DE102006013052B4

DE102006013052B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Begrenzung des Wicklungsstroms einer Generator-Elektromotor-Kombination

Info

Publication number: DE102006013052B4
Application number: DE102006013052.9A
Authority: DE
Inventors: Sven Martin
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: DE102006013052A1

Abstract

Vorrichtung zur Begrenzung des Wicklungsstroms einer Generator-Elektromotor-Kombination (40), umfassend mindestens einen antriebsseitigen Rotor (42), mindestens einen Stator (1), an dem mindestens eine Wicklung (3) vorgesehen ist und dessen Position zur Veränderung einer aktiven Leiterlänge List veränderbar ist, mindestens einen abtriebsseitigen Rotor (45) und mindestens eine Recheneinheit, wobei durch Rotation des antriebsseitigen Rotors (42) ein Strom I in der mindestens einen Wicklung (3) induzierbar ist, der abtriebsseitige Rotor (45) durch den Strom I in Rotation versetzbar ist und durch Veränderung der Statorposition ein Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem (42) und abtriebsseitigem Rotor (45) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit aus einer Mehrzahl von geeigneten Eingangsgrößen einen in der Wicklung (3) zu erwartenden Strom IStrang abschätzt, mit einem maximal zulässigen Wicklungsstrom Imax vergleicht und bei Erreichen und/oder Überschreiten des maximal zulässigen Wicklungsstroms Imax durch den zu erwartenden Strom IStrang eine maximal zulässige aktive Leiterlänge Lmax so festlegt, dass der zu erwartende Strom IStrang den maximal zulässigen Strom Imax nicht übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung des Wicklungsstroms einer Generator-Elektromotor-Kombination, insbesondere eines elektromagnetischen Drehmomentwandlers oder elektromagnetischen Getriebes, zur Verwendung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantriebsstruktur, nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8.
Es sind bereits elektromagnetische Getriebe bzw. Drehmoment-Wandler zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 44 08 719 C1 eine Generator- Elektromotor-Kombination, die als elektromagnetischer Drehmoment-Wandler oder elektromagnetisches Getriebe mit großer Spreizung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantriebsstruktur verwendbar ist. Dabei weist die Generator-Elektromotor-Kombination ein Gehäuse auf, in dem der Rotor und der Stator sowohl des Generators als auch des Elektromotors angeordnet sind, sowie einen an einer Eingangswelle befestigen hohlzylindrischen Generator-Rotor und einen an einer Ausgangswelle befestigten hohlzylindrischen Motor-Rotor, wobei die Rotoren axial nebeneinander liegen und an ihrer Innenseite in Umfangsrichtung verteilt Permanent-Magnete mit wechselnder Polarität vorgesehen sind. Zudem ist ein axial verschiebbar angeordneter hohlzylindrischer Stator mit wenigstens einer Kurzschlusswicklung vorgesehen, die abhängig von der Stellung der Permanent-Magnete der beiden Rotoren zueinander geschaltet wird. Mit Hilfe von Magnetfeldsensoren zwischen den Permanent-Magneten wird die Polarität sich gegenüberliegender Permanent-Magnete ermittelt und in Abhängigkeit von den Sensorsignalen die Kurzschlussleitung geschlossen oder geöffnet. Auf diese Weise lässt sich die Drehrichtung der Ausgangswelle einstellen, während die Positionierung der Kurzschlusswicklung unter den Permanent-Magneten des Motor- oder Generator-Rotors die Drehzahl und das Abtriebsmoment der Ausgangswelle festlegt. Die Schaltung der Kurzschlusswicklung erfolgt dabei mit Hilfe von steuerbaren Halbleiterelementen, beispielsweise mittels bipolarer Transistoren. Da die verwendeten Halbleiterelemente je nach spezifischer Ausführung jedoch nur für eine Dauerstrombelastung in einer vom Halbleiterhersteller vorgegebenen Höhe ausgelegt sind, besteht insbesondere bei hohen eingangsseitig in die Generator-Elektromotor-Kombination eingekoppelten Leistungen die Gefahr einer Zerstörung der Leistungselektronik aufgrund der auftretenden Stromhöhe in der Kurzschlusswicklung.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Generator-Elektromotor-Kombination dahingehend zu verbessern, dass sich der Wicklungsstrom während des Betriebs auf einen für die Leistungselektronik unschädlichen Bereich begrenzen lässt.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass mit Hilfe eines Regelkreises der Stromfluss in der Statorwicklung, der sich unter den aktuellen Bedingungen bei deren unveränderter Beibehaltung zumindest theoretisch einstellen würde, zunächst anhand von vorab ermittelten Eingangsgrößen abgeschätzt werden kann, so dass durch Vergleich mit einem maximal zulässigen Grenzwert rechtzeitig Maßnahmen zur Vermeidung eines Überschreitens des maximal zulässigen Stromwerts eingeleitet werden können, noch bevor der abgeschätzte Stromfluss tatsächlich eintritt. Dies wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Begrenzung des Wicklungsstroms einer Generator-Elektromotor-Kombination vorgeschlagen wird, umfassend mindestens einen antriebsseitigen Rotor, mindestens einen Stator, an dem mindestens eine Wicklung vorgesehen ist und dessen Position zur Veränderung einer aktiven Leiterlänge L_ist veränderbar ist, mindestens einen abtriebsseitigen Rotor und mindestens eine Recheneinheit, wobei durch Rotation des antriebsseitigen Rotors ein Strom I in der mindestens einen Wicklung induzierbar ist, der abtriebsseitige Rotor durch den Strom I in Rotation versetzbar ist und durch Veränderung der Statorposition ein Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem und abtriebsseitigem Rotor einstellbar ist, die Recheneinheit aus einer Mehrzahl von geeigneten Eingangsgrößen einen in der Wicklung zu erwartenden Strom I_Strang abschätzt, mit einem maximal zulässigen Wicklungsstrom I_max vergleicht und bei Erreichen und/oder Überschreiten des maximal zulässigen Wicklungsstroms I_max durch den zu erwartenden Strom I_Strang eine maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max so festlegt, dass der zu erwartende Strom I_Strang den maximal zulässigen Strom I_max nicht übersteigt. Die so ermittelte maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max kann dann verwendet werden, um die Eintauchtiefe des Stators in den antriebsseitigen Rotor nicht so groß werden zu lassen, dass ein Überschreiten des maximal zulässigen Wicklungsstroms I_max eintritt, bzw. ggf. auch, um eine bereits vorhandene Eintauchtiefe nachträglich zu reduzieren.
