DE10103520A1 - Generatorsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters eines Asynchrongenerators - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Generatorsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, daß einen Asynchrongenerator und einen Wechselrichter umfaßt. Der Wechselrichter dient zur Erzeugung von Wechselrichterausgangsspannungen aus einer Gleichspannungsquelle, die ein Drehstromsystem bilden, welches in der Maschine ein zur Generatorfunktion geeignetes Drehfeld erzeugen. Die Wechselrichterausgangsspannungen haben eine - im folgenden WRA-Frequenz bezeichnete - Frequenz, die in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl veränderlich ist. Der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen ist zerlegbar in eine Hauptkomponente mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf der WRA-Frequenz und in mindestens eine weitere Nebenkomponente mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf mit einem ungeradzahligen Vielfachen der WRA-Frequenz. Die Komponenten sind so ausgerichtet, daß die Amplitude der Hauptkomponente größer ist als die Amplitude des Spannungsverlaufs der Wechselrichterausgangsspannungen, so daß hierdurch eine Spannungsüberhöhung erzielt wird. Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters eines Asynchrongenerators gerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Generatorsysteme für Kraftfahrzeuge, und ins­ besondere ein Generatorsystem für ein Kraftfahrzeug umfassend einen Asyn­ chrongenerator und einen Wechselrichter, sowie ein Verfahren zum Ansteuern des Wechselrichters.

Umrichtergespeiste Drehfeldantriebe haben aufgrund von Fortschritten in der Leistungselektronik in den letzten 25 Jahren Verbreitung z. B. bei Werkzeugma­ schinen und Schienenfahrzeugen gefunden. Zum Betreiben eines Drehfeldmo­ tors ist es i. a. erforderlich, ein Wechselspannungssystem an die Maschine an­ zulegen, deren Frequenz veränderbar ist. Dies leisten beispielsweise soge­ nannte Umrichter, die in der Lage sind, meist ausgehend von einer Wechsels­ pannungsquelle fester Frequenz, beispielsweise der 50 Hz Netzfrequenz, über ein Gleichspannungsnetz, Wechselspannungen beliebiger Frequenz zu generie­ ren. Ein Umrichter umfaßt somit einen Gleichrichter, der eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt, und einem Wechselrichter, der wiederum aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung bzw. einen Wechselstrom variabler Frequenz erzeugt.

Üblicherweise verwendet man Wechselrichter, die eine sinusbewertete Puls­ weitenmodulation durchführen, also z. B. Rechteckpulse erzeugen, die gemittelt näherungsweise einen sinusförmigen Spannungsverlauf ergeben. In einer frü­ hen Veröffentlichung (J. Schörner, Bezugspannung zur Umrichtersteuerung, ETZ-B, Bd. 27, 1975, H.7) wurde bei einem Asynchronantrieb vorgeschlagen, dem sinusförmigen Spannungsverlauf eine dritte Oberschwingung zu überla­ gern oder einen rechteckförmigen Spannungsverlauf zu wählen. Dies soll dazu dienen, einerseits die zur damaligen Zeit spannungsempfindlichen Halbleiter­ schalter im Wechselrichter nur möglichst geringen Spannungen auszusetzen, andererseits aber für den motorischen Betrieb eine möglichst hohe effektive Spannungsamplitude zur Verfügung zu stellen. Ähnliches ist aus R. Bohnert, Ru-Song Wu, Improved three phase pulsewidth modulator for overmodulation, IEEE IAS84: 29B und J. A. Houldsworth, D. A. Grant, The use of harmonic di­ stortion to increase the output voltage of a three phase PWM invertor, IEEE Trans. Int. Appl., Vol. 1A-20, No. 5, 1984 bekannt.

In jüngerer Zeit wurde vorgeschlagen, Drehfeldmaschinen in Synchron- oder Asynchronbauweise als kombinierte Generatoren und Starter im Kraftfahrzeug einzusetzen, und zwar insbesondere als sogenannte Kurbelwellenstartgenerato­ ren (siehe z. B. WO 97/08456). Diese Vorschläge stehen im Zusammenhang mit der Erkenntnis, daß beträchtliche weitere Einsparungen des Kraftstoffver­ brauchs dadurch möglich sind, daß mechanisch betriebene Hilfsaggregate, wie die Verbrennungsmotor-Ventilsteuerung, Klimakompressoren, Servos für Len­ kung und Bremsen auf elektrischen Antrieb umgestellt werden. Die vorgeschla­ genen neuartigen Kraftfahrzeug-Generatoren können die dazu nötigen elektri­ schen Leistungen über den großen vorkommenden Drehzahlbereich mit hohem Wirkungsgrad bereitstellen.

Die Erfindung stellt gemäß einem ersten Aspekt ein Generatorsystem, insbe­ sondere für ein Kraftfahrzeug, bereit, das einen Asynchrongenerator und einen Wechselrichter umfaßt. Der Wechselrichter dient der Erzeugung von Wechsel­ richterausgangsspannungen aus einer Gleichspannungsquelle, die ein Dreh­ stromsystem bilden, welches in der Maschine ein zur Generatorfunktion geeig­ netes Drehfeld erzeugen. Die Wechselrichterausgangsspannungen weisen eine Frequenz auf - im folgenden WRA-Frequenz bezeichnet -, die in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl veränderlich ist. Der Spannungsverlauf der Wech­ selrichterausgangsspannungen ist zerlegbar in eine Hauptkomponente mit ei­ nem sinusförmigen Spannungsverlauf der WRA-Frequenz und in mindestens eine weitere Nebenkomponente mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf mit einem ungeradzahligen Vielfachen der WRA-Frequenz. Die Komponenten sind dabei so gewichtet, daß die Amplitude der Hauptkomponente größer ist als die Amplitude des Spannungsverlaufs der Wechselrichterausgangsspannungen, so daß hierdurch eine Spannungsüberhöhung erzielt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Ansteu­ ern eines Wechselrichters eines Asynchrongenerators, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gerichtet. Es dient der Erzeugung von Wechselrichterausgangs­ spannungen aus einer Gleichspannungsquelle, die ein Drehstromsystem bilden, welches in der Maschine ein zur Generatorfunktion geeignetes Drehfeld erzeu­ gen. Die Wechselrichterausgangsspannungen weisen eine Frequenz (WRA- Frequenz) auf, die in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl veränderlich ist. Der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen ist zerlegbar in eine Hauptkomponente mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf der WRA- Frequenz und in mindestens eine weitere Nebenkomponente mit einem sinus­ förmigen Spannungsverlauf mit einem ungeradzahligen Vielfachen der WRA- Frequenz. Dabei sind die Komponenten so gewichtet, daß die Amplitude der Hauptkomponente größer ist als die Amplitude des Spannungsverlaufs der Wechselrichterausgangsspannungen, so daß hierdurch eine Spannungsüber­ höhung erzielt wird.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten, beispielhaften Ausführungs­ formen und der angefügten beispielhaften Zeichnungen näher erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Kurbelwellenstartgenerators;

