DE1638219C3 - Drehmomentenwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentenwandler mit einer zwischen Antriebs- und Abtriebswelle eingebauten Schlupfkupplung, deren PoI-rad an eine Erregermaschine und deren Ankerwicklung an eine mit der Abtriebswelle fest gekuppelte Wechselstromkommutatormaschine angeschlossen ist. Bei einem solchen bekannten Wandler soll die von einer Kraftmaschine gelieferte mechanische Energie teilweise in elektrische Energie umgewandelt und in einem Elektromotor in mechanische Energie rückgewandelt werden, während ein erheblicher Teil der von der Kraftmaschine gelieferten Energie durch elektromagnetische Kräfte direkt auf die Abtriebswelle des Drehmomentwandlers übertragen wird; hierbei ist es wesentlich, daß die von der Kraftmaschine bei konstanter Drehzahl und konstanter Leistung gelieferte mechanische Energie an den Energiebedarf eines Abnehmers, z. B. eines Kraftfahrzeuges mit wechselndem Drehmoment und wechselnder Drehzahl, selbsttätig und stufenlos angepaßt werden kann.

Drehmomentwandlung in einer elektrischen Anlage, bestehend aus einer Maschine mit drehbarem Anker und drehbarem Magnetfeld (Zweiläufer), wobei der eine dieser Teile (Kraftläufer) mit der Kraftquelle, der andere (Arbeitsläufer) mit dem Verbraucher (Arbeitsgetriebe) mechanisch verbunden ist und wobei mindestens noch eine zweite, für denselben Verbraucher dienende elektrische Maschine (Zuschaltmaschinc) vorgesehen ist, die mit der ersten elektrische Energie austauschen kann, ist an sich bekannt (deutsche Auslegeschrift 1046 751).

Diese Art der elektrischen Drehmomentwandlung hat jedoch in der Praxis bisher keine Anwendung gefunden. Der Grund hierfür liegt darin, daß die von der Kraftmaschine bei konstanter Drehzahl und konstanter Leistung gelieferte mechanische Arbeit nicht

selbsttätig (automatisch) an den Arbeitsbcdarf einer verbrauchenden Maschine mit wechselndem Drehmoment und wechselnder Drehzahl angepaßt werden kann. Diese Anpassung des Maschinensatzes an die Betriebsverhältnisse ist hier nicht durch die eiektrisehe Charakteristik des Maschinensatzes gegeben, sondern wird durch Schiebewiderstände im Hauptstrom- oder im Erregerstromkreis erreicht, woduich die Anlage in Ausführung und Bedienung kompliziert ist. Es ist auch ein Drehmomentenwandler der eingangs genannten Art bekannt (britische Patentschrift 545 145), bei dem das Polrad der Kupplung durch eine Gleichstrommaschine erregt wird. Diese Gleichstrommaschine wird von der Antriebsmaschine der Kupplung angetrieben und liefert damit - konstante Drehzahl der Antriebsmaschine vorausgesetzt ebenfalls eine konstante Erregung, deren Größe durch einen Schiebewiderstand besonders verändert werden kann. Die Erregung des Polrades der Kupplung ist hierbei durch die Drehzahl der Abtriebswelle der Kupplung nicht beeinflußbar, womit eine automatische Regelung nicht erreicht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist nun ein elektrodynamischer Drehmomentenwandler, der sich auf Grund seiner elektrischen Charakteristik selbsttätig an die jeweiligen Betriebsverhältnisse des Verbrauchers anpaßt, so daß die volle Leistung der Kraftmaschine bei unveränderter, günstiger Drehzahl über den gesamten Drehmomentbereich, für den der Maschinensatz ausgelegt ist, mit gleichbleibendem Wirkungsgrad übertragen wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Wandler der vorausgesetzten Art dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung die an das Polrad der Schlupfkupplung angeschlossene Erregermaschine von der Abtriebswelle des Drehmomentenwandlers angetrieben wird und -las Polrad zusätzlich permanentmagnetisch oder (in an sich bekannter Weise) mit konstanter Gleichspannung versorgt ist.