Auf diese Weise lassen sich Beschädigungen an der Leistungselektronik aufgrund von Überlastung durch einen zu hohen (dauerhaften) Stromfluss während des Betriebs der Generator-Elektromotor-Kombination vermeiden. Zum grundlegenden Verständnis der Funktionsweise der Generator-Elektromotor-Kombination sei dabei auf die Patentschrift DE 44 08 719 C1 verwiesen, auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird. Unter der aktiven Leiterlänge L_ist ist dabei diejenige Leiterlänge zu verstehen, die sich im Magnetfeld des antriebsseitigen Rotors, d. h. des Generatorteils der Anordnung, befindet, d. h. von den Permanentmagneten des antriebsseitigen Rotors „abgedeckt” wird. Diese aktive Leiterlänge List kann dabei durch Veränderung der Eintauchtiefe des Stators in den antriebsseitigen Rotor, beispielsweise durch axiales Verschieben des Stators, verändert werden. Damit ändert sich dann auch der durch das Magnetfeld des antriebsseitigen Rotors in der Wicklung induzierte Strom. Durch Veränderung der Eintauchtiefe des Stators in den antriebsseitigen Rotor verändert sich in gegenläufigem Maße dann auch die Eintauchtiefe des Stators in den abtriebsseitigen Rotor, so dass das Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem und abtriebsseitigem Rotor verändert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die geeigneten Eingangsgrößen zumindest die aktuelle aktive Leiterlänge L_ist, die aktuelle Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors (welche der aktuellen Drehzahl eines mit dem antriebsseitigen Rotor in Wirkverbindung stehenden Antriebsmotors entspricht), die Drehzahl n_ab des abtriebsseitigen Rotors sowie die lokale Temperatur T an der Wicklung. Auf diese Weise lässt sich auch ohne eine direkte Strommessung der zu erwartende Stromfluss I_Strang in der Wicklung mittels folgender Formel berechnen:
Dabei entspricht U_Antrieb der elektromagnetischen Induktion des antriebsseitigen Rotors, U_Abtrieb der elektromagnetischen Induktion des abtriebsseitigen Rotors, U_Halb der Halbleiter-Abfallspannung (Kollektor-Emitter-Abfallspannung) und R_Temp dem Widerstand R der Wicklung bei der lokalen Temperatur T. Der Widerstand R_Raum der Wicklung bei Raumtemperatur ist bekannt und vorzugsweise in der Recheneinheit als fester Wert hinterlegt, ebenso wie der Verlauf der Widerstandsänderung der Wicklung in Abhängigkeit der Temperatur. Die aktuelle lokale Temperatur T an der Wicklung kann dann beispielsweise mittels eines herkömmlichen dafür geeigneten Sensors gemessen und daraus der Widerstand R_Temp bei der lokalen Temperatur T ermittelt werden. Die elektromagnetischen Induktionen U_Antrieb und U_Abtrieb können dabei durch die Recheneinheit mittels der folgenden Formel berechnet werden: U = B·L·v, wobei B die magnetische Flussdichte im jeweiligen Rotor ist, L die in den Rotor eingetauchte Leiterlänge der Wicklung und v die Umfangsgeschwindigkeit, die sich bei bekannten Abmessungen der Rotoren aus den aktuellen Drehzahlen n_ist des antriebsseitigen Rotors und n_ab des abtriebsseitigen Rotors in einfacher Weise ermitteln lässt. Die aktuelle Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors entspricht dabei vorzugsweise gleichzeitig einer aktuellen Drehzahl n_mot des Antriebsmotors der Generator-Elektromotor-Kombination, z. B. eines Verbrennungsmotors. Die Halbleiter-Abfallspannung H_Halb ist vom Halbleiterhersteller werkseitig festgelegt und demnach vorzugsweise bereits als bekannter Wert in der Recheneinheit hinterlegt. Da die magnetische Flussdichte B sowie die Abmessungen der Rotoren und der Widerstand R_Raum der Wicklung bei Raumtemperatur einschließlich der Temperaturfunktion des Wicklungswiderstands R bekannt ist, benötigt die Recheneinheit noch lediglich die aktuelle aktive Leiterlänge L_ist, die Drehzahlen n_ist und n_ab der Rotoren sowie die lokale Temperatur T an der Wicklung, um aus diesen Größen mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes und der Maschenregel den zu erwartenden Strom I_Strang, der sich bei Beibehaltung der zugrunde gelegten physikalischen Größen einstellen wird, zu berechnen. Somit kann beispielsweise auf einen oder mehrere Stromsensoren an der Wicklung verzichtet werden, was aufgrund der baulichen Enge im Bereich des Stators einen beträchtlichen Vorteil bietet. So sind nämlich sämtliche üblichen Messmethoden zur Bestimmung des Stromflusses, beispielsweise mittels Sensoren, in der Regel zu groß, um ohne konstruktive Einschränkung im Stator einer herkömmlichen Generator-Elektromotor-Kombination untergebracht werden zu können. D. h. durch die beschriebene erfindungsgemäße Ausnutzung bereits ohnehin vorhandener Messgrößen wird eine Bestimmung des Stroms I_Strang ohne wesentliche bauliche Veränderung des Stators überhaupt erst ermöglicht. Zwar ist der maximal zulässige Strom I_max aufgrund der konstruktiven Auslegung der Halbleiter in der Regel ein fester Wert, der sich während des Betriebs der Generator-Elektromotor-Kombination nicht mehr ändert. Die maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max hängt jedoch von dem einzustellenden Drehzahl- bzw. Drehmomentverhältnis und den zugrunde liegenden Drehzahlen bzw. Drehmomenten an den Rotoren ab und muss daher laufend überprüft bzw. der aktuellen Betriebssituation angepasst werden. Es ist auch des Weiteren zumindest theoretisch denkbar, dass an Stelle der Drehzahlen n_ist und n_ab bei ausreichend hoher Genauigkeit der Messung die zugehörigen Drehmomente des antriebs- sowie abtriebsseitigen Rotors als Eingangsgröße verwendet werden, um daraus mit Hilfe der anderen bereits erwähnten Größen den zu erwartenden Strangstrom I_Strang zu ermitteln. Allerdings lassen sich die zugehörigen Drehmomente in der Regel, sofern kein entsprechender Sensor vorhanden ist, gegenüber den Drehzahlen nur vergleichsweise schlecht, d. h. beispielsweise lediglich als Schätzwert, ermitteln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ermittelt die Recheneinheit aus weiteren geeigneten Eingangsgrößen eine berechnete aktive Leiterlänge L_stator, welche einer erwünschten Statorposition entspricht, und begrenzt bei Erreichen und/oder Überschreiten der maximal zulässigen aktiven Leiterlänge L_max durch die berechnete aktive Leiterlänge L_stator eine einzustellende aktive Leiterlänge L_soll auf die maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max. Auf diese Weise kann zunächst – unabhängig von der oben beschriebenen Schutzfunktion zur Vermeidung von Überlastungen durch einen zu hohen Strangstrom in der Wicklung – eine zumindest nach Maßgabe sonstiger vorliegender Betriebsparameter „ideale” erwünschte aktive Leiterlänge L_stator bestimmt werden. Diese sonstigen vorliegenden Betriebsparameter (z. B. erwünschte Drehzahlregelung, Fahrstrategie, erwünschtes Übersetzungsverhältnis, etc.) spiegeln sich vorzugsweise in den weiteren geeigneten Eingangsgrößen wider. Die „ideale” erwünschte aktive Leiterlänge L_stator entspricht einer zugehörigen Eintauchtiefe des Stators in den antriebsseitigen Rotor, wodurch bei einer sofortigen Einregelung dieses Wertes somit ein