Fig. 2 ein Schaltdiagramm einer drehzahlvariablen Asyn­ chronmaschine;

Fig. 3 eine der Veranschaulichung dienende Darstellung einer Pulsweitenmodulation;

Fig. 4, 6, 8 verschiedene Ansteuerfunktionen eines Wechsel­ richters der Asynchronmaschine;

Fig. 5, 7, 9 die jeweils zu den Ansteuerfunktionen zugehörigen Grund- und Oberschwingungen;

Fig. 10 eine Darstellung der Abhängigkeit der maximalen Leistung eines Asynchrongenerators von dessen Drehzahl für verschiedene Ansteuerfunktionen;

Fig. 11 eine Darstellung der Abhängigkeit der maximalen Leistung des Asynchrongenerators von dessen Dreh­ zahl bei Verwendung von verschiedenen Ansteuer­ funktionen;

Fig. 12 eine Darstellung der Abhängigkeit der maximalen Leistung des Asynchrongenerators von dessen Dreh­ zahl bei Verwendung einer Überlagerung von ver­ schiedenen Ansteuerfunktionen;

Fig. 13 eine Darstellung der Abhängigkeit der Überlagerung verschiedener Ansteuerfunktionen von der Drehzahl des Asynchrongenerators;

Fig. 14 eine Darstellung der Abhängigkeit der maximalen Leistung des Asynchrongenerators von dessen Dreh­ zahl für verschiedene Ansteuerfunktionen und Ausle­ gungen der Asynchronmaschine.

In den Figuren tragen sich entsprechende Elemente gleiche Bezugszeichen.

Bevor das Generatorsystem gemäß Fig. 1 näher erläutert wird, folgen zu­ nächst einige Begriffserklärungen und Anmerkungen zu den offenbarten Aus­ führungsformen.

Bei den bevorzugten Ausführungsformen umfaßt eine drehzahlvariable Dreh­ feld-Asynchronmaschine im wesentlichen einen mit der Drehachse fest verbundenen Läufer, einen den Läufer umgebenden und nicht mitrotierenden Ständer, und ein Kühlsystem. Der Ständer ist für jede Phase mit einem Wicklungsstrang ausgerüstet. Bei einem Drei-Phasen-System werden daran jeweils um 120 Grad phasenverschobene Wechselspannungen angelegt, deren zugehörige Ströme ein kontinuierlich umlaufendes Ständerdrehfeld erzeugen. Im Gegensatz zu Synchronmaschinen, deren Läufer entweder über Permanentmagnete oder durch Einkopplung eines Stroms oder Magnetfelds erregt werden, entsteht das Läufermagnetfeld in Asynchronmaschinen durch eine vom Ständerdrehfeld in der Läuferwicklung induzierte Spannung. Die Läuferwicklungen einer Asyn­ chronmaschine sind daher i. a. als Kurzschlußwicklungen ausgebildet. Damit im Kurzschlußläufer ein induziertes Feld entsteht, muß ein Schlupf zwischen Läu­ fer und umlaufenden Ständerdrehfeld vorliegen, d. h. der Läufer dreht sich lang­ samer (Motorbetrieb) oder schneller (Generatorbetrieb) als das umlaufende Ständerdrehfeld.

Nicht nur in dem (hier fakultativen) Motorbetrieb, sondern auch im Generator­ betrieb werden zur Erzeugung des Ständerdrehfeldes drei Wechselspannungen (bei Dreiphasensystem) an den Ständer angelegt. Die Ständerspannung wird von einer induzierten Gegenspannung überlagert, die daher rührt, daß das rotie­ rende Feld des Läufers wiederum eine Spannung in den Ständerwicklungen induziert, die bei vereinfachter Betrachtung der angelegten Spannung entge­ genwirkt. Diese induzierte Gegenspannung nimmt mit steigender Läuferdreh­ zahl zu. Wenn sie die angelegte Ständerspannung erreicht, kann die elektrische Maschine keine Leistung mehr abgeben.

Bei den bevorzugten Ausführungsformen werden die zur Erzeugung des Dreh­ felds notwendigen Ständerspannungen von einem Wechselrichter zur Verfü­ gung gestellt, d. h. die Wechselrichterausgangsspannungen werden den Wick­ lungen des Ständers zugeführt. Wenn im folgenden von einem Spannungsver­ lauf der Wechselrichterausgangsspannungen die Rede sein wird, ist damit der zeitliche Verlauf der Spannung, also die Funktion der Spannung in Abhängigkeit von der Zeit, gemeint. Dieser zeitliche Spannungsverlauf ist periodisch, d. h. er wiederholt sich mit der WRA-Frequenz f. Diese ist jedoch zu unterscheiden von der Drehzahl n der Maschine, die bei mehrpoligen Maschinen von der WRA- Frequenz f abweichen kann, wobei sich beim Asynchrongenerator die WRA- Frequenz f durch Multiplikation der Drehzahl n mit der Maschinenpolpaarzahl und Berücksichtigung des Schlupfes ergibt.

Der sehr große Drehzahlbereich des Generators wird dabei bestimmt durch die an der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugs auftretenden Drehzahlen, die bei­ spielsweise im Bereich zwischen 500 und 6000 Umdrehungen pro Minute lie­ gen, und bei Fahrbetrieb von der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges bestimmt werden. Bei einer typischen Maschinenpolpaarzahl von 6 erhält man WRA-Frequenzen zwischen 50 und 600 Hz. Bei der bevorzugten Ausbildung als Kurbelwellengenerator, dessen Läufer mit der gleichen Drehzahl wie die Kur­ belwelle läuft, ergibt sich der gleiche Drehzahlbereich für die elektrische Ma­ schine. Bei Verwendung einer Zwischenübersetzung (bei einem Kurbelwellen­ generator beispielsweise in Form eines Planetengetriebes) ergibt sich der Dreh­ zahlbereich der elektrischen Maschine hieraus durch Multiplikation mit dem Übersetzungsverhältnis. Die WRA-Frequenz wiederum paßt sich an den Dreh­ zahlbereich der Maschine an und folgt den unterschiedlichen Drehzahlen.

