-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Getriebesysteme mit stufenlos verstellbarem Übersetzungsverhältnis,
insbesondere jedoch nicht ausschließlich für den
automobilen Gebrauch, und beschäftigt sich mit der Art
eines Getriebesystems, das erste und zweite elektrische Motor/Generatoren
umfasst mit jeweils ersten und zweiten Rotoren und ersten und zweiten
Statoren, wobei die ersten und zweiten Rotoren derart verbunden
sind, dass sie mit entsprechenden Wellen rotieren und die elektrischen
Anschlüsse der ersten und zweiten Statoren miteinander
verbunden sind, wobei eine Steuereinrichtung zum Steuern des elektrischen
Energieflusses zwischen den ersten und zweiten Statoren vorgesehen
ist. Die Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit dieser
Art eines derartigen Getriebesystems, die zusätzlich ein
Differenzialgetriebe umfasst, mit wenigstens drei parallelen Wellen,
von welchen zwei jeweils die Antriebswelle und die Abtriebswelle
bilden und von welchen alle wenigstens ein Getrieberad tragen, das
mit wenigstens einem Getrieberad in Eingriff ist, das von einer der
anderen Wellen getragen ist.
-
Ein
derartiges Getriebesystem ist offenbart in
WO 2003/047897 und
WO 2004/088168 , die Getriebesysteme
für den Hauptantrieb eines Motorfahrzeugs offenbaren, und
in
WO 2004/072449 ,
die ein Getriebesystem zum Betreiben eines automobilen Ladegebläses
offenbart. Wie beispielsweise in
WO 2003/047897 ,
auf die für weitere Details Bezug genommen wird, im Detail
beschrieben, wirkt in einem derartigen Getriebesystem eine der elektrischen
Maschinen, nämlich die Motor/Generatoren, als ein Generator
und überträgt elektrische Energie zu der anderen
Maschine, die als Motor wirkt. Ein Anteil der Energie, die durch
das Getriebesystem übertragen wird, wird daher mechanisch übertragen,
während ein weiterer, variabler Anteil, der typischerweise
bis zu etwa 1/3 des Gesamten beträgt, elektrisch übertragen
wird. Das Variieren der elektrischen Energie, die zwischen den zwei
Maschinen übertragen wird, was einfach durch Variieren
der Geschwindigkeit einer der Maschinen mittels einer bekannten
Steuereinrichtung erreicht wird, bewirkt eine Veränderung der
Geschwindigkeit des Abtriebs bei konstanter Geschwindigkeit des
Antriebs und somit ein Verstellen der Gangstufe oder des Übersetzungsverhältnisses des
Getriebesystems.
-
Daher
wirken die zwei elektrischen Maschinen zu jeder Zeit als jeweils
ein Motor und ein Generator oder jeweils als ein Generator und ein
Motor, abhängig von den gegenwärtig vorliegenden
Betriebsbedingungen und die Geschwindigkeit jeder Maschine und das
Drehmoment, das von jeder Maschine erzeugt oder auf jede Maschine
aufgebracht wird, variieren innerhalb weiter Bereiche. Wenn die Geschwindigkeit
einer Maschine allerdings hoch ist, ist die Geschwindigkeit der
anderen Maschine niedrig und daher ist, wenn das Drehmoment an einer Maschine
hoch ist, auch das Drehmoment der anderen Maschine niedrig.
-
Es
ist bekannt, dass die Effizienz einer elektrischen Maschine mit
der Größe des Luftspalts, nämlich dem
Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator, variiert. Allerdings
hängt der optimale Luftspalt für jede Maschine
von deren Betriebsbedingungen ab und es wurde herausgefunden, dass
bei hoher Geschwindigkeit/kleinem Drehmoment ein relativ großer
Luftspalt und bei kleiner Geschwindigkeit/hohem Drehmoment ein relativ
kleiner Luftspalt wünschenswert ist. Bei den Getriebesystemen,
die in den oben genannten Beschreibungen offenbart sind, ist der
Luftspalt der zwei Maschinen natürlich unveränderlich
und die Größe dieser Luftspalte ist daher unter
Berücksichtigung des an jeder Maschine zu erwartenden Geschwindigkeits-
und Drehmomentbereichs auf einen optimalen Mittelwert festgelegt.
Das bedeutet in der Praxis, dass beide Maschinen daher die meiste
Zeit bei weniger als der optimalen Effizienz betrieben werden. Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Getriebesystem der oben genannten
Art bereit zu stellen, dessen Effizienz im Vergleich zu bekannten
Getrieben erhöht ist.
-
Wie
obenstehend erörtert, variiert die elektrische Energie,
die zwischen den zwei elektrischen Maschinen übertragen
wird, wenn die Abtriebsgeschwindigkeit variiert, und erreicht in
der Praxis Null bei zwei verschiedenen Abtriebsgeschwindigkeiten, die
als Knotenpunkte (node points) bezeichnet werden. Das bedeutet,
dass bei Abtriebsgeschwindig keit „Null" zwischen den zwei
Maschinen Energie übertragen wird, was wiederum bedeutet,
dass das Getriebesystem einen „Leerlauf" („geared
neutral") bereitstellt, d. h. der Abtrieb kann ortsfest sein, wenn
der Antrieb rotiert. An den Knotenpunkten des Systems ist die eine
oder andere Maschine ortsfest und die gesamte Energie wird durch
das System vielmehr mechanisch als elektrisch übertragen
und das bedeutet, dass die elektrischen Verluste minimal sind. Es
ist daher wünschenswert, es für den größtmöglichen
Anteil der Betriebsdauer an dem einen oder anderen der Knotenpunkte
zu betreiben. An den beiden Knotenpunkten ist eine der Maschinen
ortsfest, aber es ist in der Praxis dennoch ein erhebliches Drehmoment
an dieser vorhanden. Eine beträchtliche Energiemenge wird
benötigt, um dieses Drehmoment zu halten und das bedeutet,
dass in der Tat die Betriebseffizienz an den Knotenpunkten kleiner
ist als theoretisch erreicht werden könnte. Es ist daher
eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Getriebesystem anzugeben,
das derart angepasst ist, dass es für einen relativ großen
Anteil des gesamten Betriebs an einem der Knotenpunkte betrieben
wird, wobei aber dessen Effizienz unter diesen Umständen
größer ist als diejenige der Getriebesysteme,
die in den eingangs genannten bekannten Beschreibungen offenbart
sind.
