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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, insbesondere für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einer solchen Antriebseinheit, ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit und ein Computerprogrammelement.
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Bei dreiphasigen elektrischen Motoren existieren im Wesentlichen zwei verschiedene Motortypen. Zum einen die Synchronmotoren und zum anderen die Asynchronmotoren (Induktionsmotoren). Die Synchronmotoren zeichnen sich dadurch aus, dass das Drehfeld im Stator synchron zu der Drehzahl des Rotors ist. Für eine Regelung benötigen die Synchronmotoren einen Lagegeber, um die aktuelle Rotorlage zu erfassen. Bei Asynchronmotoren ist das Drehfeld des Stators asynchron zu der Drehzahl des Rotors, das Drehfeld des Stators ist schneller oder langsamer. Dieser Unterschied in den Drehzahlen wird als Schlupf bezeichnet. Durch den entstehenden Schlupf wird eine Spannung in den Rotor des Asynchronmotors induziert, wodurch bei kurzgeschlossenen Rotorstäben ein Stromfluss generiert wird, welcher wiederum zu einem Ausgangsdrehmoment führt. Insbesondere hinsichtlich der Effizienz bzw. dem Wirkungsgrad, dem Bauraum, des Materialeinsatzes und den Kosten weisen die beiden Motortypen teilweise unterschiedliche Eigenschaften auf. Synchronmotoren weisen typischerweise den besten Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen (30% der maximalen Drehzahl) und höheren Drehmomenten (60% des maximalen Drehmoments) auf. Asynchronmotoren hingehen weisen den besten Wirkungsgrad bei höheren Drehzahlen (50% der maximalen Drehzahl) und niedrigeren Drehmomenten (20% des maximalen Drehmoments) auf. Durch die Kombination der beiden Motortypen kann der Wirkungsgrad des Antriebssystems verbessert werden, da für jeden Betriebspunkt die optimale Kombination aus Asynchronmotor und Synchronmotor ausgewählt werden kann. Dies kann insbesondere bei hochdynamischen und stätig wechselnden Lastanforderungen vorteilhaft sein, wie z.B. beim Antrieb eines Fahrzeugs. Fahrzeuge werden über einen großen Drehzahlbereich (Anfahren bis Autobahnfahrt) und Lastbereich (Dahinrollen und Volllastbeschleunigung) betrieben. Ferner werden bei Fahrzeugen hohe Anforderungen an die Effizienz gestellt, da hierdurch die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden kann ohne weitere schwere Batterien oder Akkus verbauen zu müssen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen effizienten und ressourcenschonenden Antrieb bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit. Die Antriebseinheit weist wenigstens zwei permanenterregte Synchronmotoren, wenigstens zwei Asynchronmotoren und eine Getriebeeinheit auf. Die zwei permanenterregten Synchronmotoren sind über eine erste Kopplung miteinander gekoppelt. Die zwei Asynchronmotoren sind über eine zweite Kopplung miteinander gekoppelt. Die Getriebeeinheit weist die erste Kopplung und die zweite Kopplung auf und die Getriebeeinheit ist dazu eingerichtet, die Rotation der zwei permanenterregten Synchronmotoren und die Rotation der zwei Asynchronmotoren auf eine gemeinsame Abtriebswelle zu übertragen. Die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren weisen einen gemeinsamen Stator auf.
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Durch die Kombination von wenigstens zwei permanenterregten Synchronmotoren und wenigstens zwei Asynchronmotoren, wobei die vier Motoren einen gemeinsamen Stator aufweisen, können die Vorteile der beiden Motortypen in einer Antriebseinheit kombiniert werden. Hierbei kann Material und Bauraum reduziert werden und gleichzeitig kann die Effizienz bzw. Wirkungsgrad der Antriebseinheit gesteigert werden. Ferner kann die Antriebseinheit durch lediglich eine Umrichtereinheit angesteuert werden. Durch eine Getriebeeinheit kann das durch die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren erzeugte Drehmoment auf eine gemeinsame Abtriebswelle übertragen werden. Die Getriebeeinheit kann hierbei eine erste Kopplung und eine zweite Kopplung aufweisen, welche starr bzw. fest oder über eine Kupplung miteinander verbunden sind. Die erste Kopplung kann hierbei die zwei permanenterregten Synchronmotoren miteinander koppeln und die zweite Kopplung kann die zwei Asynchronmotoren miteinander koppeln. Die erste und die zweite Kopplung können beispielsweise eine Zahnradpaarung oder eine Reibradpaarung aufweisen. Es sei angemerkt, dass sich die erste Kopplung, die zweite Kopplung und die Abtriebswelle gleichläufig drehen.