Die Form des periodischen Spannungsverlaufs kann beispielsweise eine Si­ nusfunktion oder eine Rechtecksfunktion sein. Da es sich um einen periodi­ schen Spannungsverlauf handelt, kann er in eine Fourier-Reihe zerlegt werden. Die Hauptkomponente dieser Fourier-Zerlegung, also die Grundschwingung, ist eine Sinusspannung derselben Frequenz, nämlich der WRA-Frequenz, wie der ursprüngliche Spannungsverlauf. Des weiteren kann der Spannungsverlauf noch weitere Nebenkomponenten, sogenannte Oberschwingungn enthalten, die einen sinusförmigen Spannungsverlauf mit einem Vielfachen der WRA- Frequenz der Hauptkomponente aufweisen. Durch entsprechende Gewichtung der Haupt- und Nebenkomponenten ergibt sich dann genau ein spezieller Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen, der im folgenden mit Ansteuerfunktion bezeichnet wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird durch spezielle Gewichtung der Haupt- und Nebenkomponenten erreicht, daß die Amplitude der Hauptkomponente größer ist als die Amplitude des Span­ nungsverlaufs der Ansteuerfunktion, so daß hierdurch eine Spannungsüberhö­ hung erzielt wird. Die Spannungsüberhöhung bezieht sich also auf die Amplitu­ de der in der Ansteuerfunktion enthaltenen Grundschwingung relativ zur Amplitude der Ansteuerfunktion selbst. Aufgrund der Symmetrie der Ansteuerfunktio­ nen spielen hier geradzahlige Fourierkomponenten keine Rolle.

Die Oberschwingungn sind einerseits nachteilig, da sie nicht zur elektrischen Nutzleistung beitragen, sondern Rüttelmomente erzeugen, was sich wirkungs­ gradverschlechternd auswirkt. Dies gilt allerdings nicht für Oberschwingungn mit Frequenzen, die Vielfache der Zahl der Phasen der Grundfrequenz (also z. B. bei Dreiphasenstrom die 3., 6., 9., etc. Oberschwingung) sind, da sich diese durch die Beiträge der jeweils anderen Phasen herausheben. Andererseits er­ lauben sie die Spannungsüberhöhung der Grundschwingung, und damit eine Erhöhung der Leistungsabgabe insbesondere im hohen Drehzahlbereich. Dies liegt darin begründet, daß mit zunehmender Drehzahl die induzierte Gegen­ spannung ansteigt. Mit zunehmender Drehzahl wird man also bestrebt sein, die Wechselrichterspannung entsprechend zu erhöhen. Bei einer bestimmten Drehzahl erreicht man aber die maximal mögliche Spannung. Von da an verrin­ gert sich die für die Leistung maßgebliche Differenz zwischen Wechselrichter­ spannung und induzierter Gegenspannung, so daß sich die Leistung zuneh­ mend verringert. Durch die Spannungsüberhöhung der Grundschwingung wird aber effektiv eine Erhöhung dieser für die Leistungsabgabe maßgeblichen Spannungsdifferenz erreicht, ohne daß die maximale Wechselrichterausgangs­ spannung angehoben werden muß.

Bei den bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich um ein Generatorsy­ stem, das sowohl als Generator als auch als Motor zum Starten eines Kraftfahr­ zeugverbrennungsmotors ausgebildet ist. Die Maschine ist also ausreichend drehmomentenstark dimensioniert, um den Verbrennungsmotor direkt, d. h. oh­ ne Schwungnutzfunktion und vorzugsweise auch ohne besondere Starterunter­ setzung starten zu können.

Der Asynchrongenerator sitzt direkt auf der Kurbelwelle, sein Läufer ist vor­ zugsweise getriebelos mit der Kurbelwelle gekoppelt. Diese Ausführungsform ist im Hinblick auf Verschleiß- und Geräuscharmut sehr vorteilhaft.

In den gezeigten Ausführungsformen dient eine Spannung im Niederspan­ nungsbereich zur Speisung des Generatorsystems. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Fahrzeugbatterie, insbesondere Starterbatterie. Die obere Grenze des Niederspannungsbereichs liegt dort, wo elektrische Kraftfahrzeug­ ausrüstung noch ohne besonderen Berührungsschutz für spannungsführende Teile ausgerüstet sein dürfen, also z. B. bei 42 oder 48 Volt. Der Bereich umfaßt also z. B. 0-42 Volt bzw. 0-48 Volt.

Eine mögliche Ausführungsform des Generatorsystems weist in den Wechsel­ richterausgangsspannungen eine oder mehrere sinusförmige Nebenkompo­ nenten auf, die ein ungeradzahliges Vielfaches der Grundfrequenz sind, wobei jedoch wenigstens eine Nebenkomponente enthalten ist, die nicht ein 3.m- faches der Grundfrequenz ist, wobei m eine ganze natürliche Zahl ist. In der Regel erzeugt der Wechselrichter dreiphasige Wechselspannungen, deren Phasen jeweils um 120° zueinander phasenverschoben sind. Üblicherweise werden an den Ständerwicklungssträngen in einer sogenannten Brückenschal­ tung Differenzen der drei Phasenspannungen angelegt. Dies hat zur Folge, daß sich aufgrund der speziellen Phasenlage von 120° Oberschwingungsanteile der Phasenspannungen, die das 3, 6, 9 usw. -fache der Grundfrequenz aufweisen, gerade gegenseitig aufheben, und so keinen Beitrag zum Drehfeld liefern. Dies ist vorteilhaft, da sonst diese speziellen Oberschwingungen Rüttelmomemte erzeugen und so eine Wirkungsgradverschlechterung bewirken. Andererseits ist die Spannungsüberhöhung bei Verwendung von 3.m-fachen harmonischen Oberschwingungen nicht das Maximum, das man erzielen kann. Will man eine darüber hinausgehende Spannungsüberhöhung erzielen, kann man Ober­ schwingungen hinzuziehen, die nicht ein 3.m-faches der Grundschwingung ausmachen.

Eine Möglichkeit, die Spannungsüberhöhung weiter zu vergrößern, ist die Hin­ zunahme unendlich vieler ungeradzahliger Oberschwingungsanteile, was nach der Fourier-Analyse eine Rechtecksfunktion der Wechselrichterausgangsspan­ nungen ergibt. Eine solche Rechtecksfunktion liefert die maximal mögliche Spannungsüberhöhung.