-
Die
obenstehende Erörterung betrifft hauptsächlich
derartige Getriebesysteme mit einem Differentialgetriebe. Allerdings
sind auch Getriebesysteme der oben genannten Art bekannt, die vom
gesamtelektrischen Typ sind, d. h. ohne Differentialgetriebe, und
die Überlegungen bezüglich der Betriebseffizienz
der zwei Motor/Generatoren sind im Allgemeinen wieder ähnlich.
Ein derartiges Getriebesystem, das beispielsweise bei dieselelektrischen
Zügen und vermehrt bei bestimmten Arten von Hybrid-Straßenfahrzeugen
verwendet wird, umfasst eine Antriebswelle, die mit dem Rotor eines
ersten Motor/Generators und im Gebrauch mit der Abtriebswelle eines
internen Verbrennungsmotors verbunden ist. Die elektrischen Statorverbindungen
des ersten Motor/Generators sind über eine Steuereinrichtung
mit den elektrischen Statorverbindungen eines zweiten Motor/Generators
verbunden, dessen Rotor mit der Abtriebswelle des Getriebesystems
verbunden ist, das im Gebrauch mit den Antriebsrädern des
Fahrzeugs verbunden ist. Im Betrieb treibt der interne Verbrennungsmotor
den ersten Motor/Generator als Generator an. Die Steuereinrichtung
erkennt, beispielsweise anhand der Stellung des Fahrzeugbeschleunigungspedals,
welche elektrische Energie von dem anderen Motor/Generator, der
als Motor betrieben wird, benötigt wird und leitet diesen
Anteil der elektrischen Energie dahin. Die überschüssige
elektrische Energie wird zur Fahrzeugbatterie geleitet, um diese zu
laden und jeder Fehlbetrag der benötigten elektrischen
Energie wird der Fahrzeugbatterie entnommen. Beim Verzögern
des Fahrzeugs wirkt der zweite Motor/Generator regenerativ, d. h.
als ein Generator, der durch die Bewegung des Fahrzeugs angetrieben wird.
Die Energie, die dieser erzeugt, wird durch die Steuereinrichtung
zur Batterie geleitet, um diese wieder aufzuladen, und/oder zu dem
ersten Motor/Generator, der als Motor betrieben wird und dessen
Abtriebsenergie zum internen Verbrennungsmotor zurückgeleitet
wird, wodurch dessen Treibstoffverbrauch reduziert wird.
-
Wenn
das Fahrzeug bei kleiner Geschwindigkeit und hoher Beschleunigung
bewegt wird, wird der erste Motor/Generator entsprechend bei hoher Geschwindigkeit
aber relativ kleinem Drehmoment betrieben, während der
zweite Motor/Generator bei relativ kleiner Geschwindigkeit und hohem
Drehmoment betrieben wird. Wenn das Fahrzeug bei hoher, aber konstanter
Geschwindigkeit bewegt wird, wird der zweite Motor/Generator jedoch
bei hoher Geschwindigkeit, aber kleinem Drehmoment betrieben, während
der erste Motor/Generator bei relativ kleiner Geschwindigkeit, aber
relativ hohem Drehmoment betrieben wird. Entsprechend sind die Geschwindigkeits-
und Drehmoment-Eigenschaften der zwei Motor/Generatoren wiederum
komplementär und bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen,
wenn sich die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbedingungen des
Fahrzeugs ändern.
-
Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist ein Getriebesystem mit stufenlos verstellbarem Übersetzungsverhältnis
der oben genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein
Teil des ersten Stators mit wenigstens einem Teil des zweiten Stators
verbunden ist, dass dieser Teil in einer ersten Richtung bewegbar
ist, wodurch der Luftspalt des ersten Motor/Generators erhöht
und der Luftspalt des zweiten Motor/Generators verringert wird,
und in einer zweiten Richtung, wodurch der Luftspalt des ersten
Motor/Generators verringert und der Luftspalt des zweiten Motor/Generators
erhöht wird, und dass ein Betätigungselement vorgesehen
ist, das durch die Steuereinrichtung gesteuert und mit dem genannten Teil
der Statoren verbunden ist, um diesen selektiv in die erste oder
zweite Richtung zu bewegen. Die bevorzugte Ausführungsform
umfasst ein Differentialgetriebe mit wenigstens drei parallelen
Wellen, von welchen zwei jeweils die Antriebswelle und die Abtriebswelle
bilden und von welchen jeweils alle wenigstens ein Getrieberad tragen,
das mit wenigstens einem Getrieberad im Eingriff ist, das von einer
der anderen Wellen getragen wird.
-
Es
ist bevorzugt, dass, wenn das Getriebe vollständig von
der elektrischen Art ist, die Rotoren der zwei Motor/Generatoren
notwendigerweise mit jeweils der Antriebs- und Abtriebswelle verbunden sind.
Wenn allerdings, wie es bevorzugt ist, das Getriebe ein Differentialgetriebe
umfasst, können die Rotoren der zwei Motor/Generatoren
mit jeden passenden zwei der Wellen verbunden sein.
