AT516038B1 - Antriebsstrang - Google Patents

Abstract

Ein Antriebsstrang weist eine Antriebswelle (2), eine Antriebsmaschine (4) und ein Planetengetriebe (3) mit zwei Antrieben und einem Abtrieb auf, wobei der Abtrieb mit der Antriebswelle (2) einer Arbeitsmaschine (1), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und der zweite Antrieb mit einem Differenzialantrieb (5) verbunden ist. Das Planetengetriebe (3) weist zwei Planetenstufen (15, 18) auf, deren Planetenträger (17) drehfest miteinander verbunden sind, wobei die Antriebswelle (2) mit dem Sonnenrad (13) einer Planetenstufe (15) verbunden ist, und wobei der Differenzialantrieb (5) mit dem Sonnenrad (21) oder dem Hohlrad (20) der anderen Planentenstufe (18) verbunden ist. Die Antriebswelle (2) ist mit dem Sonnenrad (13) der Planetenstufe (15) verbunden ist, mit deren Hohlrad (14) die Antriebsmaschine (4) verbunden.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einer Antriebswelle, einer Antriebsmaschine und mit einem Planetengetriebe mit zwei Antrieben und einem Abtrieb, wobei der Abtrieb mit der Antriebswelle einer Arbeitsmaschine, ein Antrieb mit der Antriebsmaschine und der zweite Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist, wobei das Planetengetriebe zwei Planetenstufen aufweist, deren Planetenträger drehtest miteinander verbunden sind, wobei die Antriebswelle mit dem Sonnenrad einer Planetenstufe verbunden ist, und wobei der Differenzialantrieb mit dem Sonnenrad oder dem Hohlrad der anderen Planentenstufe verbunden ist.

[0002] Ein derartiger Antriebsstrang ist aus der US 5 947 854 A bekannt, wobei in dieser der Differenzialantrieb mit dem Hohlrad der anderen Planentenstufe verbunden ist.

[0003] Die DE 10 2011 007 456 A1 zeigt einen Antriebsstrang eines Hybridantriebes mit einem Planetengetriebe mit zwei Antrieben für zwei Antriebseinheiten und einem Abtrieb, wobei der Abtrieb mit der Antriebswelle eines Rades verbunden ist. Das Planetengetriebe weist zwei Planetenstufen auf, wobei die Antriebseinheiten jeweils mit einem Sonnenrad der Planetenstufen verbunden sind.

[0004] Ein allgemeines Problem von Arbeitsmaschinen, wie Fördereinrichtungen, z.B. Pumpen und Verdichter, ist ein effizienter drehzahlvariabler Betrieb. Im Weiteren werden elektrische Maschinen als Beispiel für Antriebsmaschinen herangezogen, das beschriebene Antriebskonzept ist aber für alle möglichen Arten von Antriebsmaschinen so wie z.B. für Verbrennungskraftmaschinen einsetzbar.

[0005] Die am häufigsten verwendeten elektrischen Antriebe sind Drehstrommaschinen wie z.B. Asynchronmotoren und Synchronmotoren mit fixer Drehzahl. Die Nenndrehzahl eines herkömmlichen elektrischen Antriebs ist über die Netzfrequenz und der Polpaarzahl der Antriebsmaschine definiert. Bei z.B. zweipoligen Maschinen liegen daher die Synchrondrehzahlen bei annähernd 3000rpm (50Hz Netzfrequenz) bzw. 3600rpm (60Hz Netzfrequenz).

[0006] Um die anwendungsspezifischen Prozesse zu optimieren, werden elektrische Maschinen, anstatt direkt an ein Netz angeschlossen zu werden, häufig in Kombination mit einem Frequenzumrichter als drehzahlvariabler Antrieb ausgeführt. Damit kann man zwar einen drehzahlvariablen Betrieb des Antriebs realisieren, die Lösung ist jedoch teuer und mit wesentlichen Wirkungsgradeinbußen verbunden.

[0007] Eine vergleichsweise kostengünstigere und auch bezüglich des Wirkungsgrades bessere Alternative ist der Einsatz von Differenzialsystemen, beispielsweise gemäß EP 2 342 454 A.

[0008] Der Kern eines Differenzialsystems ist ein Differenzialgetriebe, das in einer einfachen Ausführung eine einfache Planetengetriebestufe mit drei An- bzw. Abtrieben ist, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle einer Arbeitsmaschine, ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzialantrieb verbunden ist. Damit kann die Arbeitsmaschine bei konstanter Drehzahl der Antriebsmaschine drehzahlvariabel betrieben werden, indem der Differenzialantrieb die Drehzahldifferenz ausgleicht.