Eine Spannungsüberhöhung, insbesondere mit nicht-3m-fachen der Grundfre­ quenz, hat jedoch ihren Preis, nämlich die bereits erwähnte Wirkungsgrager­ niedrigung aufgrund von Rüttelmomenterzeugung. Um bei niedrigen Drehzahlen, wo sich die Begrenzung der Wechselrichterspannung ohnehin noch nicht leistungsbeschränkend auswirkt, keine derartige Wirkungsgraderniedrigung in Kauf nehmen zu müssen, weisen die bevorzugten Ausführungsformen für ver­ schiedene Frequenzbereiche der Wechselrichterausgangsspannungen zwei oder mehr verschiedene Spannungsverläufe mit unterschiedlichen Spannungs­ überhöhungen auf, wobei die Spannungsüberhöhung im oberen Frequenzbe­ reich größer ist als im unteren Frequenzbereich. Hier ist ausdrücklich auch der Fall eingeschlossen, daß die Spannungsüberhöhung verschwindet, also den Wert null annimmt. Beispielsweise könnten bei einer Ausführungsform die Wechselrichterausgangsspannungen im unteren Drehzahlbereich einen reinen sinusförmigen Spannungsverlauf ohne Spannungsüberhöhung und im oberen Drehzahlbereich durch Hinzunahme der dritten Oberschwingung eine entspre­ chende Spannungsüberhöhung aufweisen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen im unteren Drehzahlbereich zerlegbar in die Grundschwingung oder in die Grundschwingung und die dritte Ober­ schwingung, so daß dort keine Verluste durch Oberschwingungn entstehen, wenn man von den durch die Taktung entstehenden hochfrequenten Ober­ schwingungen absieht.

Bei den besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen im oberen Drehzahlbereich in eine Grundschwingung und eine oder mehrere Oberschwingungen zerlegbar, deren Frequenz ein ungeradzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist, das nicht ein 3.m-faches der Grundfrequenz ist. Dadurch wird die Spannungsüberhöhung im oberen Frequenzbereich noch über die durch die dritten harmonischen Ober­ schwingungen erreichbare gesteigert. Es sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen im unteren Drehzahlbereich ein reiner sinusförmiger Span­ nungsverlauf ohne Spannungsüberhöhung gewählt wird und im oberen Dreh­ zahlbereich ein Spannungsverlauf mit einer gewissen Spannungsüberhöhung, der in eine Grundschwingung und eine oder mehrere Oberschwingungen zer­ legbar ist, deren Frequenz ein 3.m-faches der Grundfrequenz ist. Letzterer könnte zum Beispiel aus einer Grundschwingung mit ihrer dritten Oberschwin­ gung bestehen.

Besonders bevorzugt nimmt man im oberen Frequenzbereich "alle" ungerad­ zahligen Oberschwingungn mit zu den Wechselrichterausgangsspannungen hinzu. Der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen hat dann die Form einer zwischen zwei konstanten Spannungsniveaus mit der Grundfrequenz alternierenden Rechteckfunktion. Ein derartiger Spannungsver­ lauf realisiert im oberen Frequenzbereich eine maximal mögliche Spannungs­ überhöhung.

Der Übergang von einem Spannungsverlauf zu einem anderen kann bei den offenbarten Ausführungsformen auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Bei­ spielsweise wird bei einer fest definierten Frequenz schlagartig zwischen den beiden Spannungsverläufen umgeschaltet, oder es erfolgt ein kontinuierlicher Übergang in einem gewissen Frequenzbereich von einem Spannungsverlauf zum nächsten, wobei in dem Übergangsbereich die Spannungsverläufe ge­ mischt, d. h. z. B. dem Abstand zu den Bereichsgrenzen entsprechend gewichtet, auftreten.

Nun wird, zurückkommend auf Fig. 1, das Funktionsprinzip des Generatorsy­ stems erläutert. Bei den bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich um einen kombinierten Startergenerator eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungs­ motor. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen sogenannten Kurbelwel­ lenstartergenerator, also einen kombinierten Starter und Generator dessen Läufer direkt auf der Kurbelwelle oder einer Kurbelwellenverlängerung des Ver­ brennungsmotors sitzt und vorzugsweise permanent und ohne Zwischenüber­ setzung mit dieser mitdreht. Derartige Kurbelwellenstartergeneratoren haben eine Leistung im Bereich von 4 KW bis 30 KW, bei einem Mittelklasseperso­ nenwagen zum Beispiel 10 KW.

Fig. 1 veranschaulicht ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einem derartigen Kurbelwellenstartergenerator. Und zwar weist das Antriebssystem einen Ver­ brennungsmotor 2 auf, der Drehmoment über eine Antriebswelle 4 (zum Bei­ spiel die Kurbelwelle), eine Kupplung 6 und weitere (nicht gezeigte) Teile eines Antriebsstrangs auf die Antriebsräder des Fahrzeugs abgibt. Auf der Antriebs­ welle 4 sitzt eine als Starter und Generator arbeitende Asynchrondrehstrommaschine 8. Sie weist einen direkt auf der Antriebswelle 4 sitzenden und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 10 sowie einen zum Beispiel am Gehäuse des Ver­ brennungsmotors 2 abgestützten Ständer 12 auf. Die elektrische Asynchronma­ schine 8 und der Verbrennungsmotor 2 laufen permanent zusammen; das Starten des Verbrennungsmotors 2 erfolgt direkt ohne Übersetzung. Die (hier nicht dargestellte) Wicklung des Ständers 12 wird durch einen Wechselrichter mit elektrischen Strömen und Spannungen frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz gespeist.