Bei einem Drehmomentwandler mit einer zwischen Antriebs- und Abtriebswelle eingebauten Schlupfkupplung mit erregtem Polrad und einer Wechselstromkommutatormaschine, die von der Ankerwicklung der Schlupfkupplung gespeist ist, wird gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung paral-IcI zu dem von der Ankerwicklung der Schlupfkupplung zur Wechselstromkommutatormaschine führenden Stromkreis eine Drossel geschaltet. Bei dieser Ausführungsform wird die Erregung des Polrades durch die Eisendrossel beeinflußt, die im Nebenschluß zum Arbeitsläufer liegt und deren induktiver Widerstand vom Schlupf der Kupplung abhängig ist. Tritt ein hoher Schlupf auf, d. h. differiert die Drehzahl der Abtriebswelle erheblich von der Drehzahl der Antriebswelle, so entsteht ein Wechselstrom von entsprechend hoher Frequenz und die Drossel liefert entsprechend dieser Frequenz einen hohen induktiven Widerstand. Im Motorteil hingegen wird nur eine geringe Gegen-EMK erzeugt, so daß bei richtiger Dimensionierung der Eisendrossel der durch den Nebenschluß fließende Strom nur einen geringen Wert annimmt. Je kleiner nun der Drehmomentenbedarf an der Abtriebswelle wird, desto geringer wird der Schlupf und damit auch die Frequenz des Wechsel-

stromes. Dies führt zu einem Absinken des induktiven Widerstandes im Nebenschluß und zu einem Anstieg der Gegen-EMK im Motcirteil. Auch damit kann daher drehzahlabhängig die Stromstärke in der Wickking des Kupplungsteiles heeinflußt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einem Axialschnitt eine erste Ausführungsform,

Fig. 2 in einem Axialschnitt eine zweite Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentenwandlers, jedoch ohne Erregermaschine, mit Antrieb von der Abtriebswelle.

In Fig. 1 bedeuten 1 die Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine und 2 die Schwungmasse dieser Maschine. Diese Schwungmasse ist als Gehäuse eines elektrischen Generators ausgebildet. Es ist für Jas Prinzip des erfindungsgemäßen Drerimomentenwundlers gleichgültig, welche Stromart für die Energieübertragung gewählt wird; es soll hier Einphasenwechselstrom als Stromart angenommen werden. Demnach bedeutet 3 eine Einphasenwechselstromwicklung, welche in der Schwungmasse 2 untergebracht ist. In der Verlängerung der Kurbelwelle 1 und in einer Bohrung derselben drehbar gelagert ist die Abtriebswelle 4 angeordnet. An das Kurbelgehäuse 5 der Verbrennungskraftmaschine ist das Gehäuse 6 angeflanscht, welches als Ständer eines Einphasenkoilektormotors ausgebildet ist. Das Gehäuse 6 wird tiiirch einen Lagerschild 7 abgeschlossen, in dem die Abtricbswclle 4 nochmals gelagert ist. Auf der Abtriebswelle 4 ist ein Polrad 8 aufgekeilt; dieses ist so angeordnet, daß die Kraftlinien seines magnetischen leides die Leiter der Wicklung 3, welche im Schwungrad 2 untergebracht ist, schneiden, wenn zwischen Schwungrad 2 und Polrad 8 eine Drehzahldifferenz (Schlupf) besteht. Das Polrad 8 kann entweder permanentmagnetisch oder aber nach Fig. 1 von einer Akkumulatorenbatterie oder einer anderen Stromquelle konstant fremderregt sein. Es bedeuten 9 eine Akku-Batterie und 10 die Schleifringe für die Zufuhr des Erregerstromes zum Poirad 8. Schwungrad 2 mit Ankerwicklung 3 und Polrad 8, auf Abtriebswelle 4 aufgekeilt, bilden miteinander den als Kraftläufer zu bezeichnenden Teil des Maschinensatzes.

Neben dem Polrad 8 ist auf der Abtriebswelle 4 der Anker 11 eines Einphasenkollektormotors aufgekei't. Dor Anker 11 ist so angeordnet, daß er im Feld der Pole 12 liegt, welche im Gehäuse 6 untergebracht sind. Dieser Einphasenkollektormotor entspricht dem Arbeitsläufer, wie eingangs erwähnt. Die Enden der Wicklung 3 sind an die Schleifringe 13 angeschlossen; von den /.ugehörigen Schleifkohlen führen Leiter zu den Bürsten 14 des Kollektors 15, welcher an die Ankerwicklung des Ankers 11 angeschlossen ist.