[0009] In vielen Anwendungsfällen liegt der gewünschte Drehzahlbereich oberhalb der Syn-chrondrehzahl der Antriebsmaschine. Das heißt, dass sowohl der höchste als auch der niederste Drehzahlpunkt der anzutreibenden Arbeitsmaschinen deutlich über der Synchrondrehzahl (Nenndrehzahl) der Antriebsmaschine liegt. Im Falle eines Differenzialsystems hängt die Drehzahl der Abtriebswelle von der Synchrondrehzahl der Antriebmaschine und von der Drehzahl der regelbaren Welle, welche z.B. mit dem Sonnenrad verbundenen ist, ab. Mit einem derartigen Aufbau ist es jedoch schwer, eine übersynchrone Drehzahl, d.h. eine Drehzahl der Arbeitsmaschine, die über der Drehzahl der Antriebsmaschine liegt, zu erreichen. Daher versieht man das System z.B. mit einer zusätzlichen Übersetzungsstufe (Getriebevorstufe), um eine deutliche Erhöhung der Antriebsdrehzahl für eine Arbeitsmaschine zu erreichen.

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Getriebelösung für einen Antriebsstrang zu finden, mit der man ohne großen Aufwand einerseits eine Differenzialstufe und andererseits eine hohe Drehzahl an der Antriebswelle einer Arbeitsmaschine realisieren kann.

[0011] Gelöst wir diese Aufgabe mit einem Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0012] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0013] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die angeschlossenen Zeichnungen erläutert. Es zeigt: [0014] Fig. 1 das Prinzip eines Differenzialsystems für einen Antriebsstrang einer Pumpe gemäß Stand der Technik, [0015] Fig. 2 eine Ausführungsform eines Differenzialsystems für einen erfindungsgemäßen

Antriebsstrang, [0016] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Differenzialsystems für einen erfindungsge mäßen Antriebsstrang und für ein Verfahren zum Hochfahren einer Antriebsmaschine und [0017] Fig. 4 noch eine weitere Ausführungsform eines Differenzialsystems für einen erfin dungsgemäßen Antriebsstrang und für ein alternatives Verfahren zum Hochfahren einer Antriebsmaschine.

[0018] Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Differenzialsystems für einen Antriebsstrang am Beispiel einer Pumpe. Dabei ist die Arbeitsmaschine 1 der schematisch dargestellte Rotor einer Pumpe, welcher über eine Antriebswelle 2 und ein als Planetengetriebe 3 ausgeführtes Differenzialgetriebe 3 von einer Antriebsmaschine 4 angetrieben wird. Die Antriebsmaschine 4 ist vorzugsweise eine Mittelspannungs-Drehstrommaschine, welche an ein Netz 12, welches im gezeigten Beispiel aufgrund der Mittelspannungs-Drehstrommaschine ein Mittelspannungsnetz ist, angeschlossen wird. Das gewählte Spannungsniveau hängt jedoch vom Einsatzfall und v.a. dem Leistungsniveau der Antriebsmaschine 4 ab und kann ohne Einfluss auf die Grundfunktion des Systems jedes gewünschte Spannungsniveau haben. Entsprechend der Polpaarzahl der Antriebsmaschine 4 ergibt sich eine bauartspezifische Synchrondrehzahl. Ein Planetenträger 7 ist mit der Antriebswelle 2 verbunden, die Antriebsmaschine 4 mit einem Hohlrad 8 und ein Sonnenrad 9 des Differenzialgetriebes 3 mit einem Differenzialantrieb 5. Der Kern des Differenzialsystems ist in dieser Ausführungsform somit eine einfache Planetengetriebestufe mit drei An-bzw. Abtrieben, wobei ein Abtrieb mit der Antriebswelle 2 der Arbeitsmaschine 1, ein erster Antrieb mit der Antriebsmaschine 4 und ein zweiter Antrieb mit dem Differenzialantrieb 5 verbunden ist.

[0019] Um den Drehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 optimal anpassen zu können, wird eine Getriebevorstufe 10 zwischen dem Planetenträger 7 und der Antriebswelle 2 implementiert. Alternativ zur gezeigten Stirnradstufe kann die Getriebevorstufe 10 beispielsweise auch mehrstufig sein, bzw. als Zahnriemen, Kettentrieb oder Planetenstufe ausgeführt werden. Mit der Getriebevorstufe 10 kann man darüber hinaus einen Achsversatz, für die Arbeitsmaschine 1 realisieren, und damit eine koaxiale Anordnung von Differenzialantrieb 5 und Antriebsmaschine 4 realisieren, was eine einfache Ausführung des Differenzialsystems erlaubt. Elektrisch ist der Differenzialantrieb 5 mittels eines vorzugsweise Niederspannungs- Wechselrichters 6, bestehend aus einem motorseitigen und einem netzseitigen Wechselrichter, und eines Transformators 11 an das Netz 12 angeschlossen. Der Transformator 11 gleicht allfällige vorhandene Spannungsdifferenzen zwischen dem Netz 12 und dem Wechselrichter 6 aus und kann bei Spannungsgleichheit zwischen der Antriebsmaschine 4, dem Wechselrichter 6 und dem Netz 12 entfallen. Wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die Antriebsmaschine 4 direkt, das heißt ohne aufwändige Leistungselektronik, an das Netz 12 angebunden werden kann. Der Ausgleich zwischen variabler Drehzahl der Arbeitsmaschine 1 und fixer Drehzahl der netzgebundenen Antriebsmaschine 4 wird durch den drehzahlvariablen (regelbaren) Differenzialantrieb 5 realisiert.