In Fig. 2 ist ein Schaltbild des Generatorsystems dargestellt. Als Spannungs­ quelle dient z. B. eine 14-Volt (12-Volt-Nennspannung) Gleichspannungsbatterie 14, deren Spannung durch in einen Gleichspannungsumsetzer 16 von 14 Volt auf 42 Volt (36-Volt-Nennspannung) hochgesetzt wird. Bei anderen (nicht ge­ zeigten) Ausführungsformen ist statt der 14-Volt-Batterie und Spannungsumset­ zer eine 42-Volt-Batterie vorgesehen, oder es wird mit einer 14-Volt- Zwischenkreisspannung gearbeitet (sofern hier die 14-Volt-Batterie direkt im Zwischenkreis liegt, wäre - strenggenommen - der Zwischenkreis als 'Eingangs­ kreis' zu bezeichnen). Die 42-Volt-Niederspannung liegt an einem Zwischen­ kreisspeichers 18, einer Reihenschaltung und gegebenenfalls einer Parallel­ schaltung mehrerer Kondensatoren, an. Ein Pulswechselrichter 20 erzeugt aus der 42-Volt-Gleichspannung des Zwischenkreises 18 mit Hilfe des Pulsweiten­ modulationsverfahrens Dreiphasen-Wechselspannungen. Diese liegt an den entsprechenden Ständerwicklungen der Asynchronmaschine 8 an und erzeugen so das für die Generatorfunktion notwendige Ständerdrehfeld, in welchem sich der fest mit der Antriebswelle 4 verbundene Läufer mit der Drehzahl n dreht.

Eine Steuereinrichtung 24 gibt dem Wechselrichter 20 durch entsprechende Ansteuerung seiner Halbleiterschalter zu jedem Zeitpunkt vor, welche Amplitu­ de, Frequenz und Phase die von ihm zu erzeugenden Wechselspannungen ha­ ben sollen, wobei zur Steuerung die mit dem Spannungsmesser 23 gemessene Zwischenkreisspannung U_ZK eingeht. In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung 24 durch ein entsprechend programmiertes Mikrocompu­ tersystem gebildet. Die Halbleiterschalter des Wechselrichters 20 werden vor­ zugsweise durch MOSFETs oder IGBTs mit Betriebsfrequenzen oberhalb 10 kHz gebildet.

In Fig. 3 ist das Prinzip der Pulsweitenmodulation anhand eines Beispiels er­ läutert. Der Wechselrichter erzeugt, gesteuert von der Steuereinheit 24 aus Fig. 2, mit einer festen Schaltfrequenz Pulse 26 eines konstanten Spannungsni­ veaus, hier 42 Volt. Die Weite der Pulse variiert in dem gezeigten Beispiel si­ nusbewertet. Die Grundschwingung des Pulsmusters 26 ist die mit der Grund­ frequenz schwingende Sinusspannung 28. Diese Grundschwingung 28 ergibt sich in guter Näherung durch zeitliche Mittelung der Pulse 26, oder im Fre­ quenzbild ausgedrückt, als Grundschwingung (1. Komponente) des Fourier­ spektrums des Pulsmusters 26. In Fig. 3 ist die Pulsweitenmodulation zwecks besserer Anschaulichkeit mit relativ kleiner Taktfrequenz dargestellt. Tatsächlich liegt die Taktfrequenz bei den bevorzugten Ausführungsformen um wenigstens zwei Größenordnungen über der Frequenz der Grundschwingung. Im Frequenz­ raum entspricht die zeitliche Mittelung einer Filterung der hohen Pulsfrequenz. Die Induktivität der elektrischen Maschine hat eine geeignete Tiefpasswirkung, so daß die in den Wicklungen fließenden Ströme tatsächlich im obigen Sinn gemittelt sind. Hinsichtlich der Spannungen findet im wesentlichen keine derar­ tige Mittelung in der Maschine statt, sie ist vielmehr nur eine gedachte Größe. Wenn hier also von einem Spannungsverlauf mit einer sinusförmigen Grund­ schwingung und einer dritten Oberschwingung die Rede ist, so ist hiermit genau genommen ein entsprechend bewerteter pulsweitenmodulierter Rechtecks­ spannungsverlauf gemeint, der bei einer (gedachten) zeitlichen Mittelung den angegebenen Verlauf zeigen würde. Tatsächlich treten jedoch auch bei einem "reinen" sinusförmigen Spannungsverlauf aufgrund der hochfrequenten Taktung der Pulse auch entsprechend hochfrequente Oberschwingungen auf, die nicht zur Spannungsüberhöhung beitragen, sondern zu gewissen Verlusten und Pen­ delmomenten führen. Diese werden jedoch zugunsten der mit dieser Technik erreichbaren Frequenzvariabilität in Kauf genommen.

In Fig. 3 ist die maximal mögliche Amplitude der Grundschwingung 28 von 21 Volt dargestellt. Je nach Wahl der Pulsweite der Pulse 26 können jedoch auch niedrigere Amplituden der Grundschwingung 28 eingestellt werden. Die Wie­ derholperiode des Pulsmusters 26 bestimmt die Frequenz der Grundschwin­ gung 28 und ein Startzeitpunkt ihre Phase. Somit kann durch Variation des Pulsmusters 26 eine Grundschwingung 28 mit beliebiger Amplitude, Frequenz und Phase bereitgestellt werden.

Mit Hilfe dieses Pulsweitenmodulationsverfahrens können - wie erwähnt - nicht nur sinusförmige Wechselrichterausgangsspannungen 28 erzeugt werden, son­ dern auch Spannungsverläufe beliebiger Form wie zum Beispiel Rechtecks­ funktionen oder Spannungsverläufe, die sich aus speziellen Gewichtungen von Grundschwingung und deren Oberschwingungn ergeben. Die Spannungsver­ läufe und die entsprechenden Pulsmuster werden zuvor berechnet und in der Steuereinheit 24 entweder in integrierten Schaltkreisen (IC) - hardwaremäßig - abgelegt oder in Mikroprozessorschaltungen in EPROMs - softwaremäßig - be­ reitgestellt.

In den Fig. 4, 6 und 8 sind verschiedene Arten von Wechselrichteraus­ gangsspannungen skizziert und in den Fig. 5, 7 und 9 sind deren zugehöri­ gen Grund- und Oberschwingungen dargestellt. Die Spannungsverläufe 30, 34 und 42 werden - wie oben erläutert - mit Hilfe des Pulsweitenmodulationsverfah­ rens erzeugt. Die Steuerfunktion 30 stellt eine reine Sinusspannung dar, so daß ihre Fourierzerlegung nur aus einer Grundschwingung derselben Frequenz be­ steht (im folgenden "Sinus-Ansteuerfunktion"). Es entsteht daher bei der sinus­ förmigen Ansteuerfunktion 30 keine Spannungsüberhöhung.

Die Ansteuerfunktion 34 kann gedanklich zerlegt werden in eine Grundschwin­ gung derselben Frequenz 36 und einer Oberschwingung der dreifachen Fre­ quenz 38, wobei die Gewichtung der Oberschwingung relativ zur Grundschwin­ gung 1/6 beträgt (im folgenden "1 + 3-Ansteuerfunktion"). Die Spannungsüber­ höhung 40 ist definiert als Differenz der Amplitude der Grundschwingung und der maximalen Amplitude der Ansteuerfunktion relativ zu letzteren, und ergibt für die Ansteuerfunktion 34 ca. 15%.

