DE19501574A1 - Schadstofflose Antriebskombination - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Antriebskombination, welche schadstofflos, oder aber auch bei Treibstoffmotoren schad­ stoffarm arbeitet.

Bei einem elektrisch betriebenen Fahrzeug besteht die Kombi­ nation durch einen Elektromotor, der ein Schwungrad antreibt und dies auf eine vorbestimmte Drehzahl bringt. Die hierdurch entstehende Kraftspeicherung im Schwungrad wird durch eine stufenlos arbeitende Magnetkupplung so weitergegeben, wie es jeweils für die Fahrt des Fahrzeuges notwendig ist. Das heißt, daß die im Kraftspeicher Schwungrad angesammelte Kraft nur teilweise über die Magnetkupplung entnommen werden braucht.

Andererseits liegt der Vorteil der Kombination auch darin, daß mit der relativ geringen Motorenergie in der Schwungmasse mit der Ausnutzung der Gravitationskräfte kurzzeitig und bedarfs­ abhängig hohe Spitzenleistungen, die ein mehrfaches der Motor­ leistung ausmachen, abgenommen werden können.

Bei einem Treibstoff betriebenen Fahrzeug ist die Kombination aus dem Treibstoffmotor über das Schwungrad mit vorbestimmter Drehzahl zu sehen, wo auch die Kraft, die erforderlich ist, mit Hilfe der stufenlos arbeitenden Magnetkupplung abgenommen wird.

Es ist ebenso möglich, mit dieser Kombination ein Hybrid­ fahrzeug (Treibstoff und Elektrische Energie) zu erstellen. Hier müssen die einzelnen Antriebskomponenten (Motoren) auf­ einander abgestimmt sein, so daß das einzige Schwungrad durch ein- und auskuppeln von den Antriebsmotoren (Treibstoff- und Elektromotor) jederzeit möglich ist.

Es sind zahlreiche Varianten von Schwungradantrieben bekannt. Ein wie nachstehend beschriebener kombinierter Antrieb mit den dazugehörigen Komponenten ist bisher noch nicht ent­ wickelt worden.

Das Hauptmerkmal für die schadstofflose Antriebskombination bilden die Schwungradvarianten. Als Stand der Technik zählt hierzu Patent Nr. 3524328 (Elektrischer Schwungradantrieb Thöne), dessen Anspruch 2 insoweit die Weiterentwicklung der gegen eine Kraft verschiebbaren Fliehkraftgewichte von Be­ deutung sind. Hieraus resultierend wird schon eine neue Variante unter der DE-OS 41 29 220 (Thöne), DE-OS 42 25 694 (Thöne) und DE-OS 43 03 535 (Thöne) als Stand der Technik gesehen mit den hier auf Zeichnungsblatt 1 in Fig. 1 und 2 dargestellten Leichtschwungrad (6), welches sich auf der Achse (1) dreht und je nach Geschwindigkeit die Stahlkugeln (3) diametral nach außen gedrückt werden. Die Kugeln werden in ausgefrästen (2) Bohrungen geführt und die entgegenführende Kraft sind Druck­ federn (4). Die Bohrungen sind durch Schraubverschlüsse fest verschlossen.

Die Schwungräder sind deshalb aus leichtem Material, damit bei der Anfangsgeschindigkeit, vor allen beim elektrischen Antrieb, der Motor nicht wegen der verhältnismäßig schnellen Drehzahlerhöhung überlastet und damit sehr viel Strom ver­ braucht wird.

So kann auch zum Beispiel die Anwendung einer anderen Aus­ führung des Schwungrades Verwendung finden, indem ein Alu­ miniumkern (1) Zeichnungsblatt 2, Fig. 3a, hergestellt wird. In den eingefrästen Öffnungen (4) werden Führungsrohre (2) Fig. 3 eingesteckt. Innerhalb der Führungsrohre (2) befinden sich Stahlkugeln (5), die sich genau wie am Beispiel des Zeichnungsblattes 1 bei höher werdender Drehzahl gegen die Druckfedern (7) Fig. 3, nach außen drängen und somit die Kraft­ speicherung an den wirkungsvollen Rand des Schwungrades auf­ gebaut wird. Die Schwungrad-Gehäuseplatten (3) verdecken links und rechts den Kern (1) und bilden somit im Gesamten das Schwungrad.