Von der Abtriebswelle 4 wird eine Zusatzerregermaschine (Gleichstromgenerator) 16 angetrieben, welche über gesonderte Schleifringe 17 zusätzlich Erregerstrom zu einer zusätzlichen Erregerwicklung des Polrades 8 liefert. Die Zusatzerregermaschine 16 kann so angeordnet werden, daß ihr Anker direkt auf der Abtriebswelle 4 aufgekeilt ist (Fig. 2), oder aber sie kann auch durch Keilriemen, Zahnräder, Kettentrieb o.a. von der Abtviebswclle 4 angetrieben werden, so daß ihre Ankerdrehzahl gleich oder verhältnisgleich der Drehzahl der Abtriebswclle 4 ist. Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Drehmomentwandlers ist wie folgt: Das Schwungrad 2 mit der Wicklung 3 und das Polrad 8 bilden miteinander einen Einpruisenwechselsiromgenerator, bei welchem die Feldstärke des Polrades einerseits durch permancnten Magnetismus oder durch Erregung über die Akku-Batterie 9 einen konstanten We.'t, andererseits durch die Erregung über die Zusatzerregermaschine 16 einen zusätzlicher. Wert erhält, der von der Drehzahl der Abtriebswelle 4 abhängt. Dreht sich das ίο Schwungrad 2, wahrend die Abtrietaswelle 4 stillsteht, so wird in der Wicklung 3 ein Einphasenstrom erzeugt, der zum Einphasenkollektormotor, gebildet aus den Teilen 6, 11, 12, 14 und 15, fließt und dort ein Drehmoment Md_m erzeugt, das auf die Abtriebswelle 4 wirkt; weiters wirkt auf die Abtriebswelle 4 auch das Drehmoment Md_g, welches durch das Schneiden der Kraftlinien des Polrades 8 durch die Leiter der Wicklung 3 entsteht. Dieses vom Antrieb des Generators herrührende Drehmoment Md, ist praktisc/i gleich dem von der Antriebskraftmaschine erzeugten Drehmoment. Begir l nun die Abtriebswelie 4 unter dem Einfluß des ?.uf sie wirkenden Drehmomentes Md^ = Md_1n + Md_g sich zu drehen, so wird die Drehzahidifferenz (Schlupi; zwischen Wicklung 3 und Polrad 8 kleiner als anfänglich und das uuf das Polrad 8 wirkende Drehmoment Md^ würde abzunehmen beginnen, wenn die magnetische Feldstärke des Polrades 8 bei dieser Veränderung konstant bliebe. Da aber mit den· Beginn der Drehung der Abtriebswelle 4 die Zusatzerregermaschine 16 zusätzlichen Erregerstrom zum Polrad 8zuführt, kann für den mit Ansteigen der Drehzahl der Abtriebswelle 4 sinkenden Schlupf ein Ausgleich durch Steigerung der Magnetisierung des Polrades 8 geschaffen und das Drehmoment Md so lange konstant gehalten werden, wie Polrad 8 und Schwungrad 2 nicht einen angenähert gesättigten magnetischen Zustand erreicht haben.

Während das Drehmoment Md , welches vom Schwungrad 2 durch magnetische Kräfte auf das Polrad 8 übertragen wird, über einen weiten Drehzahlbereich der Abtriebswelle 4 konstant bleibt, sinkt das vom Einphasenkollektormotor herrührende Drehmoment Md_1n mit steigender Drehzahl der Abtricbswelle 4, da in der Ankerwicklung des Ankers 11 eine mi: der Ankerdrehzahl steigende gegenelcktromotorischc Kraft sich in einer Verringerung des Ankerund Errcizerstromes (es handelt sich um einen Reihenschlußmotor) und damit in einer Verringerung des erzeugten Drehmomentes auswirkt.