[0020] Die Drehmomentgleichung für das Differenzialsystem lautet:

DrehmOmentoifferenzialantrieb = DrehmOmentAntriebswelle y / Xj wobei der Größenfaktor y/x ein Maß für die Übersetzungsverhältnisse im Differenzialgetriebe 3 und in der Getriebevorstufe 10 ist. Die Leistung des Differenzialantriebes 5 ist im Wesentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller Abweichung der Pumpendrehzahl von deren Grunddrehzahl x Antriebswellenleistung. Dementsprechend erfordert ein großer Drehzahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des Differenzialantriebs 5. Darin ist auch der Grund zu sehen, warum Differenzialsysteme für kleine Drehzahlbereiche besonders gut geeignet sind, wobei aber grundsätzlich jeder Drehzahlbereich realisierbar ist.

[0021] Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Differenzialsystem, das einen übersynchronen Drehzahlbereich ohne Vorstufe ermöglicht. Der gezeigte Triebstrang weist auch hier wie in Fig. 1 eine Arbeitsmaschine 1, eine Antriebswelle 2, eine Antriebsmaschine 4 und einen Differenzialantrieb 5 für ein Differenzialgetriebe 3 auf, welcher mittels eines Wechselrichters 6 (bestehend aus vorzugsweise motorseitigem und netzseitigem Wechselrichter - hier vereinfacht als Einheit dargestellt) und eines Transformators 11 an ein Netz 12 angeschlossen ist. In einer besonders einfachen Ausführungsform eines Differenzialsystems kann der Wechselrichter als sogenanntes 2Q-System ausgelegt sein, wodurch der Differenzialantrieb 5 dann nur motorisch betrieben wird.

[0022] Da in dem beschriebenen Beispiel die Antriebswelle 2 mit einer Drehzahl betrieben werden soll, die deutlich über der synchronen Drehzahl der Antriebsmaschine 4 liegt, wird die Antriebswelle 2 mit einem Sonnenrad 13 und die Antriebsmaschine 4 mit einem Hohlrad 14 einer Differenzialstufe 15, mit zwei oder mehreren Planetenrädern 16, verbunden. Damit kann man auf einfache Art mit einer Planetengetriebestufe und ohne Getriebevorstufe eine Übersetzung zwischen Antriebsmaschine 4 und Arbeitsmaschine 1 von beispielsweise 2,5 bis 6,5 erreichen. Mit beispielsweise einem Stufenplanetensatz sind darüber hinaus noch wesentlich höhere Übersetzungsverhältnisse erreichbar. Ein Stufenplanetensatz ist dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder 16 jeweils zwei Zahnräder aufweisen, welche miteinander drehfest verbunden sind und unterschiedliche Teilkreisdurchmesser aufweisen.

[0023] Mit einer von der Antriebsmaschine 4 bestimmten fixen Drehzahl des Hohlrades 14 und einer betriebsbedingt geforderten Drehzahl des Sonnenrades 13, ergibt sich zwangsläufig eine einzustellende Drehzahl bzw. ein einzustellendes Drehmoment am Planetenträger 17, welche vom Differenzialantrieb 5 zu regeln sind. Der Planetenträger 17 kann beispielsweise einteilig oder mehrteilig mit drehfest miteinander verbundenen Komponenten ausgeführt sein.

[0024] Da das Drehmoment am Planetenträger 17 das größte im gesamten Differenzialgetriebe 3 ist, empfiehlt es sich, z.B. eine Übersetzungsstufe zwischen dem Planetenträger 17 und dem Differenzialantrieb 5 zu implementieren. Dafür bietet sich z.B. eine Stirnradstufe an, jedoch wird diese, aufgrund der hohen Drehmomente, sehr massiv. Alternativ wäre eine zusätzliche separate Planetenstufe und/oder eine Winkelgetriebestufe einsetzbar.

[0025] Als wesentlich bessere Alternative wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in das Differenzialgetriebe 3 eine zweite Planetenstufe 18 an die erste Planetenstufe 15 anzubinden bzw. in diese zu integrieren - und zwar derart, dass nur ein Planetenträger 17 erforderlich ist. Dieser trägt somit die zwei oder mehr Planetenräder 16 des Hauptpfades (erste Planetenstufe 15) und die Planetenräder 19 des Nebenpfades (zweite Planetenstufe 18). Das Hohlrad 20 des Nebenpfades ist (direkt oder indirekt) mit dem Getriebegehäuse verbunden. Der Differenzialantrieb 5 ist mit dem Sonnenrad 21 der zweiten Planetenstufe 15 direkt oder indirekt gekoppelt.

[0026] In einer alternativen Ausführungsform, kann das Hohlrad 20 des Differenzialantriebs 5 drehzahlvariabel angetrieben werden. Der Differenzialantrieb 5 ist dann mit dem Hohlrad 20 direkt oder indirekt gekoppelt. In diesem Fall ist das Sonnenrad 21 drehfest mit dem Getriebegehäuse verbunden.