-
Daher
ist das Getriebesystem gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung von der allgemeinen Art, die in jeder
der eingangs genannten, bekannten Beschreibungen offenbart ist.
Das Getriebesystem in all diesen Druckschriften umfasst zwei Motor/Generatoren
mit entsprechenden Rotoren und Statoren, wobei gemäß der
vorliegenden Erfindung wenigstens ein Teil der zwei Statoren miteinander
verbunden ist und dieser Teil in jeweils zwei entgegengesetzten
Richtungen bewegbar ist. Die Motor/Generatoren sind derart angeordnet,
dass die Bewegung in eine Richtung den Luftspalt eines Motor/Generators
erhöht und den Luftspalt des anderen verringert, während
die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung den entgegengesetzten
Effekt erzeugt. Mit diesem Teil der Statoren ist ein Betätigungselement
verbunden, um diesen selektiv in eine der beiden Richtungen zu bewegen.
Dieses Betätigungselement wird durch die Steuereinrichtung
gesteuert, die eine Anzahl von Eingängen aufweist, einschließlich
Eingängen, die die Abtriebsgeschwindigkeit des Getriebes
und die Last, mit der die Antriebswelle des Getriebes beaufschlagt
ist, anzeigen. Die Steuereinrichtung erkennt die Geschwindigkeit
von und das Drehmoment an jedem der Motor/Generatoren und, wie obenstehend
erwähnt, ein hohes Drehmoment an einem Motor/Generator
bedeutet im Allgemeinen, dass der andere Generator mit einem relativ
kleinen Drehmoment läuft, während ein kleines
Drehmoment an einem der Motor/Generatoren im Allgemeinen bedeutet,
dass der andere mit hohem Drehmoment läuft. Als Reaktion
auf die Geschwindigkeits- und Drehmomentwerte der beiden Motor/Generatoren
gibt die Steuereinrichtung ein Signal an das Betätigungselement
aus, um den genannten Teil der Statoren in eine der zwei Richtungen
zu bewegen, so dass der Luftspalt dieses Motor/Generators, der mit
kleinem Drehmoment/hoher Geschwindigkeit läuft, erhöht
wird, um dessen Effizienz näher an den optimalen Wert zu
bringen, und das bewirkt dementsprechend eine Verringerung des Luftspalts
des anderen Motor/Generators, das diesen dementsprechend zu einem
Wert bringt, der näher an dem Optimum für einen
Betrieb bei hohem Drehmoment/kleiner Geschwindigkeit liegt. Daher bringt
die Optimierung des Luftspalts für einen Motor/Generator
dementsprechend auch wenigstens eine annähernde Optimierung
des Luftspalts des anderen Motor/Generators zu den Bedingungen,
unter denen die zwei Motor/Generatoren betrieben werden.
-
Die
zwei Motor/Generatoren können einen radialen Magnetfluss
aufweisen, d. h. die magnetischen Flusslinien erstrecken im Allgemeinen
in der radialen Richtung bezüglich der Rotorwellen, oder
einen axialen Magnetfluss aufweisen, so dass sich die magnetischen
Flusslinien im Allgemeinen parallel zu den Wellen der zwei Rotoren
erstrecken. Wenn die zwei Motor/Generatoren einen radialen Magnetfluss aufweisen,
wobei sich die zwei Ro toren im Wesentlichen axial erstrecken und
derart angeordnet sind, dass sie um eine gemeinsame Achse parallel
zu den Wellen des Getriebesystems rotieren, ist jeder Stator vorzugsweise
kegelstumpfförmig und jeder Rotor ist komplementär
kegelstumpfförmig und die zwei Rotoren sind an den Enden
miteinander verbunden und derart angeordnet, dass sie in Richtung
der Achse der Rotorwellen bewegbar sind. Aufgrund der Tatsache,
dass es wichtig ist, dass die Bewegung der verbundenen Statoren
in einer der zwei Richtungen gleichzeitig den einen Luftspalt erhöhen,
während sie den anderen verringern, verjüngen
sich die zwei Statoren notwendigerweise in entgegengesetzten Richtungen.
Die Statoren können die Rotoren aufnehmen und begrenzen
in diesem Fall in entgegengesetzten Richtungen entsprechende kegelstumpfförmige
Räume mit sich verkleinerndem Durchmesser, in welchen die
entsprechenden komplementären Rotoren drehbar aufgenommen
sind. Alternativ können die zwei Rotoren die verbundenen
Statoren aufnehmen und in diesem Fall begrenzen die zwei Rotoren
in entgegengesetzten Richtungen entsprechende kegelstumpfförmige
Räume mit sich verkleinerndem Durchmesser, in welchen die
entsprechenden komplementären Statoren aufgenommen sind.
-
Wenn
die zwei Motor/Generatoren einen axialen Magnetfluss aufweisen,
wobei sich die zwei Rotoren radial erstrecken und derart angeordnet
sind, dass sie um eine gemeinsame Achse parallel zu den Wellen rotieren,
umfasst der erste Stator auf entgegengesetzten Seiten des ersten
Rotors vorzugsweise erste und zweite ringförmige, sich
radial erstreckende Statorelemente, und der zweite Stator umfasst
auf entgegengesetzten Seiten des zweiten Rotors dritte und vierte
ringförmige, sich radial erstreckende Statorelemente, wobei
die zweiten und dritten Statorelemente miteinander verbunden sind
und ein gemeinsames Statorelement oder eine gemeinsame Statorwand
bilden, die mit dem Betätigungselement verbunden ist. Es
ist daher selbstverständlich, dass die Bewegung der gemeinsamen
Statorwand in jeder Richtung parallel zur gemeinsamen Achse der Rotorwellen
den Luftspalt eines Motor/Generators erhöht, während
sie gleichzeitig den Luftspalt des anderen verringert.