ideales” erwünschtes Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem und abtriebseitigem Rotor eingestellt würde. Bevor diese zunächst berechnete aktive Leiterlänge L_stator, die einer erwünschten Statorposition entspricht, als Sollwert L_soll an eine Steuereinheit zur tatsächlichen Einstellung der Statorposition übermittelt wird, ist es nun vorteilhaft, die mittels der erfindungsgemäßen Schutzfunktion zur Begrenzung des Statorstroms ermittelte maximale aktive Leiterlänge L_max mit der berechneten aktiven Leiterlänge zu vergleichen. Ist die „ideale” zunächst berechnete aktive Leiterlänge L_stator kleiner als die maximale aktive Leiterlänge L_max, so kann sie problemlos als Sollwert L_soll zur tatsächlichen Einstellung der Statorposition verwendet werden. Ist jedoch die berechnete aktive Leiterlänge größer als die maximale aktive Leiterlänge L_max, so wird stattdessen die maximale aktive Leiterlänge L_max als Sollwert L_soll zur Einstellung der Statorposition verwendet, um keine Überlastung der Leistungselektronik zu riskieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die weiteren geeigneten Eingangsgrößen zumindest die erwünschte Drehzahl n_soll des mit dem antriebsseitigen Rotor in Wirkverbindung stehenden Antriebsmotors, die tatsächliche Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors, das von dem Antriebsmotor bereitgestellte motorseitige Antriebsmoment M_mot und die Drehzahl des abtriebsseitigen Rotors n_ab. Neben bereits vorhandenen bzw. bekannten Werten, wie Betriebskonstanten oder systemspezifischen Parametern sind zur Ermittlung der „idealen” berechneten aktiven Leiterlänge L_max und damit zur Einstellung eines erwünschten Übersetzungsverhältnisses zwischen antriebsseitigem und abtriebsseitigern Rotor keine weiteren Messwerte erforderlich. Auf zusätzliche Sensoren kann dann also verzichtet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Recheneinheit zumindest einen PI-Regler zur Regelung der berechneten aktiven Leiterlänge L_stator und/oder der tatsächlich einzustellenden aktiven Leiterlänge L_soll. Auf diese Weise erfolgt dann nicht nur eine einfache Ansteuerung der Statorposition bzw. des einzustellenden Übersetzungsverhältnisses mittels eines Stllwerts, sondern es kann eine dynamische Regelung erfolgen, die die realen Betriebsverhältnisse und Randbedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Strangwiderstand, Flussdichte oder sonstige Verstärkungsfaktoren, erfasst und bei der Ermittlung eines Sollwerts für die Statorregelung berücksichtigt. Erfolgt die Ermittlung des Sollwerts für die tatsächliche Regelung der Statorposition ohne Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Schutzfunktion zur Vermeidung eines zu hohen Stromflusses, so gibt der PI-Regler vorzugsweise direkt den Sollwert für die aktive Leiterlänge L_soll aus. Andernfalls gibt der PI-Regler zunächst lediglich den „idealen” Wert der berechneten aktiven Leiterlänge L_stator aus und nachfolgend wird dieser dann unter Einbeziehung der Schutzfunktion mit dem von dieser ermittelten Wert der maximal zulässigen aktiven Leiterlänge L_max verglichen, um dann – je nachdem, welcher Wert der größere ist – zu bestimmen, welcher von beiden als Sollwert L_soll für die Regelung der Statorposition herangezogen wird. Mittels des PI-Reglers kann dabei eine schnelle und präzise Regelung erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Statorregler vorgesehen, welcher die aktive Leiterlänge L_ist durch Verstellung der Statorposition mit Hilfe einer Hydraulikeinheit oder elektromechanischen Stelleinheit an die tatsächlich einzustellende aktive Leiterlänge L_soll anpasst. Der Statorregler ist dabei vorzugsweise als analoger Regler ausgebildet. Somit kann die Verstellung der Statorposition in Abhängigkeit des vorher ermittelten Sollwerts der einzustellenden aktiven Leiterlänge L_soll präzise umgesetzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ermittelt die Recheneinheit die erwünschte Drehzahl n_soll des Antriebsmotors entweder in Abhängigkeit eines vom Fahrer eingebbaren Fahrerwunsches oder in Abhängigkeit der aktuellen Fahrgeschwindigkeit und legt das Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem und abtriebsseitigem Rotor so fest, dass sich die erwünschte Drehzahl n_soll am Antriebsmotor einstellt. Dabei hängt die erwünschte Drehzahl n_soll des in der Regel als Verbrennungsmaschine ausgebildeten Antriebsmotors von einer üblicherweise vorab festgelegten Fahrstrategie ab, beispielsweise von dem etwa mittels eines Fahrpedals durch den Fahrer eingegebenen Leistungswunsch hinsichtlich Drehzahl, Beschleunigung bzw. Fahrgeschwindigkeit etc. Die Eingangsdrehzahl des Verbrennungsmotors lässt sich dann neben der eigentlichen Ansteuerung durch ein Motorsteuergerät auch zusätzlich mittels der stufenlos einstellbaren Übersetzung anhand der Generator-Elektromotor-Kombination einregeln. Dabei ist bei der Festlegung des Sollwerts n_soll der Eingangsdrehzahl vorzugsweise zu berücksichtigen, dass der Fahrer normalerweise erwartet, dass beispielsweise bei einem großen von ihm vorgegebenen Fahrpedalwert nicht nur eine Erhöhung der Leistung, sondern auch eine Erhöhung der Drehzahl erfolgt und dies als Rückkopplung auf seine Vorgabe des Fahrwunsches subjektiv als angenehm empfindet, obwohl diese Rückkopplung technisch nicht notwendig ist, da aufgrund der Möglichkeit einer stufenlosen Einregelung eines Übersetzungsverhältnisses des elektrischen Getriebes die Drehzahl des Verbrennungsmotors auch bei steigender oder abfallender Leistung beispielsweise konstant gehalten werden könnte. In gleichem Maße empfindet es der Fahrer normalerweise als angenehm und „natürlich”, wenn sich auch bei einer Zunahme der Fahrzeuggeschwindigkeit die Drehzahl des Verbrennungsmotors erhöht. Auch dies ist daher vorzugsweise bei der Ermittlung des Sollwerts n_soll des Antriebsmotors zu berücksichtigen. Weiter vorzugsweise wird von der Recheneinheit sowohl ein Soll-Drehzahlwert n_DK des Antriebsmotors in Abhängigkeit des vom Fahrer mittels des Fahrpedals eingegebenen Leistungswunsches als auch ein Soll-Drehzahlwert n_vfz des Antriebsmotors in Abhängigkeit der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt. Erst dann werden weiter vorzugsweise beide Werte n_DK und n_vfz miteinander verglichen und der kleinere von beiden wird dann als Sollwert n_soll des Antriebsmotors verwendet und unter Zuhilfenahme der Drehzahlregelung der Generator-Elektromotor-Kombination eingeregelt. So wird der Erwartung und dem subjektiven Empfinden des Fahrers hinsichtlich der sich einstellenden Drehzahl des Antriebsmotors bestmöglich entsprochen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 eine schematische Darstellung der Drehzahlregelung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein Ablaufdiagramm eines in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendeten PI-Reglers,
3 eine schematische Darstellung der in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingesetzten Fahrstrategie und
4 eine schematische Darstellung einer Generator-Elektromotor-Kombination (Stand der Technik).