[0027] Die Anordnung des Differenzialantriebes 5 ist entweder koaxial zum Sonnenrad 21 bzw.

Hohlrad 20, kann aber in beiden Fällen und wie in Fig. 2 dargestellt, über ein Anpassungsgetriebe 22 versetzt sein. Alternativ kann das Anpassungsgetriebe 22 beispielsweise auch mehrstufig sein, bzw. als Zahnriemen, Kettentrieb, Planetenstufe oder als Winkelgetriebe ausgeführt werden.

[0028] Die Planetenräder 16, 19 beider Planetenstufen 15, 18 können gemeinsam auf Planetenbolzen 23 gelagert werden. In dieser Variante ergibt sich, dass der Axialabstand der Planetenräder 16, 19 von der Drehachse des Planetenträgers 17 für beide Planetenstufen 15, 18 gleich ist. Sind unterschiedliche Axialabstände für Planetenräder 16 und 19 notwendig, wären separate Planetenbolzen für die Planetenräder 16 bzw. 19 erforderlich. Die Anzahl der Planetenräder 16, 19 pro Planetenstufe 15, 18 ist entsprechend den technischen Anforderungen zu wählen. Die Anzahl kann bei Bedarf unterschiedlich für die Planetenstufen 15 und 18 sein. Darüber hinaus können die Planetenräder für die Planetenstufe 15 und/oder 18 auch als Stufenplaneten ausgeführt werden.

[0029] Da der Differenzialantrieb 5 vorzugsweise motorisch und generatorisch betrieben wird, ergeben sich für die Planetenräder 16 und 19 sehr unterschiedliche Drehzahlverhältnisse. Es sind die Drehzahlen für die Planetenräder 19 grundsätzlich wesentlich niedriger als für die Planetenräder 16 und werden darüber hinaus im Regelbetrieb zeitweise auch mit Drehzahl gleich Null betrieben. Somit bietet sich für die Lagerung der Planetenräder 19 vorzugsweise eine Wälzlagerung an. Andererseits werden die Planetenräder 16 mit verhältnismäßig hoher Drehzahl betrieben, womit sich hierfür vorzugsweise eine Gleitlagerung anbietet. Die Lagerung der Planetenräder ist entsprechend den gegebenen technischen Rahmenbedingungen auszuwählen und nicht auf die jeweils vorzugsweise genannte Ausführungsform zu beschränken.

[0030] Wird aus z.B. schwingungs- bzw. lärmtechnischen Gründen eine Schrägverzahnung gefordert, so bieten sich folgende Alternativen an. Einerseits kann man die Planetenräder 16 und/oder 19 mit einer sogenannten Pfeilverzahnung versehen, wodurch als zusätzlicher Vorteil keine durch eine Schrägverzahnung hervorgerufenen Querkräfte und Kippmomente entstehen. Dies schafft optimale Rahmenbedingungen für die Lagerung der Zahnräder. Nachteil einer Pfeilverzahnung ist ein erhöhter Fertigungs- und Montageaufwand. Anstelle einer Pfeilverzahnung können die Zahnräder aus jeweils zwei Zahnrädern bestehen und es können dadurch in weiterer Folge, durch gezielte Wahl der Schrägungswinkel, resultierende Querkräfte und Kippmomente vermieden werden. Dies bietet sich u.a. auch für bereits erwähnte Stufenplaneten an, die entsprechend gegensinnig verzahnt sein können.

[0031] Als Arbeitsmaschine 1 ist in den Figuren beispielhaft eine Pumpe dargestellt. Das hier beschriebene Konzept ist jedoch auch bei Antrieben für Arbeitsmaschinen wie z.B. Kompressoren, Ventilatoren und Förderbänder, Mühlen, Brecher, etc. oder Energiegewinnungsanlagen und dergleichen anwendbar.

[0032] Im Falle des Einsatzes des erfindungsgemäßen Systems bei einer Energiegewinnungsanlage arbeitet die Antriebsmaschine 1 im Wesentlichen im generatorischen Betrieb und demzufolge dreht sich der Leistungsfluss im gesamten Antriebsstrang im Vergleich zur Darstellung bzw. Beschreibung in Fig. 2 um.

[0033] Ein Differenzialantrieb 5 für eine Pumpe als Arbeitsmaschine 1 hat beispielsweise eine Leistung von rund 15% der System- Gesamtleistung. Das wiederum bedeutet, dass mit dem Differenzialsystem bzw. dem Antriebsstrang im Regelbetrieb keine niedrigen Drehzahlen an der Arbeitsmaschine 1 realisiert werden können. Muss die Arbeitsmaschine 1 von Drehzahl Null in ihren Arbeitsdrehzahlbereich (dies ist der Drehzahlbereich, in dem die Arbeitsmaschine 1 im Wesentlichen arbeitet) gebracht werden, so kann dies realisiert werden, indem z.B. der Differenzialantrieb 5 eingebremst (entweder elektrisch oder mittels Motorbremse) und die Antriebsmaschine 4 an das Netz geschaltet wird. Die Antriebsmaschine 4 wiederum kann aus dem Stand nur ein reduziertes Drehmoment aufbringen, bzw. zieht sie einen vielfachen Nennstrom, um auf annähernd Synchrondrehzahl zu beschleunigen. Durch Einsatz einer sogenannten Stern/Dreieck-Schaltung oder einer sogenannten Dämpferwicklung in der Antriebsmaschine 4 kann man zwar den Hochfahr-Strom reduzieren, reduziert damit jedoch auch das realisierbare

Hochfahr-Drehmoment.

