DE1438815A1

DE1438815A1 - Mechanisch-elektrischer Fahrzeugantrieb

Info

Publication number: DE1438815A1
Application number: DE19651438815
Authority: DE
Inventors: Rambold Dipl-Ing Werner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-06-04
Filing date: 1965-06-04
Publication date: 1969-04-24
Also published as: GB1122517A; BE681225A; FR1481809A

Description

• H38815

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SIEMENS-SCHUCKERTWEHKE Erlangen, den ³- "' '

Aktiengesellschaft Werner-von-Siemens-Str.

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Mechanisch-elektrischer Fahrzeugantrieb

Der neue Fahrzeugantrieb ist zur Verwendung bei Land-, Luft-•und Wasserfahrzeugen vorgesehen, deren Antriebsleistung über mitgeführte Kraftquellen, wie z.B. Verbrennungsmotoren oder Turbinen in mechanischer Form zur Verfugung gestellt wird. Die Übertragung der mechanischen Leistung der Kraftquelle

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zu den Antriebsorganen des Fahrzeuges (Räder, Propeller etc.) auf elektrischem Wege bietet bekanntlich gegenüber mechanischen Übersetzungs- und Schaltgetrieben vor allem wesentliche Vorteile hinsichtlich ihrer weit besseren Steuerbarkeit. Zudem sind auch die dabei auftretenden regeltechnischen Aufgaben auf elektrischem Wege zufriedenstellender zu lösen oder dadurch überhaupt erst lösbar. Eine elektrische Kraftübertragung hat weiter den Vorteil, daß sie eine weitgehende Freizügigkeit in der räumlichen Zuordnung von Kraftquelle und Antriebsorgan "ermöglicht.

Diese Höherwertigkeit 'der elektrischen Kraftübertragung mußte aber bisher mit einem je nach der Leistung zum Teil erheblichen Mehrgewicht gegenüber einer rein mechanischen Kraftübertragung erkauft werden. Dies ist für stationäre Energieübertragungen ähnlicher Art zwar meist ohne Bedeutung. Auf einem Fahrzeug dagegen liegen meist eng limitierte Gewichts- und Haumbeschränkungen vor, die oft zur Folge haben, daß die steuer- und regeltechnischeji Vorteile einer elektrischen Kraftübertragung bei dem Fahrzeug nicht wahrgenommen werden können.

Für diese ungünstige Gewichtsbilanz sind vornehmlich die bisher nicht zu umgehende Notwendigkeit, die elektrischen Antriebsmotoren in ihrer Modelleistung gegenüber der Leistung der Kraftquelle überdimensionieren zu müssen und das zu niedrige Drehzahlniveau der elektrischen Maschinen verantwortlich.

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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besitzt man bei einem mechanischen Ubersetzungs- und Schaltgetriebe anstelle einer elektrischen Kraftübertragung durch Anwendung der Qetriebeumschaltung (Gänge) die Möglichkeit, die Leistung der Kraftquelle zumindest in mehreren Geschwindigkeits-Zugkraftbereichen des Fahrzeuges voll auszunutzen. Dort ist die leistungsgleiche Hyperbel L der Kraftquellenleistung dargestellt, die für den ganzen Diagrammbereich angibt, welche Zugkraft welcher Geschwindigkeit im Rahmen der Kraftquellenleistung zugeordnet ist. Es sind drei Schaltgänge eingezeichnet (I - III), auf die je nach dem GeschwindigkeJ ts- bzw. Zugkraftbedarf umgeschaltet werden kann. Die Flächen der drei Rechtecke I, II, III repräsentieren dabei die jeweils gleiche Leistung der Kraftquelle (Leistung = Zugkraft χ Geschwindigkeit bzw. Drehmoment M χ Drehzahl n). Je größer" die Zahl der mechanischen Gänge ist, desto besser wird die Anpassung an die Kennlinie der Kraftquelle.

Demgegenüber verfügt eine elektrische Kraftübertragung sozusagen nur über einen "einzigen Gang", wie die als Beispiel eingetragene Kennlinie E eines Kommutator-Reihenschlußmotors zeigt. Wie ersichtlich, weicht die Form dieser Kennlinie ganz erheblich von der der leistungsgleichen Hyperbel ab. In dem Bereich zwischen den Kurven L und E liegt die Motorleistung beträchtlich über der Leistung, die von der Kraftquelle her zur Verfügung steht. Der Motor ist also zwangsläufig in seiner Modelleistung, die nur zu einem Bruchteil für den Fahrbetrieb

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ausgenutzt werden kann, überdimensioniert. In der Praxis kommt man je nach den Diagrammforderungen unter Umständen bis zu einer drei- und mehrfachen Überdimensionierung. Der dreifachen Modelleistung'eines solchen Motors würde aber ' · etwa das 2 1/2-fache Gewicht entsprechen.