-
Während
ein einziges Betätigungselement verwendet werden kann,
das an dem gemeinsamen Statorelement an einem einzigen umlaufenden
Punkt wirkt, besteht ein Risiko, dass dies zur Folge hat, dass die
gemeinsame Statorwand bezüglich der Achse des Rotoros verzogen
wird und es ist daher bevorzugt, dass wenigstens drei Betätigungselemente
vorgesehen sind, die auf die gemeinsame Statorwand an im Wesentlichen
rechtwinklig beabstandeten Orten wirkt.
-
Die
zwei Rotoren weisen natürlich eine Vielzahl magnetischer
Pole auf und es ist bevorzugt, dass diese durch Permanentmagnete
gebildet sind. Es ist auch bevorzugt, dass der Verbindungsteil der zwei
Statoren zwischen einer ersten Stellung, in der dieser in Verbindung
mit dem ersten Rotor steht und der erste Rotor durch die magnetische
Anziehungskraft der Permanentmagnete an dem ersten Rotor mit diesem
Teil der Statoren gekoppelt ist und in einer zweiten Stellung bewegbar
ist, in der dieser mit dem zweiten Rotor in Verbindung steht und
der zweite Rotor daher durch die magnetische Anziehungskraft der Permanentmagnete
an dem zweiten Rotor mit diesem Teil der Statoren gekoppelt ist.
Während es bekannt ist, eine elektrische Maschine mit einem
variablen Luftspalt vorzusehen, ist es scheinbar nicht bekannt,
diesen Luftspalt auf Null zu verringern. Wenn dies mit einem Rotor
erfolgt, dessen magnetische Pole durch Permanentmagnete gebildet
sind, bewirkt die Anziehung zwischen den Magneten und dem magnetischen
Material der Statoren, dass der Rotor und der Stator miteinander
verbunden oder gekoppelt werden, wodurch dann eine Relativbewegung
unmöglich ist, wenn das angelegte Drehmoment nicht einen
sehr hohen Wert erreicht.
-
Die
Möglichkeit, bei dem Getriebe der vorliegenden Erfindung
jeden der Rotoren der Motor/Generatoren mit dem zugehörigen
Stator zu koppeln, d. h. in der Praxis mit dem verbundenen Teil
der zwei Statoren, hat unter zwei völlig unterschiedlichen
Reihen von Umständen einen großen Wert. Erstens, wenn
das Getriebesystem als das Hauptantriebssystem für ein
automobiles Fahrzeug genutzt wird, kann der eine oder andere der
Rotoren mit dem zugehörigen Stator gekoppelt sein, wenn
das Fahrzeug ortsfest ist und dies wird das Fahrzeug effektiv unbeweglich
machen. Diese magnetische Kopplungsmöglichkeit kann daher
genutzt werden, um die konventionelle Handbremse bei einem Motorfahrzeug
zu ergänzen oder zu ersetzen. Zweitens, wenn es gewünscht ist,
die Betriebseffizienz eines Getriebesystems der vorliegenden Erfindung
einschließlich einem Differentialgetriebe zu maximieren,
kann das Steuerungssystem erkennen, wenn einer der Knotenpunkte
erreicht ist, bei dem einer der Motor/Generatoren ortsfest ist,
und dann den Rotor dieses Motor/Generators mit dem zugehörigen
Stator koppeln. Die magnetische Kopplung bewirkt dann die notwendige
Rückkopplung an das Drehmoment, das auf diesen Motor/Generator
wirkt, selbst wenn dieser ortsfest ist, wie obenstehend erörtert,
wodurch die Notwendigkeit eines Kraftaufwands vermieden wird, um
diesem Drehmoment entgegen zu wirken. Dies erhöht merklich
die Effizienz des Getriebesystems, wenn es bei diesem Knotenpunkt
betrieben wird. Trotzdem kann das auf die Abtriebswelle wirkende
Drehmoment einfach durch Variieren des auf die Antriebswelle wirkenden
Drehmoments verändert werden, beispielsweise durch Variieren
des auf das Beschleunigungspedal wirkenden Drucks, und die Geschwindigkeit der
Abtriebswelle kann gleichermaßen verän dert werden.
Entsprechend kann das Getriebesystem, wenn es als Hauptantriebsgetriebe
für ein Motorfahrzeug verwendet wird, für einen
längeren Zeitraum an einem Knotenpunkt gehalten werden,
wodurch der Nutzen der oben beschriebenen Effizienz bei Betrieb am
Knotenpunkt erreicht wird. Wenn allerdings der Betrieb des Getriebesystems
um einen vorbestimmten Wert von dem, was der Knotenpunktbetrieb
wäre, wenn einer der Rotoren nicht zu dessen zugehörigen Stator
gekoppelt ist, abweicht, kann die magnetische Kopplung zwischen
dem Rotor und dem Stator gelöst werden und der Normalbetrieb
wird dann wieder aufgenommen.
-
Die
in den Rotoren der elektrischen Maschinen verwendeten Permanentmagnete,
die in einem derartigen Getriebesystem verwendet werden, sind äußerst
kraftvoll. Die Anzahl der verwendeten Permanentmagnete kann variieren,
eine typische Anzahl ist jedoch 12. Die Kraft, die benötigt
wird, um die Kopplung zwischen 12 derart kraftvollen Permanentmagneten
und dem Weicheisen des Stators zu durchbrechen, ist sehr erheblich
und das Durchbrechen der magnetischen Kopplung bildet daher ein maßgeblich
mögliches Problem. Gemäß einem weiteren
bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Steuerungssystem
allerdings programmiert, die Winkelstellung jedes Rotors, wenn dieser
in der gekoppelten Stellung ist, relativ zu dem zugehörigen
Stator zu ermitteln und dann ausgewählte elektromagnetische
Spulen in dem zugehörigen Stator entsprechend mit Energie
zu versorgen, um eine ausreichende Abstoßungskraft auf
den Rotor zu erzeugen, so dass die magnetische Kopplung gelöst wird.