[0034] Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform für ein Hochfahr-Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Antriebsmaschine 4 in einem ersten Schritt auf eine Betriebsdrehzahl beschleunigt wird (Hochstarten der Antriebsmaschine 4), während der Differenzialantrieb 5 vom zweiten Antrieb getrennt ist, und dass in einem weiteren Schritt die Arbeitsmaschine 1 beschleunigt wird, indem die Drehzahl des bis dahin ungebremsten zweiten Antriebs (Sonnenrad 21 bzw. Hohlrad 20) mittels einer Synchronisationseinrichtung 25 mit der Drehzahl des Differenzialantriebs 5 synchronisiert wird. Die Synchronisationseinrichtung 25 ist in Fig. 3 zwischen Sonnenrad 21 und Anpassungsgetriebe 22 positioniert. Sie kann jedoch auch nach dem Anpassungsgetriebe 22 bzw. bei mehrstufiger Ausführung eines Anpassungsgetriebes auf einer Zwischenwelle des Anpassungsgetriebes 22 angebracht werden. Damit kann man das spezifische Drehmoment und die spezifische Drehzahl für die Synchronisationseinrichtung 25 variieren.

[0035] Wenn der Differenzialantrieb 5 das Hohlrad 20 antreibt, kann ein entsprechendes Anpassungsgetriebe auch zwischen Differenzialantrieb 5 und Hohlrad 20 angebracht werden. Die Feststellungen bezüglich Positionierung der Synchronisationseinrichtung 25 gelten analog.

[0036] Um die während des Hochfahrens entstehenden hohen Drehzahlen am Planetenträger 17 zu vermeiden, kann eine Synchronisationseinrichtung 25, wenn sie z.B. als vorzugsweise ölgekühlte Lamellenkupplung ausgeführt ist, in einem ersten Schritt z.B. nur mit Öl gespült und/oder nicht oder nur teilweise geschlossen werden. Dadurch entsteht in der Synchronisationseinrichtung 25 ein sogenanntes Schleppmoment (äußeres bremsenden Drehmoment), wodurch die Arbeitsmaschine 1 in leichte Drehbewegung versetzt wird, wobei der Differenzialantrieb 5 ein Gegenmoment in der zumindest gleichen Höhe bereitzustellen hat. Entsprechend der konstruktiven Ausgestaltung und der Ölviskosität bzw. der Regelung der Synchronisationseinrichtung 25 werden dabei vorzugsweise 2-20%, insbesondere 5 bis 15%, des übertragbaren Nenndrehmomentes übertragen. Der dabei entstehende Vorteil ist, dass, indem die Arbeitsmaschine 1 in Drehbewegung versetzt wird, die maximale Drehzahl des Planetenträgers 17 und damit die maximalen auf die Lagerung der Planetenräder 16, 19 wirkenden (und quadratisch mit der Drehzahl wachsenden) Fliehkräfte reduziert werden. Mit z.B. 5% des Nenndrehmomentes als Schleppmoment kann man im Falle einer Pumpe etwa 25% der Nenndrehzahl der Arbeitsmaschine 1 erreichen. Dies wiederum bedeutet, dass die maximal auftretenden Fliehkräfte an der Lagerung der Planetenräder 16, 19 um etwa 40% reduziert werden können. Darüber hinaus wird auch die sich während des Hochfahr-Prozesses einstellende maximale Drehzahl der Planetenräder 16, 19 um etwa 25% reduziert.

[0037] Entsprechend den geforderten Rahmenbedingungen für das Anfahren der Antriebsmaschine 4 bzw. der Arbeitsmaschine 1, kann das Schleppmoment auch höher gewählt werden und z.B. 15-20% betragen, wobei es hierbei keine prinzipielle Begrenzung nach oben gibt, ein Schleppmoment zwischen 2 und 20% jedoch technisch mit einfachen Mitteln zu realisieren ist und aufgrund der quadratisch mit der Drehzahl wachsenden Fliehkräfte diese sehr effektiv reduziert.

[0038] Wählt man für das Hochstarten der Antriebsmaschine 4 einen Prozess in Anlehnung an die WO 2014/169302 A, gestaltet man idealerweise das Hochfahrverfahren derart, dass die maximale für den Hochfahrprozess erforderliche Leistung des Wechselrichters die Nennleistung des Wechseltrichters 6 nicht überschreitet, um diesen für das Anfahren der Antriebsmaschine 4 einsetzen zu können.