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Unter einer gleichläufigen Drehung ist eine Drehung mit gleicher Drehzahl und gleicher Drehrichtung zu verstehen. Eine gegenläufige Drehung ist eine Drehung mit gleicher Drehzahl jedoch der gegenläufigen Drehrichtung.
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Alternativ oder zusätzlich können auch drei, vier oder mehr permanenterregte Synchronmotoren und drei, vier oder mehr Asynchronmotoren in einem gemeinsamen Stator angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der gemeinsame Stator sechs Statorwicklungen auf. Durch die vorteilhafte Anordnung der vier Motoren mit einem gemeinsamen Stator kann die Anzahl an Statorwicklungen von 12 (drei pro Motor) auf sechs reduziert werden. Somit können Bauraum, Material und Kosten gespart werden. Ferner kann durch die Verwendung eines gemeinsamen Stators magnetisch aktives Material eingespart werden, insbesondere in den Ecken des Stators.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Antriebseinheit ferner eine Umrichtereinheit auf. Die Umrichtereinheit ist dazu eingerichtet, die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren mit Strom zu versorgen und die Antriebseinheit entsprechend des aktuellen Betriebspunktes zu regeln.
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Somit kann die Regelung der Antriebseinheit abhängig vom Betriebspunkt gewählt werden, z.B. Regelung wie ein Synchronmotor (Synchronmotorregelung) oder wie ein Asynchronmotor (Asynchronmotorregelung). Des Weiteren kann auch abhängig vom Betriebspunkt entschieden werden, welcher Motortyp geeignet ist, permanenterregter Synchronmotor oder Asynchronmotor. Es sei angemerkt, dass für die Antriebseinheit lediglich eine Umrichtereinheit benötigt wird. Diese kann drei Phasen aufweisen, wobei jeweils zwei Spulen einer Phase zugeordnet sein können. Des Weiteren sei angemerkt, dass die Umrichtereinheit einen Prozessor und einen Speicher aufweisen kann, um die Regelgrößen/Signale in Abhängigkeit des gewünschten Betriebspunktes zu bestimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Rotoren der zwei permanenterregten Synchronmotoren und die Rotoren der zwei Asynchronmotoren rautenförmig in dem gemeinsamen Stator angeordnet. Ferner sind die Rotoren der zwei permanenterregte Synchronmotoren und die Rotoren der zwei Asynchronmotoren jeweils gegenüber in dem gemeinsamen Stator angeordnet.
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In dem gemeinsamen Stator können die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren rautenförmig angeordnet sein. Insbesondere wenn die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren unterschiedliche Maximalleistungen aufweisen, ergeben sich andere nötige Rotordurchmesser, wodurch die rautenförmige Anordnung erforderlich sein kann. Des Weiteren können durch die rautenförmige Anordnung der Motoren die erste Kopplung und die zweite Kopplung besser in die Antriebseinheit integriert werden. Ferner sind die zwei permanenterregten Synchronmotoren gegenüber einander angeordnet und die zwei Asynchronmotoren sind gegenüber einander angeordnet. Durch den magnetischen Fluss durch den gemeinsamen Stator ergibt sich, dass sich die jeweils gegenüber angeordneten Motoren gleichläufig drehen, jedoch drehen sich benachbarte Motoren gegenläufig. In diesem Fall drehen sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren gleichläufig und es drehen sich die zwei Asynchronmotoren gleichläufig, jedoch drehen sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren gegenläufig in Bezug zu den zwei Asynchronmotoren.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Kopplung und die zweite Kopplung eine Zahnradpaarung. Jedoch können auch Reibräder eingesetzt werden. Ferner sei angemerkt, dass die erste Kopplung eine Außenradverzahnung sein kann und die zweite Kopplung eine Innenradverzahnung sein kann. Hierdurch kann eine gleichläufige Drehung der ersten Kopplung und der zweiten Kopplung erreicht werden, obwohl sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren gegenläufig zu den zwei Asynchronmotoren drehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform drehen sich die erste Kopplung und die zweite Kopplung gleichläufig.