Der Normalbetrieb dieses Motot/Generators kann dann wieder aufgenommen
werden. Die Spulen, die mit Energie beaufschlagt sind, sind diejenigen,
die in jedem Fall vorgesehen sind, um die elektromagnetischen Pole
zu bilden, die an dem Stator benötigt werden. Wenn an dem
Rotor 12 magnetische Pole vorgesehen sind, sind typischerweise 9 elektrische
Pole an dem Stator vorgesehen. Es ist eine einfache Sache für
das Steuerungssystem, die relative Stellung des Rotors relativ zu
dem Stator zu ermitteln und dies kann entweder mit Hilfe eines Sensors,
beispielsweise einem Hall-Effekt-Sensor, der in den Rotor integriert
ist, erfolgen, oder durch Erfassen des Effekts an den elektrischen
Polen, der durch die magnetischen Pole an dem Rotor gebildet wird.
-
Wenn
es notwendig oder wünschenswert ist, die Stärke
der magnetischen Kopplung zwischen einem der Rotoren und dem zugehörigen
Stator zu erhöhen, kann das Steuerungssystem programmiert sein,
um die Winkelstellung jedes Rotors, wenn dieser in der gekoppelten
Stellung ist, relativ zu dem zugehörigen Stator zu ermitteln
und ausgewählte elektromagnetische Spulen in dem zugehörigen
Stator entsprechend mit Energie zu beauf schlagen, um eine Anziehungskraft
auf den Rotor zu erzeugen, wodurch die magnetische Anziehung zwischen
dem Rotor und dem Stator erhöht wird.
-
Daher
werden die Luftspalte zwischen den zwei elektrischen Maschinen bei
dem Getriebesystem gemäß der vorliegenden Erfindung
kontinuierlich durch die Steuereinrichtung und eines oder mehrere zugehörige
Betätigungselemente eingestellt, um diese an einem Wert
zu halten, der zu den Bedingungen, unter denen diese an jedem einzelnen
Moment betrieben werden, näher am Optimum ist, als wenn ein
konstanter Mittelwert für die zwei Luftspalte verwendet
wird, wie in den eingangs genannten bekannten Beschreibungen. Außerdem
schafft die Möglichkeit des magnetischen Koppelns jeder
der Rotoren zu dessen zugehörigen Stator die Möglichkeit,
das Getriebesystem für eine relativ große Anzahl
aller Betriebsbedingungen, unter denen das Getriebesystem betrieben
wird, an einem oder dem anderen der Knotenpunkte zu betreiben, um
aus der erhöhten Effizienz, die an den Knotenpunkten erreicht
wird, Nutzen zu ziehen. Die Effizienzerhöhung wird weiter
dadurch erhöht, dass es die magnetische Kopplung ist, die
die notwendige Rückkopplung an das auf dem ortsfesten Rotor
aufgebrachte Drehmoment bewirkt, wodurch die Notwendigkeit des unnötigen
Energieverbrauchs zum Halten dieses Drehmoments vermieden wird.
Die gesamte Betriebseffizienz eines erfindungsgemäßen
Getriebesystems wird daher im Vergleich mit bekannten derartigen
Getriebesystemen wesentlich erhöht.
-
Weitere
Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden
Beschreibung einzelner bestimmter Ausführungsbeispiele
ersichtlich, die lediglich in Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen als Beispiel bestimmt sind, in denen:
-
1 eine
axiale Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Getriebesystems einschließlich eines dreistufigen Planetengetriebes
ist;
-
2 eine
schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines derartigen Getriebesystems ohne Planetengetriebe ist;
-
3 eine
Ansicht gleichartig wie 1 eines dritten Ausführungsbeispiels,
bei der das Getriebesystem ein vierstufiges Planetengetriebe umfasst, ist;
-
4 eine
schematische Ansicht lediglich der Rotoren und Statoren eines vierten
Ausführungsbeispiels, bei der die elektrischen Maschinen
einen radialen Magnetfluss aufweisen; und
-
5 eine
Ansicht gleichartig wie 4 eines fünften Ausführungsbeispiels,
bei der die elektrischen Maschinen wiederum einen radialen Magnetfluss
aufweisen, ist.
-
Zunächst
Bezug nehmend auf 1 und 2 umfasst
das Getriebesystem eine Antriebswelle 2 und eine Abtriebswelle 4.
Die Antriebswelle 2 ist mit dem Träger 6 eines
Planetengetriebes verbunden, der eine Anzahl, in diesem Falle vier,
Planetenwellen 8 trägt, wobei jeder dieser drehbar
ein entsprechendes Planetenrad 10 trägt. Jedes
Planetenrad 10 ist mit einem Hohlrad 12 im Eingriff,
das derart verbunden ist, dass es mit der Abtriebswelle 4 rotiert. Die
Planetenräder 10 sind auch in Eingriff mit einem Sonnenrad 14,
das derart angeordnet ist, dass es um die Achse der Antriebswelle 2 rotiert.