[0039] Eine Lamellenkupplung (auch als Reiblamellenkupplung bezeichnet) besteht aus wenigstens einer Innen- und einer Außenlamelle. Die Innenlamelle(n) ist (sind) mit einer Welle verzahnt und die Außenlamelle(n) wird (werden) von einem innenverzahnten, rohrförmigen Träger aufgenommen. Um das zu übertragende Drehmoment zu erhöhen, werden oft mehrere Innen- und Außenlamellen abwechselnd angeordnet, so dass bei gleicher Betätigungskraft durch die größere Belagfläche höhere Momente übertragen werden können. Das charakteristische Merkmal einer Lamellenkupplung im Vergleich zu anderen Kupplungen ist die Anordnung mehrerer Reibbeläge in Reihe. Dabei wirkt die gleiche Anpresskraft auf alle Reibpaare. Lamellenkupplungen sind unter Last schaltbar. Meistens sind diese in Öl laufend und überwiegend in hochbelasteten Haupt- oder Anfahrkupplungen oder in Sperrdifferenzialen im Einsatz.

[0040] Wird die Lamellenkupplung als sogenannte fail-safe-Kupplung ausgeführt, dann wird sie z.B. gegen Federdruck oder Öldruck, etc. geschlossen. Der Vorteil ist, dass das System damit „fail-safe" ausgeführt werden kann. Dies bedeutet, dass bei einem Systemfehler (z.B. Stromausfall, etc.) die Kupplung automatisch öffnet und damit der Differenzialantrieb 5 vor z.B. schädigender Überdrehzahl geschützt werden kann.

[0041] Alternativ zu einer Lamellenkupplung ist auch eine Visco-Kupplung, oder ein Retarder als Synchronisationseinrichtung 25 einsetzbar.

[0042] Bei Einsatz einer Visco-Kupplung oder eines Retarders muss vorzugsweise eine Sperrvorrichtung vorgesehen werden, um nach erfolgter Synchronisation die Drehbewegung des Differenzialantriebes 5 schlupffrei übertragen zu können.

[0043] Eine Visco-Kupplung wird z.B. im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Im Prinzip überträgt sie in ihrem Inneren eine Drehbewegung über eine kreisförmige Scheibe (Lamelle) an der Eingangsseite an ein Fluid, welches wiederum eine weitere Lamelle an der Ausgangsseite antreibt. Durch diese Bauform überträgt die Visco-Kupplung ein Drehmoment und ermöglicht einen Drehzahlausgleich. Je größer die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangslamelle ist, umso größer wird das Drehmoment, welches die Visco-Kupplung übertragen kann. Durch Drehzahlregelung des Differenzialantriebes 5 kann die Drehzahldifferenz zwischen diesem (unter Berücksichtigung eines allenfalls vorhandenen Anpassungsgetriebes 22) und der Sonnenradwelle 21 (bzw. Hohlrad 20) entsprechend dem gewünschten zu übertragenden Drehmoment geregelt werden.

[0044] Weiters kann durch Erhöhung der Anpresskraft zwischen den Lamellen der Visco-Kupplung einerseits das übertragbare Drehmoment geregelt bzw. die Visco-Kupplung gesperrt werden, womit diese in weiterer Folge die Drehbewegung des Differenzialantriebes 5 schlupffrei übertragen kann.

[0045] Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Triebstranges für ein alternatives Verfahren zum Hochfahren eines Antriebes gemäß der Erfindung.

[0046] Beim Hochfahren werden in dieser Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Schritt der Differenzialantrieb 5 und das Anpassungsgetriebe 22 durch eine Kupplung 26 vom Rest des Triebstranges entkoppelt. Wird nun die Antriebsmaschine 4 hochgestartet und mit dem Netz verbunden, so dreht das Sonnenrad 21 (bzw. alternativ, wie schon zu Fig. 3 beschrieben, das Hohlrad 20) frei mit und es kann sich im gesamten Triebstrang kein nennenswertes Drehmoment aufbauen. Somit verbleibt auch in diesem Fall die Arbeitsmaschine 1 in einem Bereich kleiner Drehzahl und die Antriebsmaschine 4 kann ohne nennenswertes äußeres Gegenmoment mit dem Netz 12 synchronisiert werden.

[0047] Um Stromspitzen beim Synchronisieren der Antriebsmaschine 4 mit dem Netz 12 zu vermeiden, kann entweder eine Stern/Dreieck-Schaltung implementiert oder die Antriebsmaschine 4 durch eine Hilfseinrichtung - z.B. einen kleinen, vorzugsweise drehzahlvariablen Antrieb - auf (annähernd) Synchrondrehzahl gebracht und anschließend mit dem Netz 12 synchronisiert und/oder verbunden werden, oder ein Verfahren zum Hochfahren in Anlehnung an das in der WO 2014/169302 A beschriebene Verfahren, wie schon zu Fig. 3 beschrieben, eingesetzt werden.

[0048] Alternativ kann bei geschlossener Kupplung 26 die Antriebsmaschine 4 mit dem Differenzialantrieb 5 auf Drehzahl gebracht werden. Dabei kann die Antriebsmaschine 4 zwar nicht bis zu ihrer Synchrondrehzahl beschleunigt werden, zumindest ist jedoch der sich einstellende Anfahrstrom kleiner. Die Kupplung 26 wird abschließend wieder geöffnet.