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Es sei angemerkt, dass die Übersetzung zwischen den zwei permanenterregten Synchronmotoren und der ersten Kopplung gleich zu der Übersetzung zwischen den zwei Asynchronmotoren und der zweiten Kopplung sein kann, damit sich die erste Kopplung und die zweite Kopplung gleichläufig drehen.
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Gemäß einer Ausführungsform drehen sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren gleichläufig. Die permanenterregten Synchronmotoren drehen sich gegenläufig in Bezug auf die Asynchronmotoren. Dies wird durch den magnetischen Fluss durch den gemeinsamen Stator hervorgerufen. Somit erfolgt sinnvollerweise eine gegenüberliegende Anordnung der gleichen Motortypen, sodass sich die gleichen Motortypen jeweils gleichläufig drehen. Dies kann insbesondere bei einer Auslegung der die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren mit unterschiedlichen Maximalleistungen sinnvoll sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Umrichtereinheit dazu eingerichtet, während des Anlaufens der Antriebseinheit die Antriebseinheit wie einen permanenterregten Synchronmotor zu regeln. Die Umrichtereinheit ist ferner dazu eingerichtet, ab einer ersten vordefinierten Drehzahl oder einem vordefinierten ersten Betriebspunkt die Antriebseinheit wie einen Asynchronmotor zu regeln.
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Durch den gemeinsamen Stator und eine Umrichtereinheit kann die Regelung der Antriebseinheit beim Hochlauf, beim Anlaufen bzw. beim Anfahren wie ein permanenterregter Synchronmotor erfolgen. Mit anderen Worten kann ein zur Position des Rotors der Motoren synchrones Feld in dem Stator erzeugt werden. Es sei angemerkt, dass die aktuelle Rotorlage der zwei permanenterregten Synchronmotoren durch einen Lagegeber erfasst werden kann. Durch den gemeinsamen Stator und die mechanische Kopplung über die Getriebeeinheit werden die zwei Asynchronmotoren ebenfalls mit einem synchronen Drehfeld zu deren Drehzahl beaufschlagt. Somit drehen diese synchron mit, jedoch ohne ein nennenswertes Drehmoment auszugeben. Mit anderen Worten, erfolgt die Drehmomentausgabe in diesem Betriebspunkt an der gemeinsamen Abtriebswelle insbesondere durch die zwei permanenterregten Synchronmotoren. Sobald eine erste vordefinierte Drehzahl oder einem vordefinierten Betriebspunkt (Drehzahl, Drehmoment und Dynamik) erreicht ist, kann die Umrichtereinheit damit beginnen die Regelung an die Regelung eines Asynchronmotors zu übergeben. Insbesondere wird dann ein asynchrones Drehfeld in Bezug auf die Rotordrehzahl der Motoren erzeugt. Zunächst wird das ausgegebene Drehmoment und die Drehzahl an der gemeinsamen Abtriebswelle konstant gehalten, jedoch erfolgt die Erzeugung des Drehmoments zunehmen durch die zwei Asynchronmotoren, z.B. durch steigenden Schlupf. Anschließend kann die Umrichtereinheit die Regelung komplett auf eine Asynchronmotorregelung umstellen. Insbesondere kann die Regelung ab einer zweiten vordefinierten Drehzahl oder einem zweiten vordefinierten Betriebspunkt auf die Asynchronmotorregelung umgestellt werden. Es sei angemerkt, dass die Regelung auch wieder zurück auf die Synchronmotorregelung umgestellt werden kann, wenn die vordefinierte Drehzahl oder der vordefinierte Betriebspunkt unterschritten wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Übersetzungsverhältnis zwischen den permanenterregten Synchronmotoren und der ersten Kopplung gleich zu dem Übersetzungsverhältnis zwischen den Asynchronmotoren und der zweiten Kopplung. Bei Verwendung von Reibrädern kann das Verhältnis zwischen dem Abtriebsradius der zwei permanenterregten Synchronmotoren und dem Radius der ersten Kopplung gleich zu dem Verhältnis zwischen dem Abtriebsradius der zwei Asynchronmotoren und dem Radius der zweiten Kopplung sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Getriebeeinheit eine feste bzw. starre Verbindung zwischen der ersten Kopplung und der zweiten Kopplung auf, um die Rotation der zwei permanenterregten Synchronmotoren und der zwei Asynchronmotoren auf die gemeinsame Abtriebswelle zu übertragen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Getriebeeinheit ferner eine Kupplung auf, wobei die Kupplung dazu eingerichtet ist, die erste Kopplung von der Abtriebswelle abzukoppeln, sodass die permanenterregten Synchronmaschinen abkoppelbar sind.