Der neue mechanisch-elektrische Fahrzeugantrieb, bei dem von mechanischen Kraftquellen angetriebene Drehstromgeneratoren über Umrichter die Drehstrom-Asynchron-Fahrmotoren speisen, vermeidet diese Nachteile. Die Lösung besteht darin, daß Spannung und/oder-Frequenz des den Fahrmotoren zugeführten Drehstromes durch die Umrichter im Sinne der Einhaltung eines der Motordrehzahl bzw. der Frequenz des speisenden Drehstromes umgekehrt proportionalen Momentenverlaufes der Fahrmotoren gesteuert sind.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, als Drehstromgeneratoren Synchrongeneratoren zu verwenden, die zur Gewichtsersparnis als Mittelfrequenzgeneratoren für z.B. 1500 Hz, d.h. als sehr schnell laufende Maschinen, ausgeführt sind, wodurch die bei Kommutatormaschinen durch die zulässige Kommutator-Umfangsgeschwindigkeit gegebene Drehzahlbegrenzung vermieden ist. Ebenso werden die Fahrmotoren, als schnell laufende Asynchronmaschinen ausgebildet.

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Allein durch die Verwendung von Drehstrom-Asynchron-Motoren eueaemen mit diesen Generatoren lassen sich Jedoch die eingange geschilderten Hachteile der bekannten mechanischelektrischen Antriebe nicht beseitigen. Wie die in Pig. 1 neben der Ieiatungsgleichen Hyperbel L der Kraftquelle dargestellte Kennlinie D eines Drehstrom-Asynchronmotors »eigt, würde auf diesem Wege sogar der in die Motoren zu installierende Leiatungsüberschuß gegenüber der Kraftquellenleietung noch weit größer als beim Kommutatormotor (Kurve K). Die Kennlinie D des Asynchronmotors mit seinem Nebenschlußverhalten weicht offensichtlich noch mehr als die Reihenschlußkennlinie K eines Gleichstromkommutatormotors von der Hyperbelform der Kraftquellen-Kennlinie H ab.

Man hat deshalb auch schon daran gedacht, die Wirkungsweise eines mechanischen Schaltgetriebes mit mehreren Gängen elektrisch zu imitieren, indem man polumschaltbar Asynchronmotoren vorschlug. Sine polumschaltbar Ausführung der Motoren erfordert jedoch wiederum ein nicht unbeträchtliches Mehrgewicht, so daS auch auf diesem Wege eine zur Verwendung eines mechanisch-elektrischen Antriebes auf Fahrzeugen erforderliche ßewichtssenkung nicht zu erreichen ist.

Die Erfindung ermöglicht es nun aber, Asynchronmotoren für den Fahrzeugantrieb zu verwenden, um damit das Drehzahlniveau hochlegen zu können, und eine Überdimensionierung der Motoren

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zu vermeiden. Es gelingt auf diese Welse, die Modelleistung der Fahrmotoren mit der von der Kraftquelle zur Verfügung gestellten Leistung im gesamten Fahrbereich in Übereinstimmung zu bringen und damit das Gewichts- und Aufwandsminimum zu erreichen. ·. .

Zur nähren Erläuterung des neuen Antriebes wird auf Fig. 2 verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist. Ein Drehstromgenerator DG ist je nach den Drehzahlverhältnissen mit der Kraftquelle' A, z.B. einer Gasturbine direkt oder mit einer langsam laufenden Antriebsmaschine A über ein Getriebe verbunden, um die erwünschte hohe Generatordrehzahl zu erhalten. Der oder die Generatoren DG sind vorzugsweise Mittelfrequenz-Generatoren für möglichst hohe Frequenz, z.B. 1500 Hz, um kleinstes Gewicht und kleinsten Raumbedarf zn erzielen. Wegen der hohen Generatordrehzahl wird der Läufer des Generators DG in an sich bekannter Weise

wicklungslos ausgeführt.

Dem oder den Generatoren DG nachgeschaltet sind ein oder mehrere statische Thyristor-Umrichter (U1, U2). Als Umrichter U1, U2 kommen vorzugsweise direkte Drehstromumrichter mit ; zwei Thyristorstromrichtern in Gegenparallelschaltung in Betracht, es können jedoch auch Umrichter mit Gleichstrom-' zwischenkreis verwendet werden. Dabei ist es vorteilhaft, die Generatoren mit konstanter Drehzahl anzutreiben und auf konstante Spannung zu regeln.

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Pur· die Erfindung ist es wesentlich, daß die Umrichter so ausgebildet sind, daß sie nicht nur ihre Ausgangsfrequenz von Null bis zum Höchstwert, sondern auch, und zwar völlig unabhängig davon, ihre Ausgangsspannung von Null bis zum Höchstwert freizügig verändern lassen.