Als drittes Ausführungsbeispiel einer Ansteuerfunktion ist die "Rechtecks- Ansteuerfunktion" 42 dargestellt und ihre ersten drei Fourierkomponenten, die Grundschwingung 44, die dritte Oberschwingung 46 und die fünfte Oberschwin­ gung 48, wobei die dritte Oberschwingung mit dem Faktor 1/3 und die fünfte Oberschwingung mit dem Faktor 1/5 relativ zur Grundschwingung gewichtet sind. Um den Idealfall einer Rechtecksfunktion 42 zu erhalten, müßte die Zerle­ gung noch entsprechend bis ins Unendliche fortgesetzt werden. Praktisch erhält man eine Rechtecksfunktion 42 z. B. durch einfaches Ein- und Ausschalten. Die Spannungsüberhöhung 50 ist in diesem Fall die maximal erreichbare und er­ rechnet sich zu ca. 27%, was einer Steigerung von ca. 12% gegenüber der Spannungsüberhöhung 40 der 1 + 3-Ansteuerfunktion 34 entspricht.

Fig. 10 zeigt schematisch die prinzipielle Abhängigkeit der maximalen Gene­ ratorleistung von der Drehzahl n der Generatorachse. Für die drei unterschiedli­ chen Ansteuerfunktionen 30, 34 und 42 aus den Fig. 4, 6 und 8. Zuerst soll die prinzipielle Form der Leistungskurve kurz diskutiert werden. Der nahezu li­ neare Anstieg der Leistungskurve für kleine Drehzahlen (sog. Ankerstellbereich) liegt daran, daß hier der Strom im wesentlichen konstant gehalten wird, indem die Wechselrichterausgangsspannungen entsprechend dem Anwachsen der induzierten Gegenspannung erhöht werden, wodurch die für den Strom verant­ wortliche Spannungsdifferenz konstant bleibt und damit das Generatormoment konstant bleibt. Der Anstieg rührt dann daher, daß die Generatorleistung P bei konstantem Drehmoment M proportional zur Drehzahl n steigt (P ~ n × M). Für hohe Drehzahlen (sog. Feldstellbereich) fällt die Leistung mit 1/n ab. Grund hierfür ist, daß der Anstieg der induzierten Gegenspannung hier nicht mehr durch entsprechende Erhöhung der Wechselrichterausgangsspannung kom­ pensiert werden kann, die effektiv anliegende Spannung und damit Strom und Generatormoment mit steigender Drehzahl abnehmen. Der Drehzahlbereich erstreckt sich für übliche Verbrennungsmotoren von 500 bis ca. 6000 Umdre­ hungen pro Minute und beim Starten im Motorbetrieb des Kurbelwellengenera­ tors von 0 bis 500 Umdrehungen pro Minute.

Abweichungen ergeben sich nun durch Spannungsüberhöhung und Wirkungs­ gradverminderung bei sich nicht aufhebenden Oberschwingungen. Die Span­ nungsüberhöhung der 1 + 3-Ansteuerfunktion 34 bewirkt, daß der Gegenspan­ nungsbereich erst mit höherer Drehzahl beginnt und dort die Leistungskurve über der Sinus-Ansteuerfunktion 30, die keine Spannungsüberhöhungen auf­ weist, liegt. Nach Erkenntnissen des Erfinders wird erwartet, daß bei der Recht­ eck-Ansteuerfunktion 42 der Gegenspannungsbereich bei nochmals höherer Drehzahl beginnt, und daß die Rechteck-Ansteuerfunktion 42 dort wiederum über der 1 + 3-Ansteuerfunktion 34 liegt. Im Ankerstellbereich verlaufen die Lei­ stungskurven der Sinus-Ansteuerfunktion 30 und der 1 + 3-Ansteuerfunktion 34 gleich, da sich die dritten Oberschwingungen herausheben. Aufgrund der Wir­ kungsgradverminderung bei der Rechteck-Ansteuerfunktion 42 wird nach den derzeitigen Erkenntnissen erwartet, daß im Ankerstellbereich die zugehörige Leistungskurve etwas unterhalb der Leistungskurve der Sinus-Ansteuerfunktion 30 und der 1 + 3-Ansteuerfunktion 34 liegt.

In Fig. 11 ist die sich aus der kombinierten drehzahlabhängigen Verwendung zweier Ansteuerfunktionen ergebende Leistungskurve dargestellt. Im Anker­ stellbereich und in einem unteren Teil des Feldstellbereichs bis zu einer Dreh­ zahl n₁ wird die Sinus-Ansteuerfunktion 30 verwendet. Ab der Drehzahl n₁ wird auf die Rechteck-Ansteuerfunktion 42 umgeschaltet. In den bevorzugten Aus­ führungsbeispielen liegt die Umschaltdrehzahl n₁ dort, wo die Sinus- Ansteuerfunktion 30 eine vorbestimmte Mindestleistung P_min unterschreitet. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen liegt n₁ dort, wo die Sinus- Ansteuerfunktion 30 die Rechteck-Ansteuerfunktion 42 unterschreitet, wobei zur Steuerung des Umschaltvorgangs die Drehzahl n mit Hilfe eines Drehzahlsen­ sors 25 gemessen wird. Ersteres gewährleistet, daß wenigstens die Mindestleis­ rung angegeben wird, letzteres, daß die abgegebene Leistung des Asynchron­ generators über den gesamten Drehzahlbereich maximal ist. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen wird verbraucherabhängig umgeschaltet, d. h. es wird unabhängig von der Drehzahl dann auf eine Ansteuerfunktion mit höherer Spannungsüberhöhung und folglich mit höherer Leistung umgeschaltet, wenn die anliegende Ansteuerfunktion die von den Verbrauchern im Kraftfahrzeugs benötigte Leistung nicht mehr aufbringen kann. Die Steuerung 24 (Fig. 2) die­ ses Umschaltvorganges wird dabei beispielsweise durch Messung eines von der Leistung des Generatorsystems abhängigen elektrischen Parameters (z. B. des Maschinenstroms I) mit der Meßvorrichtung 27 und der Maschinendrehzahl n mit der Meßvorrichtung 25 realisiert. In noch einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) wird im Ankerstellbereich anstelle der Sinus-Ansteuerfunktion 30 die 1 + 3-Ansteuerfunktion 34 verwendet, für welche die obigen Erläuterungen und die Fig. 11 entsprechend gelten.