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Somit kann der Einfluss der zwei permanenterregten Synchronmotoren auf das Ausgangsdrehmoment an der gemeinsamen Abtriebswelle unterbunden werden, wenn die Antriebseinheit durch die Umrichtereinheit wie ein Asynchronmotor geregelt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Asynchronmotoren eine höhere maximale Leistung als die permanenterregten Synchronmotoren auf. Somit kann die Antriebseinheit besser auf den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden. Beispielseise können die zwei permanenterregten Synchronmotoren kleiner als die zwei Asynchronmotoren ausgelegt werden. Die zwei permanenterregten Synchronmotoren können insbesondere für das Anfahren eines Fahrzeugs genutzt werden und die zwei Asynchronmotoren können in höheren Drehzahlbereichen genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungsverhältnis zwischen den zwei Asynchronmotoren und den zwei permanenterregten Synchronmotoren 5:1. Es sei angemerkt, dass auch andere Leistungsverhältnisse wie beispielsweise 2:1, 3:1 oder 1:2 gewählt werden können. Dies hängt insbesondere von dem gewünschten Einsatzzweck ab.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Umrichtereinheit, die zwei permanenterregten Synchronmotoren, die zwei Asynchronmotoren und die Getriebeeinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Somit kann die Antriebseinheit kompakt und platzsparend ausgeführt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Antriebsvorrichtung.
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Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug, wie Helikopter oder Flugzeug, oder beispielsweise um ein Fahrrad.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit, welche wenigstens zwei permanenterregte Synchronmotoren und wenigstens zwei Asynchronmotoren aufweist, wobei die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren einen gemeinsamen Stator aufweisen, die folgenden Schritte aufweisend:
- - Regeln der Antriebseinheit wie einen permanenterregten Synchronmotor während des Anlaufens der Antriebseinheit;
- - Übergeben der Regelung wie in einen permanenterregten Synchronmotor (Synchronmotorregelung) zu der Regelung wie einen Asynchronmotor (Asynchronmotorregelung) sobald eine erste vordefinierte Drehzahl oder ein erster vordefinierter Betriebspunkt erreicht ist; und
- - Regeln der Antriebseinheit wie einen Asynchronmotor, wenn eine zweite vordefinierte Drehzahl oder ein zweiter vordefinierte Betriebspunkt erreicht ist.
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Bei der Übergabe wird das Drehmoment und die Drehzahl an der gemeinsamen Ausgangswelle konstant gehalten, jedoch wird es nun von den Asynchronmotoren erzeugt. Dieser transiente Betrieb bzw. das Übergeben ist schnell möglich.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einer Umrichtereinheit zum Betrieb einer Antriebseinheit ausgeführt wird, die Antriebseinheit anleitet, das vorhergehend und nachfolgend beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement gespeichert ist, das, wenn es auf einer Umrichtereinheit zum Betrieb einer Antriebseinheit ausgeführt wird, die Antriebseinheit anleitet, das vorhergehend und nachfolgend beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Figuren.
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Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung der Figuren gleiche Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform.
- 3 zeigt eine Schnittansicht einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform.
- 4 zeigt einen gemeinsamen Stator mit vier Rotoren gemäß einer Ausführungsform.
- 5 zeigt ein Blockschaltbild für eine Regelung einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform.
- 6 zeigt ein Fahrzeug mit einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform.
