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Selbsttätig und stufenlos wirkender elektrodynamischer Drehmomentwandler für Kraftfahrzeuge
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MagnetfeldFig. 2 zeigt die Abtriebswelle einer Kolbenmaschine mit angebautem Kraftläufer und Arbeitsläufer des erfindungsgemässen Drehmomentwandlers, jedoch ohne Erregermaschine mit Antrieb von der Ab- triebswelle. Im Hauptstromkreis (Kraftläufer-Arbeitsläufer) ist im Nebenschluss zum Arbeitsläufer eine
Eisendrossel gezeigt, deren induktiver Widerstand von der Drehzahldifferenz zwischen Antriebswelle und
Abtriebswelle abhängig ist.
In Fig. 1 bedeuten 1 die Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine und 2 die Schwung- masse dieser Maschine. Diese Schwungmasse ist als Gehäuse eines elektrischen Generators ausgebildet.
Es ist für das Prinzip des erfindungsgemässen Drehmomentwandlers gleichgültig, welche Stromart für die Energieübertragung gewählt wird ; es soll hier Einphasenwechselstrom als Stromartangenommen werden. Demnach bedeutet 3 eine Einphasenwechselstromwicklung, welche in der Schwungmasse 2 untergebracht ist. In der Verlängerung der Kurbelwelle 1 und in einer Bohrung derselben, drehbar gelagert, ist die Abtriebswelle 4 angeordnet. An das Kurbelgehäuse 5 der Verbrennungskraft- maschine ist das Gehäuse 6 angeflanscht, welches als Ständer eines. Einphasenkollektormotors ausgebildet ist.
Das Gehäuse 6 wird durch ein Lagerschild 7 abgeschlossen, in dem die Abtriebs- welle 4 nochmals gelagert ist. Auf der Abtriebswelle 4 ist ein Polrad 8 aufgekeilt ; dieses ist so angeordnet, dass die Kraftlinien seines magnetischen Feldes die Leiter der Wicklung 3, welche im Schwungrad 2 untergebracht ist, schneiden, wenn zwischen Schwungrad 2 und Polrad 8 eine Drehzahldifferenz (Schlupf) besteht. Das Polrad 8 kann entweder permanent magnetisch oder aber nach Fig. 1 von einer Akkumulatorenbatterie oder einer andern Stromquelle fremderregt sein. Es bedeuten 9 eine Akku-Batterie und 10 die Schleifringe für die Zufuhr des Erregerstromes zum Polrad 8. Schwungrad 2 mit Ankerwicklung 3 und Polrad 8, auf Abtriebswelle 4 aufgekeilt, bilden miteinander den als Kraftläufer zu bezeichnenden Teil des Maschinensatzes.
Neben dem Polrad 8 ist auf der Abtriebswelle 4 der Anker 11 eines Einphasenkollektormotors aufgekeilt. Der Anker 11 ist so angeordnet, dass er im Feld der Pole 12 liegt, welche im Gehäuse 6 untergebracht sind. Dieser Einphasenkollektormotor entspricht dem Arbeitsläufer, wie eingangs erwähnt. Die Enden der Wicklung 3 sind an die Schleifringe 13 angeschlossen ; von den zugehörigen Schleifkohlen führen Leiter zu den Bürsten 14 des Kollektors 15, welcher an die Ankerwicklung des Ankers 11 angeschlossen ist.
Von der Abtriebswelle 4 wird eine Zusatzerregermaschine (Gleichstromgenerator) 16 angetrieben, welche über gesonderte Schleifringe 17 zusätzlich Erregerstrom zu einer zusätzlichen Erregerwicklung des Polrades 8 liefert. Die Zusatzerregermaschine 16 kann so angeordnet sein, dass ihr Anker direkt auf der Abtriebswelle 4 aufgekeilt ist (Fig. l) oder sie kann auch durch Keilriemen, Zahnräder, Kettentrieb, unter anderem von der Abtriebswelle 4 angetrieben werden, so dass ihre Ankerdrehzahl gleich oder verhältnisgleich der Drehzahl der Abtriebswelle 4 ist.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Drehmomentwandlers ist wie folgt : Das Schwungrad 2 mit der Wicklung 3 und das Polrad 8 bilden miteinander einen Einphasenwechselstromgenerator, bei welchem die Feldstärke des Polrades einerseits durch permanenten Magnetismus oder durch Erregung über die Akku-Batterie 9 einen konstanten Wert, anderseits durch die Erregung über die Zusatzerregermaschine 16 einen zusätzlichen Wert erhält, der von der Drehzahl der Abtriebswelle 4 abhängt.