-
Das
Getriebesystem umfasst auch zwei elektrische Maschinen, die Motor/Generatoren
mit einem axialen Magnetfluss bilden. Die erste Maschine umfasst
einen sich radial erstreckenden Rotor 16, der derart verbunden
ist, dass er mit dem Sonnenrad 14 rotiert und auf seinen äußeren
Umfang eine Vielzahl magnetischer Pole trägt, die durch
Permanentmagnete 18 gebildet sind. Der Rotor 16 wirkt
mit einem Stator zusammen, der in zwei Teilen auf entgegengesetzten
Seiten des Rotors angeordnet ist. Der erste Teil des Stators umfasst
ein ringförmiges Element 20 mit einem Weicheisenteil 22,
das eine Anzahl von elektromagnetischen Spulen 24 trägt,
die angepasst sind, die elektrischen Pole der Maschine zu bilden. Der
andere Teil des Stators umfasst ein weiteres ringförmiges
Element 26, das auf jeder Seite weitere Weicheisenelemente 28 umfasst,
um die sich ebenfalls die elektromagnetischen Spulen 24 erstrecken. Die
zweite elektrische Maschine umfasst einen Rotor 32, der
derart verbunden ist, dass er mit dem Hohlrad 12 rotiert,
und umfasst wiederum eine Vielzahl von Permanentmagneten 34.
Der Rotor 32 wirkt mit einem weiteren Stator zusammen,
der auf entgegengesetzten Seiten des Rotors wiederum zwei Statorelemente
umfasst. Auf dessen einen Seite ist ein Statorelement 36 umfassend
ein Weicheisenteil 38 angeordnet, das wiederum eine Anzahl
magnetischer Spulen 40 trägt. Das andere Statorelement
ist durch die Statorwand 36 gebildet, die ebenfalls einen
Teil des Stators der ersten Maschine bildet.
-
Das
Statorelement 26 ist derart verbunden, dass es mittels
dreier Betätigungselemente 42, von denen aus Gründen
der Klarheit lediglich eines in 1 gezeigt
ist, wie in 1 zu sehen, nach links oder
rechts, bewegbar ist. Diese Betätigungselemente greifen
an drei rechtwinklig beabstandeten Orten in den äußeren
Umfang der Statorwand 26 ein. Die Betätigungselemente 42 können
Von jeder bekannten Art sein, beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch.
Im vorliegenden Fall sind sie allerdings mechanischer Art und umfassen
einen Motor, dessen Abtriebswelle mit einer Gewindewelle 44 verbunden
ist. Diese Gewindewelle 44 ist schraubgewindeartig in einer
komplementären Gewindebohrung auf dem Umfang der Statorwand 26 aufgenommen.
-
Die
elektrischen Anschlüsse der Statoren der zwei Maschinen
sind durch eine Steuereinrichtung 45 miteinander verbunden,
die angepasst ist, die Größe und Richtung der
Energie, die zwischen den zwei Maschinen, die jeweils als ein Motor
und ein Generator betrieben werden, übertragen wird, zu steuern.
Dies ist im Detail in den eingangs genannten bekannten Beschreibungen
beschrieben und daher in den Zeichnungen nicht gezeigt und wird
nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben. In diesem Fall ist die
Steuereinrichtung allerdings auch derart verbunden, dass sie den
Betrieb der Betätigungselemente 42 steuert. Wenn
die Steuereinrichtung erkennen soll, dass eine der elektrischen
Maschinen bei hoher Geschwindigkeit und kleiner Last betrieben wird,
woraus notwendigerweise folgt, dass die andere Maschine bei kleiner
Geschwindigkeit und hoher Last betrieben wird, übermittelt
sie ein Betätigungssignal zu den Betätigungselementen 42,
die dann die Gewindewelle 44 in eine Richtung drehen, was
bewirkt, dass der Luftspalt dieser Maschine, die bei hoher Geschwindigkeit
betrieben wird, zunimmt, was notwendigerweise bedeutet, dass der
Luftspalt für die andere Maschine, die bei kleiner Geschwindigkeit
betrieben wird, reduziert wird. Der genaue Wert der zwei Luftspalte,
der sich natürlich zu einem konstanten Wert summiert, wird
durch die Steuereinrichtung festgelegt, so dass die Geschwindigkeiten/Drehmomente
der zwei Maschinen zweckmäßig sind. Wenn die Geschwindigkeit
der einen Maschine verringert wird, wodurch die Geschwindigkeit
der anderen Maschine erhöht wird, werden die Betätigungselemente
betätigt, um den Luftspalt der ersten Maschine zu verringern,
während der der zweiten Maschine erhöht wird. Die
zwei Luftspalte werden im Betrieb ständig reguliert, um
so nah wie möglich an den Optimalwerten für die
momentanen Betriebsbedingungen der zwei Maschinen zu sein.