- 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Ansicht der Antriebseinheit 1, insbesondere für ein Fahrzeug. Die Antriebseinheit 1 weist wenigstens zwei permanenterregte Synchronmotoren 11, 12, wenigstens zwei Asynchronmotoren 13, 14, eine Getriebeeinheit 20 und eine Umrichtereinheit 30 auf. Die Umrichtereinheit 30, die Motoren 11, 12, 13, 14 und die Getriebeeinheit 20 können in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet sein, wodurch die Antriebseinheit 1 kompakt ausgeführt werden kann. Die Motoren 11, 12, 13, 14 weisen jeweils einen Rotor auf. Die Motoren 11, 12, 13, 14 weisen ferner einen gemeinsamen Stator auf. Somit kann aktives Material im Stator eingespart werden. Des Weiteren kann durch die Kombination von permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und Asynchronmotoren 13, 14 die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad der Antriebseinheit 1 erhöht werden, da je nach aktuellen Betriebspunkt die permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 oder die Asynchronmotoren 13, 14 geregelt werden können, wodurch die Vorteile beider Motortypen kombiniert werden können. Die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 sind über eine erste Kopplung miteinander verbunden. Des Weiteren drehen sich die beiden permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 gleichläufig. Die Asynchronmotoren 13, 14 sind über eine zweite Kopplung miteinander verbunden und auch die Asynchronmotoren 13, 14 drehen sich gleichläufig. Die erste Kopplung und die zweite Kopplung können ein Zahnradpaar oder ein Reibradpaar aufweisen. Die Getriebeeinheit 20 weist die erste Kopplung und die zweite Kopplung auf und überträgt die Rotation der permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und die Rotation der Asynchronmotoren 13, 14 auf eine gemeinsame Abtriebswelle 21. Hierbei kann die Getriebeeinheit 20 die erste Kopplung mit der zweiten Kopplung starr bzw. fest verbinden, sodass sich die erste Kopplung und die zweite Kopplung gleichläufig drehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Getriebeeinheit 20 eine Kupplung zwischen der Abtriebswelle 21 und der ersten Kopplung vorsehen, sodass die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 von der Abtriebswelle 21 abkoppelbar sind. Die Umrichtereinheit 30 ist dazu eingerichtet, die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und die zwei Asynchronmotoren 13, 14 mit Strom zu versorgen und diese entsprechend dem aktuellen Betriebspunkt der Antriebseinheit 1 zu regeln. Hierbei kann die Umrichtereinheit 30 die Antriebseinheit 1 während des Anlaufend wie einen permanenterregte Synchronmotor regeln, wobei die Asynchronmotoren drehzahlsynchron und momentenfrei mitlaufen. Die Umrichtereinheit 30 ist ferner dazu eingerichtet ab einer vordefinierten Drehzahl oder einem vordefinierten Betriebspunkt die Antriebseinheit 1 wie einen Asynchronmotor zu regeln. Die vordefinierte Drehzahl bzw. der vordefinierte Betriebspunkt kann insbesondere von der Dimensionierung der zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und der zwei Asynchronmotoren 13, 14 abhängen, beispielsweise können die zwei Asynchronmotoren 13, 14 größer Dimensioniert sein als die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12. Somit kann die Antriebseinheit 1 weiter auf den späteren Verwendungszweck angepasst werden. Beispielsweise ist eine maximale Leistung zwischen den zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und den zwei Asynchronmotoren 13, 14 im Verhältnis von 1:5 vorgesehen.
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2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Antriebseinheit 1. Die dunklen Kästchen symbolisieren hierbei jeweils eine Spule der Antriebseinheit 1. Durch die vorteilhafte Anordnung der vier Rotoren (zwei permanenterregte Synchronmotoren und zwei Asynchronmotoren) kann die Spulenanzahl von 12 auf sechs reduziert werden. Ferner sind diese sechs Spulen über drei phasenversetze elektrische Leitungen durch die Umrichtereinheit ansteuerbar. Mit anderen Worten könne die vier Rotoren der Motoren über drei Phasen gesteuert werden. Hierzu werden jeweils zwei Spulen an eine Phase angeschlossen.
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3 zeigt einen Querschnitt durch die Getriebeeinheit 20 bzw. durch die Ausgangswellen der Motoren 11, 12, 13, 14. In der Mitte ist die erste Kopplung 25 zu sehen, welche die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 miteinander koppelt. Die erste Kopplung 25 kann ein Zahnrad oder ein Reibrad sein. In 3 wird durch die gebogenen Pfeile die jeweilige Drehrichtung der Komponenten symbolisiert. Die erste Kopplung dreht sich im Uhrzeigersinn, somit drehen sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 gegen den Uhrzeigersinn. Des Weiteren sind auf der ersten Kopplung 25 vier schwarze Punkte zu erkennen, welche Montagepunkte 27 für einen Flansch der Abtriebswelle darstellen. Des Weiteren sind die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 gegenüber angeordnet.