In Fig. 12 und Fig. 13 ist für weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele eine zu den Fig. 10 bzw. 11 analoge Situation dargestellt, jedoch wird hier nicht bei einer bestimmten Drehzahl n₁ von einer Ansteuerfunktion auf eine andere um­ geschaltet, sondern der Umschaltvorgang spielt sich in einem Drehzahlbereich zwischen den Drehzahlen n₂ und n₃ ab. In Fig. 12 ist wiederum die Leistungs­ kurve der Rechteck-Ansteuerfunktion 42 und der Sinus-Ansteuerfunktion 30 dargestellt. Anstelle der Sinus-Ansteuerfunktion 30 wird in einer anderen Aus­ führungsform (nicht gezeigt) die 1 + 3-Ansteuerfunktion 34 eingesetzt, für welche die Fig. 12, 13 und 14 sowie die folgenden Erläuterungen analog gelten.

Die Ansteuerfunktion 52 ergibt sich aus der Überlagerung der zuvor genannten Ansteuerfunktionen mit dem in Fig. 13 dargestellten und über den Frequenz­ bereich variierenden Gewichtungsfaktor γ (54). Die resultierende Ansteuerfunk­ tion 52 erhält man mathematisch als Addition der Ansteuerfunktion 42 multipli­ ziert mit γ und der Ansteuerfunktion 30 multipliziert mit dem Faktor 1 - γ.

Eine weitere mögliche Ansteuerfunktion (nicht gezeigt) ist eine Sinus- Ansteuerfunktion mit einer Amplitude von mindestens 21 Volt, deren Nullinie bei 21 Volt liegt und deren Amplitude bei 42 Volt bzw. bei 0 Volt abgeschnitten, d. h. auf konstanten Niveau gehalten wird. Bei Drehzahlen kleiner n₂ wird eine Amplitude von genau 21 Volt gewählt, so daß sich in diesem Drehzahlbereich eine reine Sinus-Ansteuerfunktion ergibt. Im Übergangsbereich wird die Ampli­ tude der Sinus-Ansteuerfunktion kontinuierlich von 21 Volt bei der Drehzahl n₂ auf unendlich bei der Drehzahl n₃ gesteigert, so daß man für Drehzahlen ab n₃ eine reine Rechtecksfunktion erhält.

Fig. 14 zeigt den Verlauf der Leistungskurve in Abhängigkeit von der Genera­ tordrehzahl für die Sinus-Ansteuertunktionen 30 und die Rechteck- Ansteuerfunktion 42, im Gegensatz zu den Fig. 10, 11 und 12 jedoch für jeweils unterschiedlich ausgelegte Maschinen, und zwar so, daß die Leistungen der unterschiedlichen Maschinen jeweils bei Höchstdrehzahl gleich sind. Wie oben erläutert, kann aufgrund der Spannungsüberhöhung bei der Rechteck- Ansteuerfunktion 42 bei hohen Drehzahlen eine höhere Leistung erzielt werden als bei der Sinus-Ansteuerfunktion 30. Dies bedeutet andererseits jedoch auch, daß die Asynchronmaschine, um eine vorgegebene Endleistung bei hohen Drehzahlen zu erreichen, bei Verwendung der Rechteck-Ansteuerfunktion 42 günstiger ausgelegt werden kann als bei Verwendung der Sinus- Ansteuerfunktion 30. Eine günstigere Auslegung wäre zum Beispiel eine Ver­ größerung der Windungszahl beim Einsatz der Rechteck-Ansteuerfunktion 42, woraus bei gleichem Stromfluß ein größerer magnetrischer Fluß und damit ein größeres Drehmoment im Ankerstellbereich resultiert. Die sich daraus ergeben­ de Erhöhung der induzierten Gegenspannung im Ankerstellbereich wird durch die Spannungsüberhöhung der Rechteck-Ansteuerfunktion 42 kompensiert.

Üblicherweise will man im Kraftfahrzeug eine vorgegebene Mindestleistung auch im hohen Drehzahlbereich erreichen, wie zum Beispiel 4 kW im Bereich von 5000 Umdrehungen pro Minute. Diese Randbedingung bestimmt dann die Auslegung der Asynchronmaschine. In Fig. 14 sind zwei Leistungsverläufe verglichen, die für die Sinus-Ansteuerfunktion 30 und Rechteck- Ansteuerfunktion 42 realisiert werden, wenn die Asynchronmaschine jeweils so ausgelegt ist, daß im hohen Drehzahlbereich die Leistungskurve bei einer 4 kW Linie 56 liegt. Es ist zu erkennen, daß dabei die Maschine mit der Rechteck- Ansteuerfunktion 42 im mittleren und niedrigen Drehzahlbereich eine höhere maximale Leistung als die Maschine mit der Sinus-Ansteuerfunktion 30 hat.

Zusätzlich kann man bei der Maschine mit der Rechteck-Ansteuerfunktion 42 noch durch Umschalten der Ansteuerfunktion auf einen sinusförmigen Verlauf eine Wirkungsgradverbesserung und eventuell auch eine weitere Leistungsver­ besserung im unteren Drehzahlbereich erzielen, wie sie durch den Kurvenver­ lauf 30' dargestellt ist.

Die dargestellten Ausführungsformen erlauben also bei einem Asynchrongene­ rator eine Leistungserhöhung bei hohen Drehzahlen, oder - wenn eine solche Leistungserhöhung nicht angestrebt wird - bei gleicher Leistung eine Maschi­ nenauslegung, die bei niedrigen Drehzahlen z. B. größere Drehmomente er­ bringt. Dies wird bereits erzielt durch eine einheitliche Ansteuerfunktion mit Spannungsüberhöhung über den gesamten Drehzahlbereich. Die zusätzlich beschriebene Möglichkeit einer drehzahlabhängigen Änderung der Ansteuer­ funktion erlaubt es zudem bei rechteckartigen Ansteuerfunktionen, eine Beein­ trächtigung des Wirkungsgrades im unteren Drehzahlbereich zu vermeiden.