-
Das
bewegbare Statorelement 26 und die Betätigungselemente 42 sind
derart angeordnet, dass das Statorelement 26 zwischen einer
Stellung, in der es mit dem Rotor 18 in Verbindung steht
und einer Stellung, in der es mit dem Rotor 24 in Verbindung
steht, bewegbar ist. Wenn die bewegbare Statorwand 26 in
den Verbindungszustand mit dem einen oder anderen der Rotoren bewegt
wird, ziehen sich die Permanentmagnete auf diesem Rotor aufgrund
der kraftvollen Anziehung der Permanentmagnete zu dem Weicheisen
der Statorwand selbst sehr stark zu der bewegbaren Statorwand. Der
besagte Rotor ist dann in der Stellung gekoppelt. Diese Sperrmöglichkeit
ist von Wert, wenn das Getriebesystem als das Hauptantriebssystem
eines Fahrzeugs genutzt wird, weil es verwendet werden kann, um
das Getriebesystem und somit das Fahrzeug in der Stellung zu sperren,
wodurch die konventionelle Handbremse ergänzt oder ersetzt
wird. Bedeutsamer ist es, dass das Steue rungssystem derart programmiert ist,
dass es erkennt, wenn das System seinen Knotenpunkt erreicht hat
oder dabei ist, diesen zu erreichen, und der Rotor der einen oder
anderen Maschine die Rotation gestoppt hat oder dabei ist, diese
zu stoppen. Wenn dies auftritt, ist die Steuereinrichtung programmiert,
die bewegbare Statorwand 26 in ihrer Endposition in Verbindung
mit dem genannten Rotor zu bringen. Das koppelt den Rotor mit der
Statorwand aufgrund der magnetischen Anziehung und hält
den Rotor ortsfest. Die magnetische Kopplung bringt dann das Drehmoment
auf, das sonst benötigt wird, um dem auf diesen Rotor wirkenden
Drehmoment entgegen zu wirken. Die magnetische Kopplung wird auch
aufrecht erhalten, nachdem der Betrieb des Getriebesystems an einen
Punkt bewegt wurde, bei dem diese Maschine wieder zu drehen beginnen
würde. Unter dieser Bedingung überträgt
das Getriebesystem Energie nur mechanisch und das Drehmoment an
der Abtriebswelle kann nur durch Verändern des auf die
Antriebswelle aufgebrachten Drehmoments variiert werden. Wenn der
Betrieb des Getriebesystems allerdings einen Punkt erreicht, bei dem
die Geschwindigkeit der ortsfesten Maschine sonst größer
sein würde als ein vorbestimmter Wert oberhalb Null, wird
die magnetische Kopplung gelöst und der Normalbetrieb wieder
aufgenommen.
-
Die
magnetische Anziehung zwischen dem Rotor und der bewegbaren Statorwand
ist sehr kraftvoll und es ist im Allgemeinen nicht möglich,
die magnetische Kopplung einfach durch Betätigen der Betätigungselemente 42 zu
durchbrechen. Die Steuereinrichtung ist allerdings programmiert,
um die Stellung des Rotors relativ zum Stator zu erkennen und das
kann auf eine Vielzahl von Wegen erreicht werden, beispielsweise
durch Bereitstellung eines Hall-Effekt-Sensors auf dem Rotor oder
durch elektronische Abtastung der elektrischen Anschlüsse
der elektromagnetischen Spulen und Erkennen der auf diese wirkenden
Effekte der Permanentmagneten. Sobald die relative Stellung des
Rotors ermittelt wurde, berechnet die Steuereinrichtung die Spannungen und
Phasen der elektrischen Energie, die auf wenigstens einige der elektromagnetischen
Spulen aufgebracht wird, ausreichend, um eine Abstoßungskraft auf
den Rotor in einer Größenordnung zu erzeugen, die
groß genug ist, um die magnetische Kopplung zu durchbrechen.
Nachdem die notwendigen Spannungen aufgebracht wurden und die magnetische
Kopplung durchbrochen wurde, wird unverzüglich wieder der
Normalbetrieb der Maschine aufgenommen.
-
Die
Permanentmagnete, die typischerweise in elektrischen Maschinen verwendet
werden, sind so kraftvoll, dass die magnetische Kopplung, die erfindungsgemäß zwischen
einem Rotor und einem zugehörigen Stator erzeugt wird,
im Allgemeinen stark genug ist, um dem darauf wirkenden Drehmoment
zu widerstehen, wenn diese elektrische Maschine magnetisch gekoppelt
ist. Wenn allerdings erkannt wird, dass das Drehmoment, das auf eine
oder beide elektrischen Maschinen aufgebracht wird, sehr beachtlich ist,
kann es notwendig oder wünschenswert sein, die Stärke
der magnetischen Kopplung zu erhöhen. Dies kann einfach
durch zusätzliches Programmieren des Steuerungssystems
erreicht werden, um die Winkelstellung jedes Rotors, wenn er in
der gekoppelten Stellung ist, relativ zu dem zugehörigen
Stator zu erkennen und dann ausgewählte elektromagnetische Spulen
in den zugehörigen Stator entsprechend mit Energie zu versorgen,
um eine Anziehungskraft auf den Rotor zu erzeugen, wodurch die magnetische Anziehung
zwischen dem Rotor und dem Stator erhöht wird und dadurch
die Kopplung zwischen diesen verstärkt wird und dadurch
der Wert des Drehmoments, dem die magnetische Kopplung standhalten kann,
erhöht wird.
-
Das
zweite Ausführungsbeispiel ist baulich und funktional dem
Ausführungsbeispiel gemäß 1 sehr ähnlich,
wobei aber in diesem Fall das Getriebesystem vom gesamtelektrischen
Typ ist und das Planetengetriebe somit weggelassen ist. Die Antriebs-
und Abtriebswellen 2 und 4 sind daher jeweils direkt
mit den Rotoren 16 und 32 der zwei Maschinen verbunden.
Der Betrieb dieses Systems ist allerdings sonst gleich dem gemäß 1 und
es ist zu erkennen, dass, mit Ausnahme des Planetengetriebes, 1 und 2 tatsächlich
gleich sind.
-
3 zeigt
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem das Planetengetriebe
vom vierstufigen Typ ist. Das Getriebe ist tatsächlich
bekannt als Ravigneaux-Typ. Da der Aufbau und der Betrieb des Planetengetriebes
selbst wohlbekannt ist und der Aufbau und der Betrieb der zwei elektrischen
Maschinen im Wesentlichen der Gleiche ist wie der in 1, erscheint
es nicht notwendig zu, 3 in weiteren Einzelheiten zu
beschreiben.