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Ferner ist in 3 ein äußerer Ring 26 zu erkennen. Diese stellt die zweite Kopplung 26 dar, welche beispielsweise eine Innenverzahnung aufweisen kann. Die zweite Kopplung 26 koppelt die zwei Asynchronmotoren 13, 14 miteinander. Auch auf der zweiten Kopplung sind vier Montagepunkte 27 für den Flansch der Abtriebswelle vorgesehen. Über diesen Flansch können die erste Kopplung 25 und die zweite Kopplung 26 miteinander verbunden sein, sodass diese gemeinsam die Abtriebswelle antreiben. Somit dreht sich die zweite Kopplung 26 gleichläufig wie die erste Kopplung 25 (im Uhrzeigersinn) . Die zwei Asynchronmotoren 13, 14 drehen sich in 3 im Uhrzeigersinn und somit gegenläufig zu den permanenterregten Synchronmotoren 11, 12. Durch die Verbindung der ersten Kopplung 25 mit der zweiten Kopplung 26 muss das Übersetzungsverhältnis zwischen den zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und der ersten Kopplung 25 gleich zu dem Übersetzungsverhältnis zwischen den zwei Asynchronmotoren 13, 14 und der zweiten Kopplung 26 sein. Die geraden Pfeile 11a, 13a, 25a, 26a in 3 stellen die Radien der jeweiligen Komponente dar. Somit muss gelten, falls es sich bei den Kopplungen 25, 26 um Reibräder handelt, dass das Verhältnis zwischen dem Radius des permanenterregten Synchronmotors 11a und dem Radius der ersten Kopplung 25a gleich zu dem Verhältnis zwischen dem Radius des Asynchronmotors 13a und dem Radius der zweiten Kopplung 26a ist.
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4 zeigt den gemeinsamen Stator 15 und die vier Motoren 11, 12, 13, 14. Die permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und die Asynchronmotoren 13, 14 sind jeweils gegenüberliegend angeordnet. Insgesamt sind die vier Motoren 11, 12, 13, 14 rautenförmig angeordnet. Über den gemeinsamen Stator 15 sind die einzelnen Motoren 11, 12, 13, 14 magnetisch miteinander verbunden. Der magnetische Fluss wird in 4 durch die Pfeile innerhalb des gemeinsamen Stators 15 dargestellt. Ferner sind die sechs Spulen 16 zu erkennen, welche durch die Umrichtereinheit derart gesteuert werden, dass ein Drehfeld entsteht und sich die Motoren 11, 12, 13, 14 entsprechend drehen. Die Spulen 16 sind jeweils zu Spulenpaaren zusammengeschalten, sodass lediglich drei Phasen von der Umrichtereinheit geregelt werden müssen. Des Weiteren ist erkennbar, dass durch die geometrische Anordnung die jeweils gegenüberliegenden Motoren 11, 12, 13, 14, also jeweils die permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und die Asynchronmotoren 13, 14, sich gleichläufig drehen.