Die Fahrmotoren F1, F2 sind asynchrone Drehstrom-Käfigläufermotoren für hohe Drehzahl. Die den Motoren P1, P2 von den Umrichtern U1, U2 zugeführte Frequenz bestimmt ihre Drehzahl und damit die Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Die den Motoren P1, P2 gemäß der verlangten Geschwindigkeit zugeführte Frequenz, die zugeführte Spannung und damit das Motorfeld sind durch eine elektronische Regelung R der Umrichtersteuerung U1, U2 so geführt, daß das von den Motoren F1, F2 entwickelte Drehmoment proportional dem Kehrwert der Motordrehzahl wird. Die Regeleinrichtung gibt den Fahrmotoren durch entsprechende fortlaufende Zündwinkelverschiebung den erforderlichen Stromwert vor. Um eine Drehrichtungsumkehr der Fahrmotoren F1, F2 ohne starkstromtechnische Umschaltungen ausführen zu können, wird die Phasenfolge des Stromes und damit der Drehsinn des Feldes über elektronische Kippstufen festgelegt. Das Luftspaltfeld der Asynchron-Fahrmotoren P1, F2 wird somit nach Maßgabe des Momentensollwertes durch elektronische Regler geregelt. Der Istwert der Peldinduktion kann auf an sich bekannte Weise durch Hallsonden direkt oder durch andere Meßmethoden indirekt erfaßt werden.

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Über eine zusätzliche durch die Umrichtersteuerung erzwungene Schlupfbegrenzung der Motoren P1, F2 ist es realisierbar, die Motorkennlinie - abweichend von der natürlichen Nebenschlußkenn],inie einer Asynchronmaschine - identisch mit der leistungsgleichen Hyperbel der Kraftquelle zu formen. Damit geht die Motormodelleistung auf die von der Kraftquelle zur · Verfügung gestellte Leistung zurück, so daß keine Überdimensionierung der Motoren mehr erforderlich wird und das denkbare Gewichtsminimum der Gesamtkombination erreicht ist. Die Motoren erhalten damit auch das für einen Fahrzeugantrieb unerläßliche Reihenschlußverhalten, wodurch sich mit zunehmendem Drehmomentbedarf die Geschwindigkeit selbsttätig ohne Leistungsüberforderung der Kraftquelle zurücksetzt. Durch die vorgesehenen Punktionsgeber ist das Moment der Fahrmotoren derart begrenzt, daß die von der Antriebsmaschine A vorgegebene Maximalleistung in keinem Punkt der leichstungsgleichen Hyperbel überschritten werden kann.

10 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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'" Patentansprüche

J Mechanisch-elektrischer Fahrzeugantrieb, bei dem von mechanischen Kraftquellen angetriebene Drehstromgeneratoren über Umrichter Drehstrom-Aeynchron-Fahrmotoren speisen, dadurch gekennzeichnet, daß Spannung und/oder Frequenz des den Fahrmotoren zugeführten Drehstromes durch die Umrichter im Sinne der Einhaltung eines der Motordrehzahl bzw. der Frequenz des speisenden Drehstromes umgekehrt proportionalen Momentenverlaufes der Fahrmotoren gesteuert sind.
2. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichter mit statischen Bauelementen, insbesondere Thyristoren, arbeiten.
3. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Umrichter direkte Umrichter mit zwei Thyristor-Stromrichtern in Gegenparallelschaltung verwendet sind.
4. Fahrzeugantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung dee Momenten-Verlaufes der Fahrmotoren durch elektronische Regeleinrichtungen bewirkt ist, welche den Stromsollwert in

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Abhängigkeit von dem geforderten Moment durch entsprechende fortlaufende Zündwinkelverschiebung der Thyristoren
vorgeben.
5« Fahrzeugantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehrichtungsumkehr des Antriebes ohne starkstromtechnische Umschaltungen -über elektronische Kippstufen die Phasenfolge des Stromsollwertes und damit der Drehsinn des Feldes festgelegt sind.
6. Fahrzeugantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld im Luftspalt der
Asynchronmotoren nach Maßgabe des Momentensollwertes durch elektronische Regler geregelt und der Feldistwert durch Hallsonden direkt erfaßt oder durch indirekte Meßmethoden festgestellt ist.
7. Fahrzeugantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Moment der Fahrmotoren
durch elektronische Funktionsgeber derart begrenzt wird, daß die von der Antriebsmaschine vorgegebene Maximalleistung in keinem Punkte der leistungsgleichen Hyperbel überschritten werden kann.
8. Fahrzeugantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstromgeneratoren als Mittelfrequenzgeneratoren für z.B. 1500 Hz ausgeführt sind.

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9. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelfrequenzgeneratoren mit Rücksicht auf ihre hohe Drehzahl mit wicklungslosen Läufern versehen sind.
10. Fahrzeugantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstromgeneratoren auf konstante Spannung und Frequenz geregelt sind.

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