der zweiten Batterien der Reihe gekoppelt ist.