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5 zeigt einen Regelkreis bzw. ein Blockschaltbild für die Regelung der Antriebseinheit. Dieser Regelkreis kann durch die Umrichtereinheit 30 durchgeführt werden. Der Stromregler 31 erhält als Eingangsgrößen die Phasenströme, welche an den Stator ausgegeben werden, die Sollwertvorgabe 36 und den Magnetisierungsstrom für die zwei Asynchronmotoren 13, 14 des Magnetisierungsstromreglers 37. Als Ausgabe gibt der Stromregler 31 Spannungsvorgaben aus. Diese werden durch die Pulserzeugung 32 in Pulse für eine Pulsweitenmodulation umgewandelt. Diese Pulse steuern den Stromrichter 33 an, welcher die entsprechende Spannung mit einer vorgegebenen Frequenz auf die Phasen zur Ansteuerung der Motoren 11, 12, 13, 14 ausgibt. Die Aktuelle Rotorlage der permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 wird durch den Lagegeber 38 erfasst und in einem Berechnungsmodul 34 wird daraus die Drehzahl n und den elektrischen Statorwiderstand γ berechnet. Das Berechnungsmodul 34 bildet zusammen mit dem Modul 35 das Maschinenmodell für die Asynchronmotorregelung. Die Drehzahl n geht anschließend in die Sollwertvorgabe 36 und den Magnetisierungsstromregler 37. Beim Hochlauf bzw. Anfahren der Antriebseinheit wird diese wie ein permanenterregter Synchronmotor geregelt. Somit erfolgt die Sollwertvorgabe der dq-Ströme anhand der aktuellen Drehzahl und dem Drehmomentsollwert. Somit sind die Statorfrequenz und der Statorwinkel gleich zu dem Rotorlagewinkel der zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12. In diesen Betriebspunkt drehen sich die zwei Asynchronmotoren 13, 14 synchron und momentenfrei mit. Ab einer ersten vordefinierten Drehzahl oder einem ersten vordefinierten Betriebspunkt erfolgt die Übergabe der Regelung auf eine Asynchronmotorreglung. Dabei bleiben zunächst die Drehzahl sowie das geforderte Moment gleich, jedoch erfolgt die Erzeugung des Drehmoments durch die zwei Asynchronmotoren 13, 14. Es ergeben sich unterschiedliche dq-Ströme und mit dem Wechsel des Maschinenmodells auch eine unterschiedliche Statorfrequenz. Für die zwei Asynchronmotoren 13, 14 ist in diesem Punkt ein Schlupf zur mechanischen Drehzahl nötig, die Änderung der Speisefrequenz ist aber sehr schnell möglich.
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6 zeigt ein Fahrzeug 2 mit einer vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Antriebseinheit 1. Die Antriebseinheit 1 kann an der Vorderachse und/oder der Hinterachse des Fahrzeugs 2 angeordnet sein, um das Fahrzeug 2 anzutreiben. Ferner können beim Anfahren des Fahrzeugs 2 primär die permanenterregten Synchronmotoren für den Vortrieb verwendet werden, d.h. die Antriebseinheit wird wie ein permanenterregter Synchronmotor geregelt (synchrones Drehfeld) . Mit anderen Worten bei niedrigen Drehzahlen und vergleichsweise hohen Momenten. Sobald das Fahrzeug 2 eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat und/oder die Lasten abnehmen, kann auf die Asynchronmotoren übergeben werden, d.h. die Antriebseinheit wird wie ein Asynchronmotor geregelt (asynchrones Drehfeld). Ferner können die permanenterregten Synchronmotoren und die Asynchronmotoren unterschiedliche maximale Leistungen aufweisen, sodass die zwei permanenterregten Synchronmotoren kleiner ausgelegt werden können als die zwei Asynchronmotoren. Durch die Kombination der beiden Motortypen (permanenterregten Synchronmotor und Asynchronmotor) können die Vorteile von beiden Motortypen kombiniert werden, sodass der Wirkungsgrad der Antriebseinheit erhöht werden kann. Ferner kann durch die Kombination der Motoren und durch einen gemeinsamen Stator Material am Stator eingespart werden. Auch kann die Spulenanzahl des Stators im Vergleich zu einzelnen Motoren reduziert werden. Mit anderen Worten kann Bauraum, Material und Energie gespart werden. Somit kann die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden.
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7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit, welche wenigstens zwei permanenterregte Synchronmotoren und wenigstens zwei Asynchronmotoren aufweist, wobei die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren einen gemeinsamen Stator aufweisen. In einem Schritt S1 wird die Antriebseinheit durch eine Umrichtereinheit wie ein permanenterregter Synchronmotor geregelt, d.h. es wird ein drehzahlsynchrones Drehfeld im Stator erzeugt. In Schritt S1 befindet sich die Antriebseinheit insbesondere beim Anlaufen, also bei niedrigen Drehzahlen, z.B. beim Anfahren eines Fahrzeugs. In Schritt S2 wird die Regelung von einer Synchronmotorregelung an eine Asynchronmotorregelung übergeben. Diese Übergabe erfolgt sobald eine erste vordefinierte Drehzahl oder ein erster vordefinierter Betriebspunkt der Antriebseinheit erreicht ist. In Schritt S3 wird die Antriebseinheit wie ein Asynchronmotor geregelt, insbesondere bei höheren Drehzahlen und niedrigen Momenten. Die Asynchronmotorregelung erfolgt insbesondere, wenn eine zweite vordefinierte Drehzahl oder ein zweiter vordefinierte Betriebspunkt erreicht ist.