1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip einer Drehzahlregelung, welche in einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Begrenzung des Wicklungsstroms einer Generator-Elektromotor-Kombination 40 (s. 4) zur Anwendung kommt. Dabei kann mit Hilfe eines Regelkreises ein zu erwartender Strom I_Strang (nicht dargestellt) in einer Statorwicklung, der sich bei unveränderter Beibehaltung aktueller Betriebsbedingungen theoretisch einstellen würde, zunächst anhand von vorab ermittelten Eingangsgrößen abgeschätzt werden, so dass durch Vergleich mit einem maximal zulässigen Grenzwert I_Max (nicht dargestellt) rechtzeitig Maßnahmen zur Vermeidung eines Überschreitens des maximal zulässigen Stromwerts I_Max eingeleitet werden können, noch bevor sich der abgeschätzte Stromfluss I_Strang tatsächlich dauerhaft einstellt. Die Generator-Elektromotor-Kombination 40 (s. 4), deren Drehzahl unter erfindungsgemäßer Begrenzung des Wicklungsstroms geregelt werden soll, umfasst dabei zumindest einen antriebsseitigen Rotor 42, einen Stator 1, an dem mindestens eine Wicklung 3 vorgesehen ist und dessen Position zur Veränderung einer aktiven Leiterlänge L_ist veränderbar ist, einen abtriebsseitigen Rotor 45 sowie eine Recheneinheit (nicht dargestellt). Durch Rotation des antriebsseitigen Rotors 42 ist ein Strom I in der Wicklung 3 induzierbar und der abtriebsseitige Rotor 45 ist durch den Strom I in Rotation versetzbar. Durch Veränderung der Position des Stators 1 ist dann ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem antriebsseitigen Rotor 42 und dem abtriebsseitigen Rotor 45 einstellbar. Die Recheneinheit umfasst dabei zumindest einen PI-Regler 10 sowie eine Schutzfunktionseinheit 20. An dem als Schutzfunktionseinheit 20 ausgebildeten Teil der Recheneinheit liegen als Eingangsgrößen zum einen die aktuelle aktive Leiterlänge L_ist der Wicklung 3, die aktuelle Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors 42, die Drehzahl n_ab des abtriebsseitigen Rotors 45 sowie die lokale Temperatur T an der Wicklung 3 an. Die Recheneinheit schätzt dann, ohne eine direkte Strommessung vorzunehmen, aus diesen Eingangsgrößen einen in der Wicklung 3 zu erwartenden Strom I_Strang ab und vergleicht diesen mit einem maximal zulässigen Wicklungsstrom I_max. Da die magnetische Flussdichte B sowie die Abmessungen der Rotoren 42, 45 und der Widerstand R_Raum der Wicklung 3 bei Raumtemperatur einschließlich der Temperaturfunktion des Wicklungswiderstands R bekannt ist, benötigt die Recheneinheit lediglich die aktuelle aktive Leiterlänge L_ist, die Drehzahlen n_ist und n_ab der Rotoren 42, 45 sowie die lokale Temperatur T an der Wicklung 3, um aus diesen Größen mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes und der Maschenregel den zu erwartenden Strom I_Strang, der sich bei Beibehaltung der zugrunde gelegten physikalischen Größen einstellen wird, zu berechnen. Die aktuelle Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors 42 entspricht dabei der aktuellen Drehzahl n_mot eines mit dem antriebsseitigen Rotor 42 in Wirkverbindung stehenden Antriebsmotors (nicht dargestellt) der Generator-Elektromotor-Kombination 40. Bei Erreichen und/oder Überschreiten des maximal zulässigen Wicklungsstroms I_max durch den zu erwartenden Strom I_Strang legt die Recheneinheit mittels der Schutzfunktionseinheit 20 dann eine maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max so fest, dass der zu erwartende Strom I_Strang den maximal zulässigen Strom I_max gerade nicht übersteigt. Parallel dazu ermittelt die Recheneinheit mit Hilfe des PI-Reglers 10 aus weiteren Eingangsgrößen eine berechnete aktive Leiterlänge L_stator, welche einer erwünschten Position des Stators 1 entspricht, die sich ohne die Berücksichtigung einer Begrenzung der Höhe des Stromflusses in der Wicklung 3 ergeben würde. Die weiteren Eingangsgrößen umfassen dabei zumindest die erwünschte Drehzahl n_soll des mit dem antriebsseitigen Rotor 42 in Wirkverbindung stehenden Antriebsmotors (nicht dargestellt), die tatsächliche Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors 42, welche der Drehzahl n_mot des Antriebsmotors entspricht, das von dem Antriebsmotor bereitgestellte motorseitige Antriebsmoment M_mot und die Drehzahl n_ab des abtriebsseitigen Rotors 45. Die mittels des PI-Reglers 10 aus diesen weiteren Eingangsgrößen ermittelte „ideale” erwünschte aktive Leiterlänge L_stator entspricht einer zugehörigen Eintauchtiefe des Stators 1 in den antriebsseitigen Rotor 42, wodurch bei einer sofortigen Einregelung dieses Wertes somit ein „ideales” erwünschtes Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem und abtriebseitigem Rotor 42, 45 eingestellt würde, wenn die zur Schaltung der Kurzschlusswicklungen verwendete Leistungselektronik der Höhe des Stromflusses in der Wicklung 3 keine technischen Grenzen setzen würde. Bevor jedoch diese zunächst berechnete aktive Leiterlänge L_stator als Sollwert L_soll an einen Statorregler 50 zur tatsächlichen Einstellung der Statorposition übermittelt wird, vergleicht nun die Recheneinheit die mittels der Schutzfunktionseinheit 20 ermittelte maximale aktive Leiterlänge L_max mit der mittels des PI-Reglers 10 ermittelten aktiven Leiterlänge L_stator. Ist die „ideale” zunächst berechnete aktive Leiterlänge L_stator kleiner als die maximale aktive Leiterlänge L_max, so wird sie als Sollwert L_soll zur tatsächlichen Einstellung der axialen Position des Stator 1 verwendet. Ist jedoch die berechnete aktive Leiterlänge L_stator größer als die maximale aktive Leiterlänge L_max, so wird stattdessen die maximale aktive Leiterlänge L_max als Sollwert L_sollzur Einstellung der axialen Position des Stators 1 verwendet, um keine Überlastung der Leistungselektronik zu riskieren. Der als PI-Regler 10 ausgebildete Teil der Recheneinheit dient also zur Regelung der berechneten aktiven Leiterlänge L_stator bzw. der tatsächlich einzustellenden aktiven Leiterlänge L_soll. Bei Erreichen und/oder Überschreiten der maximal zulässigen aktiven Leiterlänge L_max durch die berechnete aktive Leiterlänge L_stator begrenzt dann die Recheneinheit die einzustellende aktive Leiterlänge L_soll auf die maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max. Über den vorzugsweise als analogen Regler ausgebildeten Statorregler 50 wird dann die aktive Leiterlänge L_ist durch Verstellung der axialen Position des Stators 1 mit Hilfe einer Hydraulikeinheit oder elektromechanischen Stelleinheit an die tatsächlich einzustellende aktive Leiterlänge L_soll angepasst. Durch die Verstellung der axialen Position des Stators 1 wird ein Potentiometer 30 betätigt, welcher in Form eines Gebers als Lagesensor für den Stator 1 dient, wobei dessen Ausgabewert der axialen Position des Stators 1 entspricht und somit von der Recheneinheit als aktive Leiterlänge L_ist interpretierbar ist.