-
4 zeigt
die Rotoren und Statoren eines weiter abgewandelten Ausführungsbeispiels,
bei dem die zwei elektrischen Maschinen vielmehr einen radialen
als einen axialen Magnetflusstyp aufweisen. Die linke Maschine,
die als erste Maschine bezeichnet wird, umfasst einen Stator 16,
der Permanentmagnetpole 18 trägt. Der Stator 16 weist
eine Kegelstumpfform auf und ist derart angeordnet, dass er um die
zentrale Achse des Kegels innerhalb eines komplementären
kegelstumpfförmigen Raums rotiert, der durch einen Stator 50 begrenzt
ist, der elektromagnetische Spulen 52 trägt. Der
Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator ist von konstanter Breite,
steigt aber in einem flachen Winkel bezüglich der Rotationsachse.
Die zweite Maschine ist im Allgemeinen ähnlich und umfasst
einen Rotor 32, der Permanentmagnete 34 trägt.
Der Rotor weist wiederum eine Kegelstumpfform auf und ist derart
angeordnet, dass er um die Achse des Kegels innerhalb eines komplementären
kegelstumpfförmigen Raums rotiert, der durch einen Stator 54 um fassend
elektromagnetische Spulen 56 begrenzt ist. Der Luftspalt
ist wiederum von konstanter Breite und in einem flachen Winkel zur
Achse ansteigend, aber der Anstiegswinkel ist entgegengesetzt zu
dem des Luftspalts der ersten Maschine. Die zwei Statoren 50 und 54 sind
derart miteinander verbunden, dass sie eine einzige Verbundeinheit
bilden, die mit einem oder mehreren Betätigungselementen
(nicht dargestellt) verbunden ist, die angeordnet sind, um die Verbundeinheit
nach links oder rechts parallel zur Rotationsachse zu bewegen. Wenn
die Verbundstatoreinheit 50, 54 nach rechts bewegt
wird, wie in 4 gezeigt, erhöht sich der
Luftspalt der ersten Maschine und der der zweiten Maschine verringert
sich. Umgekehrt, wenn die Verbundstatoreinheit nach links bewegt
wird, verringert sich der Luftspalt der ersten Maschine und der der
zweiten Maschine erhöht sich. Entsprechend kann dieses
Ausführungsbeispiel im Wesentlichen auf dieselbe Weise
wie das erste Ausführungsbeispiel verwendet werden, um
die Luftspalte der zwei Maschinen in entgegengesetzten Richtungen
gleichzeitig einzustellen, so dass die Leistung des Getriebesystems
optimiert wird. Die Verbundstatoreinheit ist wiederum so weit in
die zwei Richtungen bewegbar, dass sie in Verbindung mit dem einen
oder anderen Rotor gebracht werden kann, wodurch dieser Rotor magnetisch
in der Stellung gekoppelt wird. Die magnetische Kopplung kann wiederum
in der oben beschriebenen Weise gelöst werden.
-
Das
Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist
im Wesentlichen dasselbe wie gemäß 4,
wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass die Relativstellungen
der Rotoren und Statoren umgekehrt sind. Daher begrenzen die zwei
Rotoren 16, 32 kegelstumpfförmige Räume
und sind derart angeordnet, dass sie um zusammenfallende Rotationsachsen
rotieren. Sie tragen entsprechende Permanentmagnetpole 18 und 34 und
die Richtungen, in denen sich die Durchmesser der zwei kegelstumpfförmigen
Räume erhöhen, sind wiederum entgegengesetzt zueinander.
Innerhalb der zwei Rotoren sind zwei kegelstumpfförmige
Statoren 50, 54 aufgenommen, die entsprechende
elektromagnetische Spulen 50, 56 zum Erzeugen
der elektrischen Pole tragen. Die Statoren 50 und 54 sind
wiederum an den Enden derart miteinander verbunden, dass sie eine
Verbundeinheit bilden, und sind wiederum mit einem oder mehreren Betätigungselementen
verbunden, die diese in axialer Richtung bewegen. Eine derartige
Bewegung bewirkt wiederum, dass einer der Luftspalte erhöht
und der andere gleichzeitig verringert wird.
-
Zusammenfassung
-
Ein
Getriebesystem mit stufenlos verstellbarem Übersetzungsverhältnis
umfasst eine Antriebswelle (2), eine Abtriebswelle (4),
und vorzugsweise auch ein Differentialgetriebe mit wenigstens drei
parallelen Wellen (2, 4, 12). Das System
umfasst auch erste und zweite elektrische Motor/Generatoren mit jeweils
ersten und zweiten Rotoren (16, 32) und ersten
und zweiten Statoren (20, 26; 36, 26).
Die ersten und zweiten Rotoren (16, 32) sind mit
entsprechenden Wellen verbunden. Die elektrischen Anschlüsse der
ersten und zweiten Statoren sind miteinander verbunden. Eine Steuereinrichtung
(45) ist vorgesehen, um den elektrischen Energiefluss zwischen
den ersten und zweiten Statoren zu steuern. Zumindest ein Teil (26)
des ersten Stators ist mit zumindest einem Teil (26) des
zweiten Stators verbunden. Dieser Teil (26) ist in einer
ersten Richtung bewegbar, wodurch der Luftspalt des ersten Motor/Generators
erhöht und der Luftspalt des zweiten Motor/Generators verringert
wird, und in einer zweiten Richtung, wodurch der Luftspalt des ersten
Motor/Generators verringert und der Luftspalt des zweiten Motor/Generators
erhöht wird. Ein Betätigungselement (42),
das durch die Steuereinrichtung (45) gesteuert wird, ist mit
dem genannten Teil (26) der Statoren verbunden, um diesen
selektiv in die erste oder zweite Richtung zu bewegen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2003/047897 [0002, 0002]
- - WO 2004/088168 [0002]
- - WO 2004/072449 [0002]