[0049] Die hier beschriebenen Verfahren zum Hochstarten der Antriebsmaschine 4 sind analog auch auf das Verfahren gemäß Fig. 3 anzuwenden.

[0050] Sobald die mit dem ersten Antrieb des Differenzialgetriebes 3 verbundene Antriebsmaschine 4 über eine gewisse Drehzahl beschleunigt wurde und die Arbeitsmaschine 1 sich währenddessen nur langsam dreht, stellt sich am Sonnenrad 21 (bzw. am Hohlrad 20) eine entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes hohe Drehzahl ein, welche (unter Berücksichtigung des Anpassungsgetriebes 22) über dem erlaubten Regeldrehzahlbereich für den Differenzialantrieb 5 liegt. Der Regeldrehzahlbereich ist der Drehzahlbereich, in dem der Differenzialantrieb 5 arbeitet um den Arbeitsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine 1 realisieren zu können. Der Regeldrehzahlbereich wird dabei v.a. durch die vom Hersteller spezifizierten Spannungs-, Strom- und Drehzahlgrenzen bestimmt. In dieser Phase kann der Differenzialantrieb 5 nicht mit dem Netz 12 verbunden sein. In einem weiteren Schritt wird daher mit einer Synchronisationsbremse 27, beispielsweise einer Scheibenbremse, der mit dem Sonnenrad 21 (bzw. Hohlrad 20) verbundene, zweite Antrieb des Differenzialgetriebes 3 auf eine Drehzahl verzögert, welche im Regeldrehzahlbereich des Differenzialantriebs 5 liegt. In weiterer Folge wird der differenzialantriebseitige Teil der Kupplung 26 (vorzugsweise mittels Differenzialantrieb 5) vorzugsweise mit der Drehzahl des zweiten Antriebs des Differenzialgetriebes synchronisiert und anschließend die Kupplung 26 geschlossen. Die Kupplung 26 ist vorzugsweise eine formschlüssige Klauenkupplung oder eine kraftschlüssige Lamellenkupplung. Ein Vorteil der kraftschlüssigen Lamellenkupplung ist, dass, wenn sie dafür ausgelegt ist, keine Synchronisation der beiden Kupplungshälften notwendig ist.

[0051] Durch Aktivierung der Synchronisationsbremse 27 wird zwangsläufig die Antriebswelle 2 beschleunigt, wobei das dazu zur Verfügung stehende Drehmoment durch das Minimum aus der auf die Antriebswelle 2 wirkenden Bremskraft der Synchronisationsbremse 27 einerseits und dem Kippmoment der Antriebsmaschine 4 andererseits bestimmt wird. D.h. im Gegensatz zu den Anfahroptionen gemäß Stand der Technik kann hier das mehrfache Nenndrehmoment als Anfahrmoment von Drehzahl Null weg realisiert werden, da das typische. Kippmoment einer Drehstrommaschine beim ca. 2 bis 3-fachen ihres Nenndrehmomentes liegt.

[0052] In einem ersten Schritt kann (wie schon zu Fig. 3 beschrieben) auch durch die Synchronisationsbremse 27 ein sogenanntes Schleppmoment (mit dem die Arbeitsmaschine 1 in leichte Drehbewegung versetzt wird) aufgebracht werden.

[0053] Grundsätzlich kann diese Anfahrmethode auch bei z.B. Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, was mitunter erforderlich ist, weil diese im Teildrehzahlbereich nur ein Drehmoment erzeugen können, welches wesentlich geringer als ihr Nenndrehmoment ist.

[0054] Die Kupplung 26 und die Synchronisationsbremse 27 sind in Fig. 4 zwischen Sonnenrad 21 und Anpassungsgetriebe 22 positioniert.

[0055] Sie können jedoch auch nach dem Anpassungsgetriebe 22 bzw. bei mehrstufiger Ausführung auf einer Zwischenwelle des Anpassungsgetriebes 22 angebracht werden. Damit kann man das Drehmoment und die Drehzahl für die Synchronisationsbremse 27 variieren. Die Kupplung 26 und die Synchronisationsbremse 27 müssen auch nicht zwangsläufig hintereinander positioniert werden und können zur Realisierung des Hochfahr-Verfahrens entsprechend den konstruktiven Gegebenheiten frei zwischen Differenzialantrieb 5 und Sonnenwelle 21 positioniert werden.

[0056] Wenn der Differenzialantrieb 5 das Hohlrad 20 antreibt, kann analog ein entsprechendes Anpassungsgetriebe auch zwischen Differenzialantrieb 5 und Hohlrad 20 angebracht werden.

[0057] Die Feststellungen bezüglich Positionierung von Kupplung 26 und Synchronisationsbremse 27 gelten dabei analog. Als Synchronisationsbremse 27 wird beispielweise eine Scheibenbremse (= mechanische Bremse) eingesetzt, womit diese auch als Betriebs- und Sicherheitsbremse für den Differenzialantrieb 5 dienen kann. Damit kann die Synchronisationsbremse 27 grundsätzlich auch die Funktion einer Sicherheitsbremse erfüllen, welche den Differenzialantrieb 5 und das Anpassungsgetriebe 22 vor unerlaubter Überdrehzahl schützt.