2 zeigt das Ablaufdiagramm des in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendeten PI-Reglers 10. Wie beschrieben dient der PI-Regler 10 zur Regelung der berechneten aktiven Leiterlänge E_stator bzw. der über die Verstellung der Position des Stators 1 tatsächlich einzustellenden aktiven Leiterlänge L_soll. Dazu stehen dem PI-Regler 10 zunächst als weitere Eingangsgrößen bzw. als von der Recheneinheit übernommene Größen die Drehzahl n_ab des abtriebsseitigen Rotors 45, die erwünschte Drehzahl n_soll des Antriebsmotors, die aktuelle Drehzahl n_mot des Antriebsmotors, der aktuelle Widerstand der Wicklung 3, das maximale Drehmoment M_max des Antriebsmotors, das motorseitige Antriebsmoment M_mot sowie das Motorinduktionsmoment mit Eingriff M_ist zur Verfügung. Die Drehzahl n_ab des abtriebsseitigen Rotors 45 unterscheidet sich dabei vorzugsweise von der Fahrzeuggeschwindigkeit v_fz insbesondere aufgrund eines zwischen abtriebsseitigem Rotor 45 und den angetriebenen Rädern wirkenden Differentialgetriebes. Der aktuelle Widerstand R_ist der Wicklung 3 ändert sich in Abhängigkeit der Temperatur T. Das maximale Drehmoment M_max des Antriebsmotors berechnet sich ohne Verlustmomente, d. h. es entspricht dem maximalen Eingangsmoment. Auch das motorseitige Antrtebsmoment M_mot beruht auf einer Berechnung ohne Berücksichtigung weiterer äußerer Eingriffe, entspricht also dem üblicherweise per Kraftstoffeinspritzung aufgebrachten Motorinduktionsmoment. Das aktuelle Motorinduktionsmoment M_ist mit Eingriff berücksichtigt jedoch auch zusätzliche äußere Einflüsse, welche gegenüber dem motorseitigen Antriebsmoment M_mot aufgrund eines Abgriffs von Leistung, z. B. an der Kurbelwelle, einen Leistungsentzug zur Folge haben, beispielsweise durch Klimaanlage, Keilriemen, Lichtmaschinen, Wasser- oder Servopumpe, etc. Das aktuelle Motorinduktionsmoment Mist mit Eingriff beschreibt also das rotorseitig anliegende aktuelle Eingangsdrehmoment. Im PI-Regler erfolgt als weiterer Schritt eine Filterung der erwünschten Drehzahl n_soll des Antriebsmotors sowie die Berechnung einer Drehzahlabweichung n_del zwischen der erwünschten Drehzahl n_soll und der aktuellen Drehzahl n_ist des Antriebsmotors. Dann erfolgt zunächst eine Vorsteuerung der Eintauchtiefe des Stators mittels einer Vorsteuergröße v_wert für die Statorstellung, welche durch jeweils unterschiedliche Formeln berechnet wird, abhängig davon, ob das maximale Drehmoments M_max des Antriebsmotors größer Null ist oder nicht, d. h. Schub- oder Zugbetrieb vorliegt. Dabei geht in die Berechnung neben den erwähnten von der Recheneinheit übemommenen Größen auch eine Konstante K_Q sowie die gesamte Statorlänge L_S,ges ein. Für letztere besteht ein proportionaler Zusammenhang zur Stranglänge der Wicklung 3, welche sich aus der Anzahl der Wicklungen und der gesamten Statorlänge L_S,ges ergibt. Es erfolgt des Weiteren die Ermittlung eines lediglich als Hilfsgröße zur Berechnung der Soll-Eintauchtiefe des Stators dienenden variablen Verstärkungsfaktors „wert” aus den Werten für R_ist, n_ab und n_soll sowie die Berechnung des I-Regleranteils i_wert und des P-Regleranteils p_wert, jeweils unter zusätzlicher Berücksichtigung eines Verstärkungsfaktors in Form einer Konstante K_R_I bzw. K_R_P. Für die Größe des I-Regleranteils i_wert ist zudem zu berücksichtigen, ob der Antrieb sich im Zugbetrieb befindet, wie er beispielsweise beim Vorwärtsbeschleunigen im normalen Fahrbetrieb vorliegt, oder aber im Schubbetrieb, wie er beispielsweise beim Verzögern mittels „Motorbremse” vorliegt. Tritt zwischenzeitlich ein Wechsel zwischen Schub- und Zugbetrieb des Antriebs auf, so wird ein „Reset” des Integrators des PI-Reglers 10 vorgenommen. Es ist z. B. vorstellbar, dass bei einem Wechsel von Schubauf Zugbetrieb der i_wert vorzugsweise auf beispielsweise 80.000 gesetzt wird, während er bei einem Wechsel von Zug- auf Schubbetrieb weiter vorzugsweise auf beispielsweise –80.000 gesetzt wird. Aus den Größen v_wert sowie den Regleranteilen i_wert und p_wert und dem variablen Verstärkungsfaktor „wert” lässt sich dann nachfolgend als erste Näherung eines Sollwerts für die Eintauchtiefe die einzustellende aktive Leiterlänge L_soll berechnen. Soll ein langsames Anfahren des Fahrzeugs aus dem Stillstand, d. h. ein sog. „Kriechen”, erfolgen, kann durch die Generator-Elektromotor-Kombination auch eine Kupplungsfunktion erzielt werden. Dazu muss eine entsprechende Anfahrübersetzung gewählt werden, die nur so groß sein darf, dass gerade noch ein Moment übertragen wird, d. h. das Fahrzeug sanft anrollen kann und keinen ruckartigen Sprung in Fahrtrichtung vollzieht. Aus diesem Grund darf die aktive Leiterlänge des Stators 1 zu Beginn des Kriechens nur so groß sein, dass zwischen an- und abtriebsseitigem Rotor 42, 45 gerade noch ein Moment übertragen wird. Eine dieser Leiterlänge entsprechende Eintauchtiefe L_KRIECH_MAX des Stators für den ruckfreien Beginn des Kriechens lässt sich vorab festlegen. Erkennt die Recheneinheit, dass ein Kriechen vorliegt, d. h. ein langsames Anfahren erwünscht ist, so setzt der PI-Regler 10 die einzustellende aktive Leiterlänge L_soll auf den Wert von L_KRIECH_MAX. Des Weiteren wird durch den PI-Regler, je nachdem ob Zug- oder Schubbetrieb vorliegt, die berechnete maximale (bzw. bei Schubbetrieb minimale) Eintauchtiefe L_PI_max des Stators ermittelt, welche zur Begrenzung des Sollwerts der Eintauchtiefe nach oben bzw. nach unten dient. L_PI_max berechnet sich jeweils aus den Spannungsanteilen U_ohm, U_Halb, U_emk und U_wick sowie im Zugbetrieb U_ind, die ins Verhältnis zu der mit einer Maschinenkonstante K_M multiplizierten Summe