Claims (17)

1. Generatorsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Asynchrongenerator (8) und einen Wechselrichter (20) zur Erzeugung von Wechselrichterausgangsspannungen (30, 34, 42) aus einer Gleichspan­ nungsquelle (14), die ein Drehstromsystem bilden, welches in der Maschi­ ne ein zur Generatorfunktion geeignetes Drehfeld erzeugen, wobei die Wechselrichterausgangsspannungen (30, 34, 42) eine - im folgenden als WRA-Frequenz bezeichnete - Frequenz haben, die in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl veränderlich ist und wobei der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen (30, 34, 42) zerlegbar ist in eine Hauptkomponente (32, 36, 44) mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf der WRA-Frequenz und in mindestens eine weitere Nebenkomponente (38, 46, 48) mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf mit einem unge­ radzahligen Vielfachen der WRA-Frequenz, wobei die Komponenten so gewichtet sind, daß die Amplitude der Hauptkomponente größer ist als die Amplitude des Spannungsverlaufs der Wechselrichterausgangsspannun­ gen (30, 34, 42), so daß hierdurch eine Spannungsüberhöhung (40, 50) erzielt wird.

2. Generatorsystem nach Anspruch 1, bei welchem der Asynchrongenerator (8) auch als Motor zum Starten eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors (2) betreibbar ist.

3. Generatorsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Asynchronge­ nerator (8) direkt auf der Kurbelwelle (4) des Kraftfahrzeugs sitzt.

4. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei wel­ chem die Gleichspannungsquelle (14) eine Niederspannungsquelle ist, die als Fahrzeugbatterie oder als 42-Volt-Batterie, und insbesondere als Star­ terbatterie, ausgebildet ist.

5. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei wel­ chem die WRA-Frequenz in einem Bereich veränderlich ist, der für die Verwendung im üblichen Drehzahlbereich eines Kraftfahrzeugverbren­ nungsmotors (2) geeignet ist.

6. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei wel­ chem der Wechselrichter (20) ein Pulsmodulationswechselrichter ist, wobei unter den genannten Wechselrichterausgangsspannungen (30, 34, 42) hinsichtlich der Modulationspulsung (26) geglättete Spannungen verstan­ den werden.

7. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei wel­ chem mindestens eine sinusförmige Nebenkomponente (48) des Span­ nungsverlaufs ein ungeradzahliges Vielfaches der Frequenz aufweist, das nicht ein 3.m-faches der Frequenz ist, wobei m eine natürliche Zahl ist.

8. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei wel­ chem der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen (42) angenähert eine zwischen zwei konstanten Spannungsniveaus mit der WRA-Frequenz alternierende Rechtecksfunktion (42) ist.

9. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei wel­ chem für verschiedene Frequenzbereiche der Wechselrichterausgangs­ spannungen (30, 34, 42) mindestens zwei verschiedene Spannungsver­ läufe mit unterschiedlichen Spannungsüberhöhungen erzeugt werden, wo­ bei die Spannungsüberhöhung im oberen Frequenzbereich größer ist als im unteren Frequenzbereich, oder im unteren Frequenzbereich keine und im oberen Frequenzbereich eine Spannungsüberhöhung vorhanden ist.

10. Generatorsystem nach Anspruch 9, bei welchem der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen (34) im unteren Drehzahlbereich zerlegbar ist in eine Hauptkomponente (36) mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf der WRA-Frequenz und wenigstens eine Nebenkompo­ nente (38) mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf der 3.m-fachen WRA-Frequenz, wobei m eine natürliche Zahl ist., oder der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen (30) im unteren Drehzahlbereich nur die Hauptkomponente (32) aufweist.

11. Generatorsystem nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem der Span­ nungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen (42) im oberen Frequenzbereich zerlegbar ist in eine Hauptkomponente (44) mit einem si­ nusförmigen Spannungsverlauf der WRA-Frequenz und in mindestens ei­ ne Nebenkomponente (48) mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf mit einem ungeradzahligen Vielfachen der WRA-Frequenz, das nicht ein 3.m- faches der Frequenz ist, wobei m eine natürliche Zahl ist.

12. Generatorsystem nach Anspruch 11, bei welchem der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen (42) im oberen Frequenzbereich eine zwischen zwei konstanten Spannungsniveaus mit der Frequenz alter­ nierende Rechtecksfunktion (42) ist.

13. Generatorsystem nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem der Span­ nungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen (42) im oberen Frequenzbereich zerlegbar ist in eine Hauptkomponente (44) mit einem si­ nusförmigen Spannungsverlauf der WRA-Frequenz und in mindestens ei­ ne Nebenkomponente (48) mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf mit 3.m-facher WRA-Frequenz, wobei m eine natürliche Zahl ist.

14. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei welchem der Übergang von einem Spannungsverlauf zum nächsten auf mindestens ei­ ne der folgenden Arten erfolgt:

• a) durch Umschalten von einem Spannungsverlauf auf einen anderen bei einer oder mehreren bestimmten Frequenzen,
• b) durch kontinuierlichen Übergang (52) in einem gewissen Frequenzbe­ reich von einem Spannungsverlauf zu einem anderen.

15. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei welchen das Umschalten auf einen Spannungsverlauf mit höherer Spannungsüberhö­ hung und damit höherer Leistung verbraucherabhängig erfolgt, d. h. unabhängig von der Frequenz dann, wenn die höhere Leistung (58) tatsächlich von den Verbrauchern im Kraftfahrzeug benötigt wird.

16. Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters (20) eines Asynchronge­ nerators (8), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Erzeugung von Wechselrichterausgangsspannungen (30, 34, 42) aus einer Gleichspan­ nungsquelle (14), die ein Drehstromsystem bilden, welches in der Maschi­ ne ein zur Generatorfunktion geeignetes Drehfeld erzeugen, wobei die Wechselrichterausgangsspannungen (30, 34, 42) eine - im folgenden als WRA-Frequenz bezeichnete - Frequenz haben, die in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl veränderlich ist, wobei der Spannungsverlauf der Wechselrichterausgangsspannungen (30, 34, 42) zerlegbar ist in eine Hauptkomponente (32, 36, 44) mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf der WRA-Frequenz und in mindestens eine weitere Nebenkomponente (38, 46, 48) mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf mit einem unge­ radzahligen Vielfachen der WRA-Frequenz, wobei die Komponenten so gewichtet sind, daß die Amplitude der Hauptkomponente größer ist als die Amplitude des Spannungsverlaufs der Wechselrichterausgangsspannun­ gen (30, 34, 42), so daß hierdurch eine Spannungsüberhöhung (40, 50) erzielt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16 mit einem oder mehreren Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15.