Bei richtiger Ermittlung der Charakteristiken von Generatorteil, Motorteil und Zusatzerregermaschine wird eine vollkommen automatische und stufenlosc Anpassung vor. Abtriebswellenc'rchzahl und Drehmoment an die Betriebserfordernisse auf der Abtriebsseite eintreten, wobei antriebsseitig mit konstantem Drei.moment und konstanter Drehzahl der Kraftmaschine gefahren werden kann.

Bei Anwendung von Wechselstrom (ein- oder mehrphasig) kann die selbsttätige Anpassung des erfindungsgemäßen Drehmomentwandler an den Drehmomentbedarf des Verbrauchers auch durch Parallelschaltung einer Eisendrossel zum Motorteil des Maschinensatzes erfolgen. Diese Ausführung des erfindungsgemäßen Drehmomentwandler ist in Fig. 2 dargestellt (die Bezeichnungen 1 bis 15 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1). Mit 18 ist ein Nebenschluß zum Hauptstromkreis bezeichnet, der

als Wicklung einer Eisendrossel mit dem Bisenkern 19 ausgebildet ist. Die Wirkungsweise ist nun folgende: Bei hohem Drehmomentbedarf und niedriger Drehzahl an der Abtricbswelle 4 und normaler Arbeitsdrehzahl der Antriebswelle 1 herrscht am Cienerator-Kupplungs-Tcil des Maschinensatzes ein erheblicher Schlupf; das bedeutet, daß ein Wechselstrom von entsprechender Frequenz entsteht und in dein Nebenschluß 18 ein entsprechender induktiver Widerstand auftritt, während im Motorteil nur eine geringe gegenclektromotorischc Kraft erzeugt wird, so daß bei entsprechender Bemessung der Eisendrossel der Strom durch den Nebenschluß nur einen unbedeutenden Wert annimmt. Je geringer jedoch der Drehmomentbedarf an der Abtriebswelle 4 wird, desto geringer wird die Frequenz des erzeugten Wechselstromes und proportional da/.u sinkt der induktive Widerstand im Nebenschluß, wahrend die gegenelcktiomotorische Kraft im Motorteil ansteigt. In der Hndphase wird bei sinkendem Drehmomentbedarf und steigender Drehzahl der Abtriebswclle 4 durch den Molorteil des Maschinensatzes praktisch kein Strom fließen, wahrend der Widerstand der Eisendrossel, der Frequenz entsprechend, abgesunken ist. so da(.'> der Generator-Kupplungs-'I eil praktisch im Kurzschluß arbeitet. Es herrschen claim in diesem Teil

ίο Verhältnisse wie in einem Induktionsmotor.

Wenn ein besonders großer Bereich der Schwankung des Drehmomentes an der Abtriebswelle 4 erforderlich ist. kann auch neben der Eisendrossel im Nebenschluß des llauptstrommotors die zusatzliche Hrregungd.es Generator-Kupplungs-Teiles durch die Zusatzerregermaschine in Abhängigkeit von der Ahtriebswellendrehzahl angewendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

I 638 219 Patentansprüche:

1. Drehmomer.tenwandler mit einer zwischen Antriebs- und Abtriebswelle eingebauten Schlupfkupplung, deren Polrad an eine Erregermaschine und deren Ankerwicklung an eine mit der Abtriebswelle fest gekuppelte Wechselstromkommutatormaschine angeschlossen ist, d adurch gekennzeichnet, daß die an das Polrad (8) der Schlupfkupplung angeschlossene Erregermaschine (16) von der Abtriebswelle (4) des Drehmomentenwandlers angetrieben wird und das Polrad (8) zusätzlich permanentmagnetisch oder mit konstanter Gleichspannung versorgt ist.

2. Drehmomentenwandler mit einer zwischen Antriebs- und Abtriebswelle eingebauten Schlupfkupplung mit erregtem Polrad und einer Wechselstrornkommutatormaschine, die von der Ankerwicklung der Schlupfkupplung gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem von der Ankerwicklung der Schlupfkupplung zur Wechselstromkommutatormaschine führenden S'nomkreis eine Drossel (18, 19) geschaltet ist.

3. Drehmomentenwandler ;:ach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad der Schlupfkupplung in an sich bekannter Weise von einer Erregermaschine erregt ist und daß die Erregermaschine v^n der Abtriebswelle des Wandlers angetrieben ist