der Drehzahlen n_ab und n_ist gesetzt werden. Dabei bezeichnet U_ohm den ohmschen Anteil der Spannung in der Wicklung 3, der sich aus dem Strom I und dem Widerstand R ergibt, U_Halb die Halbleiter-Abfallspannung, d. h. die abhängig vom verwendeten Halbleiter zwischen Kollektor und Emitter abfallende Spannung, U_emk die Eigeninduktion der Maschine aufgrund der Drehung der Rotoren 42, 45, U_wick die Wickelkopfinduktion, die bei der Bewegung der Rotoren 42, 45 über den Wickelkopf des Stators 1 auftritt und U_ind einen induzierten Anteil der Spannung, der sich aus einer zusätzlich benötigten Induktionsspannung zum Zwecke des Verlustausgleichs ergibt. Im Zugbetrieb wird zunächst ermittelt, ob die bereits vorab ermittelte Soll-Eintauchtiefe des Stators die maximale Eintauchtiefe übersteigt, d. h. es wird eine Leiterlängendifferenz d_L der bislang berechneten einzustellenden aktiven Leiterlänge L_soll und der berechneten maximalen Eintauchtiefe L_PI_max ermittelt. Im Schubbetrieb wird zum Zwecke der Drehmomentregelung vorzugsweise der Sollwert des Drehmoments M_soll auf „1” gesetzt. Dann erfolgt jeweils eine Begrenzung des Sollwerts der Eintauchtiefe, d. h. der einzustellenden aktiven Leiterlänge L_soll, auf die maximale bzw. minimale Eintauchtiefe L_PI_max. Im Zugbetrieb wird nachfolgend mittels eines Abregelmechanismus der Sollwert M_soll, d. h. das einzustellende Drehmoment der Generator-Elektromotor-Kombination, begrenzt, sofern das abtriebsseitige Drehmoment zu groß zu werden droht und dann z. B. aufgrund von entstehendem Schlupf an den Fahrzeugrädern nicht mehr als Fahrleistung auf die Straße gebracht werden kann. Dazu wird beispielsweise anhand der vorab ermittelten Leiterlängendifferenz d_L zwischen einzustellender und maximaler Eintauchtiefe eine Umrechnung der Leiterlängen durchgeführt, um daraus den Sollwert des Drehmoments M_soll zu ermitteln und ggf. nach oben zu begrenzen, ohne dass durch den Antriebsmotor eine Anpassung des bereitgestellten Moments erfolgt.
3 zeigt schematisch das Funktionsprinzip einer Fahrstrategie, welche im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Begrenzung des Wicklungsstroms einer Generator-Elektromotor-Kombination 40 (s. 4) zur Anwendung kommt. Die erwünschte Drehzahl n_soll des in der Regel als Verbrennungsmaschine ausgebildeten Antriebsmotors hängt von einer üblicherweise vorab festgelegten Fahrstrategie ab. Im vorliegenden Fall berücksichtigt diese zum einen den beispielsweise mittels eines Fahrpedals durch den Fahrer eingegebenen Leistungswunsch hinsichtlich Drehzahl, Beschleunigung und zum anderen die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit v_fz. Die Eingangsdrehzahl des Antriebsmotors wird dann – neben der eigentlichen Ansteuerung des Antriebsmotors durch ein Motorsteuergerät – zusätzlich mittels der stufenlos einstellbaren Übersetzung anhand der Generator-Elektromotor-Kombination 40 eingeregelt. So ist zum einen ein Sensor 60 zur Ermittlung des Fahrerwunsches vorgesehen, welcher beispielsweise anhand der Fahrpedalstellung oder der Drosselklappenstellung erfasst, ob der Fahrer die Geschwindigkeit des Fahrzeugs erhöhen, beibehalten oder reduzieren möchte. Das Signal des Sensors 60 zur Ermittlung des Fahrerwunsches wird vorzugsweise mittels eines oder mehrerer Tiefpassfilter 65 gefiltert, bevor daraus von der Recheneinheit ein Soll-Drehzahlwert n_DK des Antriebsmotors in Abhängigkeit des vom Fahrer eingegebenen Leistungswunsches ermittelt wird. Zum anderen ist ein Geschwindigkeitssensor 70 zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehen, beispielsweise ein Tachometer, welcher ein Signal erzeugt, aus dem die Recheneinheit einen Soll-Drehzahlwert n_vfz des Antriebsmotors in Abhängigkeit der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit v_fz ermittelt. Der Fahrer erwartet normalerweise, dass beispielsweise bei einem großen von ihm vorgegebenen Fahrpedalwert nicht nur eine Erhöhung der Leistung, sondern auch eine Erhöhung der Drehzahl des Antriebsmotors erfolgt und empfindet eine solche Drehzahlerhöhung dann als Rückkopplung auf seine Vorgabe des Fahrwunsches subjektiv als angenehm. In gleichem Maße empfindet es der Fahrer normalerweise als angenehm und „natürlich”, wenn sich auch – unabhängig von der Fahrpedalstellung – bei einer Zunahme der Fahrzeuggeschwindigkeit v_fz die Drehzahl des Verbrennungsmotors erhöht. Dies wird bei der erfindungsgemäßen Festlegung des Sollwerts n_soll der Eingangsdrehzahl des Antriebsmotors berücksichtigt. Die Recheneinheit ermittelt sowohl die Soll-Drehzahl n_DK des Antriebsmotors in Abhängigkeit eines vom Fahrer eingebbaren Fahrerwunsches als auch die Soll-Drehzahl n_vfz des Antriebsmotors in Abhängigkeit der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit und legt erst dann das Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem Rotor 42 und abtriebsseitigem Rotor 45 so fest, dass sich die erwünschte Drehzahl n_soll am Antriebsmotor einstellt. Dazu werden die beiden Soll-Drehzahlen n_DK und n_vfz miteinander verglichen und der kleinere der beiden Werte wird dann als Sollwert n_soll des Antriebsmotors verwendet und unter Zuhilfenahme einer Drehzahlregelung 80 der Generator-Elektromotor-Kombination 40 eingeregelt. Die beschriebene Umsetzung dieser Fahrstrategie stellt dabei auch ohne die beschriebene Schutzfunktion zur Begrenzung des Wicklungsstroms eine eigenständige Erfindung dar, welche zur Verbesserung der Regelung der Motordrehzahl bei der Verwendung von stufenlos verstellbaren Getrieben dient, und begründet somit auch unabhängig von einer nachgelagerten Regelung der Statorposition bereits selbst eine erfinderische Tätigkeit.
4 zeigt schematisch die Generator-Elektromotor-Kombination 40 (Stand der Technik), die als elektromagnetischer Drehmoment-Wandler oder elektromagnetisches Getriebe mit großer Spreizung, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantriebsstruktur, ausgebildet ist. Die Generator-Elektromotor-Kombination 40 ist in einem Gehäuse 4 angeordnet und weist vorzugsweise den als Generator-Rotor ausgebildeten antriebsseitigen Rotor 42, den als Elektromotor-Rotor ausgebildeten abtriebsseitigen Rotor 45 sowie den axial verschiebbar angeordneten hohlzylindrischen Stator 1 mit einem Statorträger 2 auf, an welchem als Kurzschlusswicklungen ausgebildete Wicklungen 3 vorgesehen sind. Die Wicklungen 3 werden dabei zum Betrieb der Generator-Elektromotor-Kombination 40 in Abhängigkeit von der Stellung von Permanent-Magneten 43, 46, die jeweils auf dem antriebsseitigen (Generator-)Rotor 42 und dem abtriebsseitigen (Elektromotor-)Rotor 45 angeordnet sind, zueinander geschaltet, wobei vorzugsweise mit Hilfe von Magnetfeldsensoren (nicht dargestellt) zwischen den Permanent-Magneten 43, 46 die Polarität sich gegenüberliegender Permanent-Magnete 43, 46 ermittelt wird und in Abhängigkeit von den Sensorsignalen die Leitungen der (Kurzschluss-)Wicklungen 3 geschlossen oder geöffnet werden. Auf diese Weise lässt sich die Drehrichtung einer über ein Lager 36 in dem Gehäuse 4 abgestützten Abtriebswelle 44 der Generator-Elektromotor-Kombination 40 einstellen, während die Positionierung der Kurzschlusswicklungen 3 unter den Permanent-Magneten 43, 46 des abtriebsseitigen (Elektromotor-)Rotors 45 oder antriebsseitigen (Generator-)Rotors 42 die Drehzahl und das Abtriebsmoment der Abtriebswelle 44 festlegt und im Verhältnis zu einer über ein Lager 35 in dem Gehäuse 4 abgestützten Antriebswelle 41 verändern kann. Der antriebsseitige (Elektromotor-)Rotor 45 ist zudem über Lager 38, 39 auf der tief in das Gehäuse 4 geführten Antriebswelle 41 abgelagert. Die Positionierung der Wicklungen 3 unter den Permanent-Magneten 43, 46 kann dabei durch axiales Verschieben des Stators 1 mittels einer an einer Schiebehülse 48 angeordneten Verschiebestange 47 verändert werden, wobei die Verschiebestange 47 durch eine Öffnung 49 in dem Gehäuse 4 hindurchragt. Die Schaltung der (Kurzschluss-)Wicklungen 3 erfolgt dabei mit Hilfe von steuerbaren Halbleiterschaltmodulen (nicht dargestellt), die beispielsweise als bipolare Transistoren ausgebildet sein können. Dabei ist vorzugsweise die Leistungselektronik, deren Bestandteil die Halbleiterschaltmodule sind, am und/oder im Stator 1, weiter vorzugsweise in dessen Innenvolumen, angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Statorträger
3: Wicklung
4: Gehäuse
10: PI-Regler
20: Schutzfunktion
30: Potentiometer
35: Lager
36: Lager
38: Lager
39: Lager
40: Generator-Elektromotor-Kombination
41: Antriebswelle
42: antriebsseitiger Rotor
43: Permanent-Magneten
44: Abtriebswelle
45: abtriebsseitiger Rotor
46: Permanent-Magneten
47: Verschiebestange
48: Schiebehülse
49: Öffnung
50: Statorregler
60: Sensors zur Ermittlung des Fahrerwunsches
65: Tiefpassfilter
70: Geschwindigkeitssensor
80: Drehzahlregelung
B: magnetische Flussdichte
d_L: Leiterlängendifferenz
I_max: maximal zulässiger Wicklungsstrom
I_Strang: in der Wicklung zu erwartender Strom
i_wert: I-Regleranteil
K_M: Maschinenkonstante
K_Q: Konstante aus quadratischer Formel für Vorsteuergröße
K_R_I: Verstärkungsfaktor I-Regleranteil
K_R_P: Verstärkungsfaktor P-Regleranteil
L_ist: aktive Leiterlänge
L_KRIECH_MAX: Eintauchtiefe des Stators für ruckfreien Beginn des Kriechens
L_max: maximal zulässige aktive Leiterlänge
L_PI_max: berechnete maximale (bzw. minimale) Eintauchtiefe
L_S,ges: gesamte Statorlänge
L_soll: einzustellende aktive Leiterlänge
L_stator: berechnete aktive Leiterlänge
M_ist: Motorinduktionsmoment mit Eingriff
M_max: maximales Drehmoment des Antriebsmotors
M_mot: motorseitiges Antriebsmoment
M_soll: Sollwert des Drehmoments
n_ab: Drehzahl des abtriebsseitigen Rotors
n_ist: Drehzahl des antriebsseitigen Rotors
n_mot: aktuelle Drehzahl des Antriebsmotors
n_DK: Soll-Drehzahl des Antriebsmotors bzgl. Drosselklappen- bzw. Fahrpedalstellung
n_vfz: Soll-Drehzahl des Antriebsmotors bzgl. Fahrzeug-geschwindigkeit
n_soll: erwünschte Drehzahl des Antriebsmotors
p_wert: P-Regleranteil
R_ist: aktueller Widerstand der Wicklung
R_Temp: Widerstand der Wicklung bei der lokalen Temperatur T
R_Raum: Widerstand der Wicklung bei Raumtemperatur
T: lokale Temperatur an der Wicklung
U_Antrieb: elektromagnetische Induktion des antriebsseitigen Rotors
U_Abtrieb: elektromagnetische Induktion des abtriebsseitigen Rotors
U_emk: Eigeninduktion aufgrund der Drehung der Rotoren
U_Halb: Halbleiter-Abfallspannung
U_ind: induzierter Anteil der Spannung
U_ohm: ohmscher Anteil der Spannung
U_wick: Wickelkopfinduktion
v_fz: Fahrzeuggeschwindigkeit
v_wert: Vorsteuergröße für Statorstellung
wert: Verstärkungsfaktor

Claims

Vorrichtung zur Begrenzung des Wicklungsstroms einer Generator-Elektromotor-Kombination (40), umfassend mindestens einen antriebsseitigen Rotor (42), mindestens einen Stator (1), an dem mindestens eine Wicklung (3) vorgesehen ist und dessen Position zur Veränderung einer aktiven Leiterlänge L_ist veränderbar ist, mindestens einen abtriebsseitigen Rotor (45) und mindestens eine Recheneinheit, wobei durch Rotation des antriebsseitigen Rotors (42) ein Strom I in der mindestens einen Wicklung (3) induzierbar ist, der abtriebsseitige Rotor (45) durch den Strom I in Rotation versetzbar ist und durch Veränderung der Statorposition ein Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem (42) und abtriebsseitigem Rotor (45) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit aus einer Mehrzahl von geeigneten Eingangsgrößen einen in der Wicklung (3) zu erwartenden Strom I_Strang abschätzt, mit einem maximal zulässigen Wicklungsstrom I_max vergleicht und bei Erreichen und/oder Überschreiten des maximal zulässigen Wicklungsstroms I_max durch den zu erwartenden Strom I_Strang eine maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max so festlegt, dass der zu erwartende Strom I_Strang den maximal zulässigen Strom I_max nicht übersteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geeigneten Eingangsgrößen zumindest die aktuelle aktive Leiterlänge L_ist, die aktuelle Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors (42), die Drehzahl n_ab des abtriebsseitigen Rotors (45) sowie die lokale Temperatur T an der Wicklung (3) umfassen.
Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit aus weiteren geeigneten Eingangsgrößen eine berechnete aktive Leiterlänge L_stator ermittelt, welche einer erwünschten Statorposition entspricht, und bei Erreichen und/oder Überschreiten der maximal zulässigen aktiven Leiterlänge L_max durch die berechnete aktive Leiterlänge L_stator eine einzustellende aktive Leiterlänge L_soll auf die maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max begrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren geeigneten Eingangsgrößen zumindest die erwünschte Drehzahl n_soll eines mit dem antriebsseitigen Rotor (42) in Wirkverbindung stehenden Antriebsmotors, die tatsächliche Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors (42), das von dem Antriebsmotor bereitgestellte motorseitige Antriebsmoment M_mot und die Drehzahl n_ab des abtriebsseitigen Rotors (45) umfassen.
Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zumindest einen PI-Regler (10) zur Regelung der berechneten aktiven Leiterlänge L_stator und/oder der tatsächlich einzustellenden aktiven Leiterlänge L_soll umfasst.
Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Statorregler (50) vorgesehen ist, welcher die aktive Leiterlange L_ist durch Verstellung der Statorposition mit Hilfe einer Hydraulikeinheit oder elektromechanischen Stelleinheit an die tatsächlich einzustellende aktive Leiterlänge L_soll anpasst.
Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit die erwünschte Drehzahl n_soll des Antriebsmotors entweder in Abhängigkeit eines vom Fahrer eingebbaren Fahrerwunsches oder in Abhängigkeit der aktuellen Fahrgeschwindigkeit v_fz ermittelt und das Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem Rotor (42) und abtriebsseitigem Rotor (45) so festlegt, dass sich die erwünschte Drehzahl n_soll am Antriebsmotor einstellt.
Verfahren zur Begrenzung des Wicklungsstroms einer Generator-Elektromotor-Kombination (40), umfassend mindestens einen antriebsseitigen Rotor (42), mindestens einen Stator (1), an dem mindestens eine Wicklung (3) vorgesehen ist und dessen Position zur Veränderung einer aktiven Leiterlänge L_ist veränderbar ist, mindestens einen abtriebsseitigen Rotor (45) und mindestens eine Recheneinheit, wobei durch Rotation des antriebsseitigen Rotors (42) ein Strom I in der mindestens einen Wicklung (3) induziert wird, der abtrtebsseitige Rotor (45) durch den Strom I in Rotation versetzt wird und durch Veränderung der Statorposition ein Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem (42) und abtriebsseitigem Rotor (45) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit aus einer Mehrzahl von geeigneten Eingangsgrößen einen in der Wicklung (3) zu erwartenden Strom I_Strang abschätzt, mit einem maximal zulässigen Wicklungsstrom I_max vergleicht und bei Erreichen und/oder Überschreiten des maximal zulässigen Wicklungsstroms I_max durch den zu erwartenden Strom I_Strang eine maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max so festlegt, dass der zu erwartende Strom I_Strang den maximal zulässigen Strom I_max nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geeigneten Eingangsgrößen zumindest die aktuelle aktive Leiterlänge L_ist, die aktuelle Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors (42), die Drehzahl n_ab des abtriebsseitigen Rotors (45) sowie die lokale Temperatur T an der Wicklung (3) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit aus weiteren geeigneten Eingangsgrößen eine berechnete aktive Leiterlänge L_stator ermittelt, welche einer erwünschten Statorposition entspricht, und bei Erreichen und/oder Überschreiten der maximal zulässigen aktiven Leiterlänge L_max durch die berechnete aktive Leiterlänge L_stator eine einzustellende aktive Leiterlänge L_soll auf die maximal zulässige aktive Leiterlänge L_max begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren geeigneten Eingangsgrößen zumindest die erwünschte Drehzahl n_soll eines mit dem antriebsseitigen Rotor (42) in Wirkverbindung stehenden Antriebsmotors, die tatsächliche. Drehzahl n_ist des antriebsseitigen Rotors (42), das von dem Antriebsmotor bereitgestellte motorseitige. Antriebsmoment M_mot und die Drehzahl n_ab des abtriebsseitigen Rotors (45) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zumindest einen PI-Regler (10) zur Regelung der berechneten aktiven Leiterlänge L_stator und/oder der tatsächlich einzustellenden aktiven Leiterlänge L_soll umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Statorregler (50) vorgesehen ist, welcher die aktive Leiterlänge L_ist durch Verstellung der Statorposition mit Hilfe einer Hydraulikeinheit oder elektromechanischen Stelleinheit an die tatsächlich einzustellende aktive Leiterlänge L_soll anpasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit die erwünschte Drehzahl n_soll des Antriebsmotors entweder in Abhängigkeit eines vom Fahrer eingebbaren Fahrerwunsches oder in Abhängigkeit der aktuellen Fahrgeschwindigkeit v_fz ermittelt und das Übersetzungsverhältnis zwischen antriebsseitigem Rotor (42) und abtriebsseitigem Rotor (45) so festlegt, dass sich die erwünschte Drehzahl n_soll am Antriebsmotor einstellt.