Dreht sich das Schwungrad 2, während die Abtriebswelle 4 stillsteht, so wird in der Wicklung 3 ein Einphasenstrom erzeugt, der zum Einphasenkollektormotor, gebildet aus den Teilen 6,11, 12,14 und 15, fliesst und dort ein Drehmoment Mdm erzeugt, das auf die Abtriebswelle 4 wirkt ; weiters wirkt auf die Abtriebswelle 4 auch das Drehmoment Mdg, welches durch das Schneiden der Kraftlinien im Felde des Polrades 8 durch die Leiter der Wicklung 3 entsteht. Dieses vom Antrieb des Generators herrührende Drehmoment Mdg ist praktisch gleich dem von der Antriebskraftmaschine erzeugten Drehmoment.
Beginnt nun die Abtriebswelle 4 unter dem Einfluss des auf sie wirkenden Drehmomentes Mdges = Mdm + Mdg sich zu drehen, so wird die Dreh- zahlditterenz (Schlupt) zwischen Wicklung d und Polrad 8 kleiner als anfänglich und das aut das Polrad 8 wirkende Drehmoment Mdg würde abzunehmen beginnen, wenn die magnetische Feldstärke des Polrades 8 bei dieser Veränderung konstant bliebe. Da aber mit dem Beginn der Drehung der Abtriebswelle 4 die Zusatzerregermaschine 16 zusätzlichen Erregerstrom zum Polrad 8 zuführt, kann für den mit Ansteigen der Drehzahl der Abtriebswelle 4 sinkenden Schlupf ein Ausgleich durch Steigerung der Magnetisierung des Polrades 8 geschaffen und das Drehmoment Mdg so lange konstant gehalten werden, als Polrad 8 und Schwungrad 2 nicht einen angenähert gesättigten magnetischen Zustand erreicht haben.
Während das Drehmoment Mdg, welches vom Schwungrad 2 durch magnetische Kräfte auf
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das Polrad 8 übertragen wird, über einen weiten Drehzahlbereich der Abtriebswelle 4 konstant bleibt, sinkt das vom Einphasenkollektormotor herrührende Drehmoment Mdm mit steigender Drehzahl der Abtriebswelle 4, da in der Ankerwicklung des Ankers 11 eine mit der Ankerdrehzahl steigende gegenelektromotorische Kraft sich in einer Verringerung des Anker- und Erregerstromes (es handelt sich um einen Reihenschlussmotor) und damit in einer Verringerung des erzeugten Drehmomentes auswirkt.
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moment an die Betriebserfordernisse auf der Abtriebsseite eintreten, wobei antriebsseitig mit konstan- tem Drehmoment und konstanter Drehzahl der Kraftmaschine gefahren werden kann.
Bei Anwendung von Wechselstrom (ein-und mehrphasig) kann die selbsttätige Anpassung des er- findungsgemässen Drehmomentwandlers an den Drehmomentbedarf des Verbrauchers auch durch Parallelschaltung einer Eisendrossel zum Motorteil des Maschinensatzes erfolgen. Diese Ausführung des erfindungsgemässen Drehmomentwandlers ist in Fig. 2 dargestellt (die Bezeichnungen 1-15 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1). Mit 18 ist ein Nebenschluss zum Hauptstromkreis bezeichnet, der als Wicklung einer Eisendrossel mit dem Eisenkern 19 ausgebildet ist.
Die Wirkungsweise ist nun folgende : Bei hohem Drehmomentbedarf und niedriger Drehzahl an der Abtriebswelle 4 und normaler Arbeitsdrehzahl der Antriebswelle 1 herrscht am Generator-Kupplungs-Teil des Maschinensatzes ein erheblicher Schlupf ; das bedeutet, dass ein Wechselstrom von entsprechender Frequenz entsteht und in dem Nebenschluss 18 ein entsprechender induktiver Widerstand auftritt, während im Motorteil nur eine geringe gegenelektromotorische Kraft erzeugt wird, so dass bei entsprechender Bemessung der Eisendrossel der Strom durch den Nebenschluss nur einen unbedeutenden Wert annimmt. Je geringer jedoch der Drehmomentbedarf an der Abtriebswelle 4 wird, desto geringer wird die Frequenz des erzeugten Wechselstromes und proportional dazu sinkt der induktive Widerstand im Nebenschluss, während die gegenelektromotorische Kraft im Motorteil ansteigt.
In der Endphase wird bei sinkendem Drehmomentbedarf und steigender Drehzahl der Abtriebswelle 4 durch den Motorteil des Maschinensatzes praktisch kein Strom fliessen, während der Widerstand der Eisendrossel, der Frequenz entsprechend, abgesunken ist, so dass der Generator-Kupplungs-Teil praktisch im Kurzschluss arbeitet. Es herrschen dann in diesem Teil Verhältnisse wie in einem Induktionsmotor.
Wenn ein besonders grosser Bereich der Schwankung des Drehmomentes an der Abtriebswelle 4 erforderlich ist, kann auch neben der Eisendrossel im Nebenschluss des Hauptstrommotors die zusätzliche Erregung des Generator-Kupplungs-Teiles durch die Zusatzerregermaschine in Abhängigkeit von der Abtriebswellendrehzahl angewendet werden.