[0058] Alternativ kann jedoch auch jede Art von Bremse eingesetzt werden. Insbesondere bieten sich hier sogenannte Retarder an. Hier ist zunächst einmal die Gruppe der hydrodynami- sehen Retarder (= hydraulische Bremse) zu nennen. Hydrodynamische Retarder arbeiten meist mit Öl oder Wasser, das bei Bedarf in ein Wandlergehäuse geleitet wird. Das Wandlergehäuse besteht aus zwei rotationssymmetrischen und sich gegenüberliegenden Schaufelrädern, und zuvor einem Rotor, der mit dem Triebstrang der Anlage verbunden ist, und einem feststehenden Stator. Der Rotor beschleunigt das zugeführte Öl und die Zentrifugalkraft drückt es nach außen. Durch die Form der Rotorschaufeln wird das Öl in den Stator geleitet, der dadurch ein bremsendes Drehmoment im Rotor induziert und in weiterer Folge dann auch den gesamten Triebstrang bremst. Bei einem elektrodynamischen Retarder (= elektrische Bremse), z.B. einer Wirbelstrombremse, sind z.B. zwei Stahlscheiben (Rotoren), die nicht magnetisiert sind, mit dem Antriebsstrang verbunden. Dazwischen liegt der Stator mit elektrischen Spulen. Wenn durch Aktivierung des Retarders Strom eingesteuert wird, werden Magnetfelder erzeugt, die durch die Rotoren geschlossen werden. Die gegenläufigen Magnetfelder erzeugen dann die Bremswirkung. Die entstandene Wärme wird z.B. durch innenbelüftete Rotorscheiben wieder abgegeben.

[0059] Ein wesentlicher Vorteil eines Retarders als Betriebsbremse ist dessen Verschleißfreiheit und gute Regelbarkeit.

[0060] Der erfindungsgemäße Triebstrang (gemäß Figuren 3 und 4) kann auch dazu verwendet werden, die Antriebsmaschine 4 im Phasenschiebebetrieb zu betreiben. D.h., dass die Antriebsmaschine 4 Blindstrom in das bzw. aus dem Netz 12 liefern bzw. beziehen kann, ohne dass die Arbeitsmaschine 1 betrieben wird.

Claims (16)

1. Patentansprüche 1. Antriebsstrang mit einer Antriebswelle (2), einer Antriebsmaschine (4) und mit einem Planetengetriebe (3) mit zwei Antrieben und einem Abtrieb, wobei der Abtrieb mit der Antriebswelle (2) einer Arbeitsmaschine (1), ein Antrieb mit der Antriebsmaschine (4) und der zweite Antrieb mit einem Differenzialantrieb (5) verbunden ist, wobei das Planetengetriebe (3) zwei Planetenstufen (15, 18) aufweist, deren Planetenträger (17) drehfest miteinander verbunden sind, wobei die Antriebswelle (2) mit dem Sonnenrad (13) einer Planetenstufe (15) verbunden ist, und wobei der Differenzialantrieb (5) mit dem Sonnenrad (21) oder dem Hohlrad (20) der anderen Planentenstufe (18) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (2) mit dem Sonnenrad (13) der Planetenstufe (15) verbunden ist, mit deren Hohlrad (14) die Antriebsmaschine (4) verbunden ist.
2. 2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Planetenträger (17) für beide Planetenstufen (15, 18).
3. 3. Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Planetenräder (16, 19) der beiden Planetenstufen (15, 18) unterschiedlich ist.
4. 4. Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Planetenräder (16, 19) der beiden Planetenstufen (15, 18) gemeinsam auf Planetenbolzen (23) gelagert sind.
5. 5. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (16, 19) Stufenplaneten sind.
6. 6. Antriebsstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenplaneten gegensinnig verzahnt sind.
7. 7. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (16, 19) eine Pfeilverzahnung aufweisen.
8. 8. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) über eine Anpassungsgetriebestufe (22) mit dem zweiten Antrieb verbunden ist.
9. 9. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (4) eine mit einem Stromnetz (12) verbundene Drehstrommaschine oder eine Verbrennungskraftmaschine ist.
10. 10. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) eine Drehstrommaschine ist.
11. 11. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Antrieb mit einer Synchronisationseinrichtung (25) verbunden ist.
12. 12. Antriebsstrang nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung (25) eine Kupplung, insbesondere eine, vorzugsweise ölgekühlte, Lamellenkupplung oder eine Visco-Kupplung ist.
13. 13. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Antrieb mit einer Synchronisationsbremse (27), z.B. einer Scheibenbremse, verbunden ist.
14. 14. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung (25) oder die Synchronisationsbremse (27) ein Retarder ist.
15. 15. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzialantrieb (5) über eine Kupplung (26) mit dem zweiten Antrieb verbunden ist.
16. 16. Pumpe, Kompressor, Lüfter, Energiegewinnungsanlage oder dergleichen mit einem Antriebsstrang, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgeführt ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen