DE102010047235A1

DE102010047235A1 - Antrieb mit zuschaltbarem Lastelement

Info

Publication number: DE102010047235A1
Application number: DE201010047235
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2012-04-05
Also published as: US20130285583A1; CN103155378B; WO2012062293A3; WO2012062293A2; EP2625773A2; DE112011100704A5; DE102010047235A8; CN103155378A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antrieb mit einer zur Erzeugung einer positiven Antriebskraft motorisch und zur Erzeugung einer negativen Antriebskraft (Bremskraft) generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (1), einem bei motorischem Betrieb die elektrische Maschine (1) mit Strom versorgenden und im generatorischen Betrieb durch die elektrische Maschine (1) aufladbaren Akkumulator (4) und einen Lastwiderstand (6) umfassenden Einrichtungen zur Begrenzung der Aufladung des Akkumulators (4). Erfindungsgemäß weisen die Begrenzungseinrichtungen ferner Einrichtungen (7, 8, 10) zur Erzeugung einer vor dem Lastwiderstand (6) Wärme ableitenden Strömung (9) auf. Die Erfindung betrifft ferner ein Element zur Bildung einer elektrischen, insbesondere in einem solchen Antrieb verwendbaren Last mit einem Lastwiderstand. Erfindungsgemäß ist ein Förderelement (8) zur Erzeugung von dem Lastwiderstand (6) Wärme abführenden Strömung (9) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb mit einer zur Erzeugung einer positiven Antriebskraft motorisch und zur Erzeugung einer negativen Antriebskraft (Bremskraft) generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine, einem bei motorischem Antrieb die elektrische Maschine mit Strom versorgenden und im generatorischen. Betrieb durch die elektrische Maschine aufladbaren Akkumulator und einen Lastwiderstand umfassenden Einrichtungen zur Begrenzung der Aufladung des Akkumulators. Die Erfindung betrifft ferner ein insbesondere für einen solchen Antrieb verwendbares Element zur Bildung einer elektrischen, einen Lastwiderstand umfassenden Last.
Elektrische Antriebe der oben genannten Art, die eine Rückgewinnung von Antriebsenergie ermöglichen, sind seit langem bekannt und werden in unterschiedlichen Landfahrzeugen eingesetzt. Auch die neuerdings an Bedeutung gewinnenden Hybridfahrzeuge umfassen einen solchen, mit einem Verbrennungsmotor kombinierten Antrieb, der bergab eine generatorische Bremskraft erzeugen kann, wobei die zu ladende Batterie die zur Erzeugung der Bremskraft erforderliche Last bildet.
Bei drohender Überladung des Akkumulators wird auf den genannten Lastwiderstand umgeschaltet, der ein Weiterfließen des Generatorstromes ohne weitere Aufladung des Akkumulators ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Antrieb bzw. ein neues Lastelement der eingangs genannten Art mit einem in der Baugröße verringerten Lastwiderstand zu schaffen.
Der diese Aufgabe lösende Antrieb nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtungen ferner Einrichtungen zur Erzeugung einer von dem Lastwiderstand Wärme ableitenden Strömung aufweisen. Entsprechend ist das Element zur Bildung einer elektrischen Last durch ein Förderelement zur Erzeugung einer von dem Lastwiderstand Wärme abführenden Strömung gekennzeichnet.
Vorteilhaft kann der Lastwiderstand geringe räumliche Abmessungen und damit auch ein geringes Gewicht aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Wärmeableitung mit Hilfe der Strömung ist es möglich, bei gleichbleibendem Widerstandswert sowohl den Leitungsquerschnitt als auch die Leitungslänge zu verringern. Die Wärmeableitung verhindert zu hohe, das Widerstandsmaterial, insbesondere dessen Formbeständigkeit, beeinträchtigende Temperaturen.
Während zur Bildung der Strömung unterschiedliche Strömungsmedien einschließlich strömender Flüssigkeiten verwendbar wären, sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Strömungserzeugungseinrichtungen zur Erzeugung eines Luftstroms vorgesehen, für den Umgebungsluft in unbegrenztem Maße zur Verfügung steht.
Zweckmäßig wird eine Strömung erzeugt, die, bevor sie den Lastwiderstand erreicht, die elektrische Maschine oder/und den Akkumulator um- oder/und durchströmt hat. Vorteilhaft lässt sich auf diese Weise zusätzlich eine Kühlung der elektrischen Maschine oder/und des Akkumulators erreichen.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Strömungserzeugungseinrichtungen die Strömung auf den Lastwiderstand konzentrierende Leiteinrichtungen, insbesondere eine konische Kanalwand, welche für eine Verdichtung der Strömung am Lastwiderstand sorgen.
Ein die Strömung erzeugendes Förderelement der Strömungserzeugungseinrichtung kann durch einen gesonderten Antriebsmotor oder/und durch die genannte elektrische Maschine selbst antreibbar sein. In letzterem Fall braucht ein Lastelement ggf. nur den Lastwiderstand und das die Strömung erzeugende Förderelement aufzuweisen, bei dem es sich in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um ein Flügelrad handelt, wie es z. B. in einem elektrischen Fön verwendet wird.
Vorzugsweise ist das Flügelrad koaxial zur Drehachse der elektrischen Maschine oder des gesonderten Antriebsmotors angeordnet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Lastwiderstand oder/und die Strömungserzeugungseinrichtungen in eine die elektrische Maschine umfassende Baueinheit oder/und eine den Akkumulator umfassende Baueinheit integriert. Vorteilhaft trägt eine solche Integration zur kompakten Bauform des Antriebs bei.
Der gesonderte Antriebsmotor oder/und die elektrische Maschine ist bzw. sind vorteilhaft als mehrphasige Maschine mit im Stern verschalteten Phasensträngen ausgebildet, wobei insbesondere der gesonderte Antriebsmotor oder/und die elektrische Maschine eine Einrichtung zur Bestimmung der Drehposition des Rotors anhand einer Auswertung des Potentials am Sternpunkt umfasst bzw. umfassen. Letzterer Motor lässt sich ohne besondere Teile für die Bestimmung der Position sehr einfach aufbauen und weist damit eine hohe Zuverlässigkeit auf, durch die ein Ausfall des Motors und damit ein Durchbrennen des Lastwiderstands ausgeschlossen werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 einen Antrieb nach der Erfindung in schematischer Darstellung,
2 eine Akkumulatorbaueinheit, in die ein erfindungsgemäßes Lastelement integriert ist, und
3 eine Motorbaueinheit mit integriertem Lastelement nach der Erfindung.
Ein in 1 schematisch gezeigter Antrieb, bei dem es sich z. B. um einen Hilfsantrieb für ein Fahrrad handeln kann, umfasst einen dreiphasigen Synchronmotor 1, der über Phasenleiter 2 mit einer eine Leistungsschaltung umfassenden Steuereinrichtung 3 in Verbindung steht. Die Steuereinrichtung 3 verbindet den Synchronmotor 1 entsprechend dem Impulsweitenmodulationsverfahren phasenweise mit einem Akkumulator 4. Der Synchronmotor 1 ist über die Steuereinrichtung 3 ferner mit einem Lastelement 5 verbindbar.
Das Lastelement 5 umfasst einen Lastwiderstand 6, ein durch einen Motor 7 getriebenes Flügelrad 8 zur Erzeugung eines den Lastwiderstand 6 umströmenden Luftstroms 9 sowie den Luftstrom 9 auf den Lastwiderstand 6 konzentrierende Strömungsleitbleche 10.
Auch bei dem Motor 7 handelt es sich um einen dreiphasigen Synchronmotor, der über Phasenleiter 11 mit der Steuereinrichtung 3 in Verbindung steht.
Die Phasenleiter sowohl des Synchronmotors 1 als auch des Motors 7 sind im Stern verschaltet. Der Sternpunkt des Synchronmotors 1 steht über eine Leitung 12 und der Sternpunkt des Motors 7 über eine Leitung 13 in Verbindung mit der Steuereinrichtung 3.
Ein zum Akkumulator 4 in Reihe geschalteter Widerstand 14 kann regelbar und ggf. Bestandteil der die Leistungsschaltung umfassenden Steuereinrichtung 3 sein.
Im Betrieb eines z. B. den Antrieb von 1 als Hilfsantrieb verwendenden Fahrrades erzeugt der Synchronmotor 1 bei Fahrt in der Ebene oder bergauf eine vorwärts gerichtete Antriebskraft. Der Akkumulator 4 liefert den für den Motorbetrieb erforderlichen Betriebsstrom.
Bei Fahrt bergab kann die Steuereinrichtung 3 dafür sorgen, dass der Synchronmotor 1 als Generator arbeitet und eine rückwärts gerichtete Bremskraft erzeugt. Die dabei durch Umsetzung der mechanischen Bremsarbeit entstehende Elektroenergie fließt im Regelfall in den Akkumulator 4, der zusammen mit dem Widerstand 14 den für die Erzeugung der Bremskraft durch den Synchronmotor 1 erforderlichen Lastwiderstand bildet. Die Steuereinrichtung 3 stellt unter Berücksichtigung der jeweiligen Akkumulatorspannung den für den Akkumulator maximal zuträglichen Ladestrom ein.
Die Steuereinrichtung 3 überwacht die vom Aufladungszustand abhängige Akkumulatorspannung. Bei Erreichen der maximal zulässigen Akkumulatorspannung, d. h. bei größtmöglicher Aufladung des Akkumulators, schaltet die Steuereinrichtung 3 von dem Akkumulator 4 auf das Lastelement 5 als Bremslast für den Synchronmotor 1 um, so dass es nicht zu weiterer, für den Akkumulator schädlicher Aufladung kommen kann.
Vorteilhaft lässt sich der Lastwiderstand 6 des Lastelements 5, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa wie die Heizwendel eines Föns geformt ist, wegen des kühlenden Luftstroms 9 mit geringem Leitungsquerschnitt und geringer Leitungslänge und damit insgesamt kleinen Abmessungen und geringem Gewicht ausbilden. Es versteht sich, dass die Kühlung durch den Luftstrom 9 so dimensioniert ist, dass keine das Material des Lastwiderstands beeinträchtigende Temperaturen entstehen.
Die Abmessungen des Lastwiderstandes 6 können so gering sein, dass sich das Lastelement 5 problemlos in einen Akkumulator oder Motor integrieren lässt, wie dies aus den 2 und 3 hervorgeht.
Eine in 2 gezeigte Akkumulatorbaueinheit 40 umfasst ein Außengehäuse 15, in dem neben einer Akkumulatorzelle 16 ein Lastelement 5a mit einem Lastwiderstand 6a und einer Baugruppe aus einem Flügelrad 8a und einem Motor 7a untergebracht ist. Ein durch das Flügelrad 80 erzeugter Luftstrom 90 wird durch ein konisches Leitblech 10a konzentriert und auf den Lastwiderstand 6a geleitet. Eine Ansaugströmung 17 des Luftstroms 90 auf der dem Lastwiderstand 60 abgewandten Seite des Flügelrades 8a umspült und kühlt die Akkumulatorzelle 16.
Gemäß 3 ist in einem Luftein- und -austrittsöffnungen aufweisenden Gehäuse 18 einer Motorbaueinheit 1b neben einem ringförmigen Stator 19 und einem um eine Achse 20 drehbaren Rotor 21 ein Lastelement 5b aus einem Lastwiderstand 6b und einem Flügelrad 8b untergebracht. Das zur Drehachse 20 koaxiale Flügelrad 8b ist mit dem Rotor 21 verbunden und erzeugt einen Luftstrom 9b, der durch ein konisches Leitblech 10b auf den Lastwiderstand 6b konzentriert wird. Eine Ansaugströmung 22 des Luftstroms 9b durchströmt kühlend den Elektromotor.
Die in 3 gezeigte Baueinheit aus Elektromotor und Lastelement ließe sich durch eine in dem Gehäuse 18 ferner untergebrachte Akkumulatorzelle erweitern.

Claims

Antrieb mit einer zur Erzeugung einer positiven Antriebskraft motorisch und zur Erzeugung einer negativen Antriebskraft (Bremskraft) generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (1), einem bei motorischem Betrieb die elektrische Maschine (1) mit Strom versorgenden und im generatorischen Betrieb durch die elektrische Maschine (1) aufladbaren Akkumulator (4) und einen Lastwiderstand (6) umfassenden Einrichtungen zur Begrenzung der Aufladung des Akkumulators (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtungen ferner Einrichtungen (7, 8, 10) zur Erzeugung einer von dem Lastwiderstand (6) Wärme ableitenden Strömung (9) aufweisen.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungserzeugungseinrichtungen (7, 8, 10) zur Erzeugung eines Luftstroms (9) vorgesehen sind.
Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungserzeugungseinrichtungen (7, 8, 10) zur Erzeugung einer die elektrische Maschine (16) oder/und den Akkumulator (4b) um- oder/und durchströmenden Ansaugströmung (17, 22) vorgesehen sind.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungserzeugungseinrichtungen (7, 8, 10) die Strömung (9) auf den Lastwiderstand (6) konzentrierende Leiteinrichtungen (10) umfassen.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungserzeugungseinrichtungen (7, 8, 10) einen gesonderten Antriebsmotor (7) für ein die Strömung (9) erzeugendes Förderelement (8) aufweisen oder/und ein die Strömung (9) erzeugendes Förderelement (8) durch die elektrische Maschine (1) antreibbar ist.
Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Strömung (9) erzeugende Förderelement ein Flügelrad (8) umfasst.
Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (8b) koaxial zur Drehachse (20) der elektrischen Maschine (19, 21) angeordnet ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastwiderstand (6) oder/und die Strömungserzeugungseinrichtungen in eine die elektrische Maschine umfassende Baueinheit (1b) oder/und den Akkumulator umfassende Baueinheit (4a) integriert ist bzw. sind.
Antrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der gesonderte Antriebsmotor (7) oder/und die elektrische Maschine (1) als mehrphasige Maschine mit im Stern verschalteten Phasensträngen ausgebildet ist bzw. sind.
Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gesonderte Antriebsmotor (7) oder/und die elektrische Maschine (1) jeweils eine Einrichtung zur Bestimmung der Drehposition des Rotors anhand einer Auswertung des Potentials am Sternpunkt umfasst bzw. umfassen.
Element zur Bildung einer elektrischen Last, insbesondere zur Verwendung in einem Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Lastwiderstand (6), gekennzeichnet durch ein Förderelement (8) zur Erzeugung einer von dem Lastwiderstand (6) Wärme abführenden Strömung (9).