Der Kern des Schwungrades kann auch gemäß Zeichnungsblatt 4, Fig. 5, anders und wirkungsvoller gestaltet werden, indem die Öffnungen (4) versetzt nebeneinander liegen. Das hat den Vorteil, daß die doppelte Schwungmasse beim Lauf des Schwungrades am äußeren Rand liegen und sich daher auch die Kräftespeicherung verdoppelt. (Zeichnungsblatt 3, Fig. 4) Der Schwungradkern ist so gestaltet, daß die Führungsrohre schräg eingebaut sind und die Gewichte (5) sind entsprechend schräg gestaltet, damit sie in Ruhestellung und vor dem Ab­ heben beim Anfangslauf des Schwungrades gut anliegen. Die Gewichte (Zeichnungsblatt 3 und 4, Fig. 4 und 6) sind so ge­ staltet, daß die Druckfedern bei höherer Drehzahl in den eingefrästen Schlitz (6) verschwinden. Dies hat den Vorteil, daß die Gewichte am äußeren Rand des Schwungrades anliegen, somit ein höheres Schwungmoment erreichbar ist. Das Gehäuse des Schwungrades (3) Fig. 4, Zeichnungsblatt 3 ist ellipsen­ förmig ausgebildet, um aerodynamische Widerstände weitgehend auszuschalten.

Eine wirkungsvolle Variante bildet das Schwungrad auf Zeich­ nungsblatt 6, Fig. 9. Auf der Achse (1) ist der Kern (2) auf­ gebaut. Auf dem Kern (2) sind Gleitwellen nebeneinander ein­ gelassen in der Art, daß sie im spitzen Winkel entgegenge­ setzt nach außen ragen. Auf diesen Gleitwellen sind Formge­ wichte eingeschoben, die sich einerseits dem Kern und anderer­ seits dem Schwungradrand anpassen.

Der Schnittausschnitt der Fig. 9 zeigt ein Gewicht (6), wenn es durch die hohe Drehzahl des Schwungrades an den Gehäuserand (5) gedrückt ist.

In der Bohrung (8) innerhalb des Gewichtes (6) ist die zu­ sammengedrückte Feder (7) erkennbar. Unter der Bohrung (8) ist im Gewicht eine Kugelhülse (9) eingepreßt, um ein bes­ seres Gleiten des Gewichtes auf der Gleitwelle (3) zu ge­ währleisten. Eine Stabilisierungsgleitwelle (10) liegt paral­ lel zur Gleitwelle (3), damit das Gewicht beim gleiten in ruhiger Lage bleibt. Hierfür ist erneut eine Bohrung mit einer Kugelhülse (11) vorgesehen.

Durch die äußere Formgebung der Gewichte füllen diese den inneren Rand (5) des Schwungrades voll aus, da auf dem Kern (2) immer 2 Gewichte nebeneinander liegen, die beim Drehen des Schwungrades durch die Anordnung der Gleitwellen (3 und 10) am inneren Rand des Schwungrades (5) hintereinander liegen.

Zeichenblatt 7, Fig. 10 verdeutlicht die Lage der Gewichte (6), welche die Gleitwellen (3) mittels der Kugelhülsen um­ geben. Sichtbar die Öffnung (8) am Kopf der Gewichte, als Platz der Druckfedern (4), wenn diese in zusammengedrückter Form in den Öffnungen (8) untergebracht sind, um die Gewichte (6) bis an den Rand des inneren Schwungrades zu bringen.

Zur schadstofflosen Antriebskombination gehört die stufenlos arbeitende Magnetkupplung. (Zeichenblatt 8, Fig. 11 und 12.) Eine Vorrichtung zur stufenlosen Kraftübertragung ist sicht­ bar bei der DE-OS 41 29 688 (Thöne). Die Aufgabe der Kupplung besteht darin, zwei drehbar gelagerte Wellen miteinander zu verbinden. Hierzu ist eine Umlenkung der magnetischen Feld­ linien vom feststehenden Magnetkörper auf ein drehbar ge­ lagerten Polring erforderlich. Die Aufgabe, elektromagnetische Kupplungen stufenlos steuerbar zu machen, hierfür ist er­ forderlich, die Kupplung in seiner Funktion so weit zu ändern, daß es zu keinem kontakten Kraftschluß kommt.

Als Stand der Technik ist zu betrachten: DE-OS 41 29 688 (Thöne) mit dem Patentanspruch 1. Hier geht es jedoch um eine Weiterentwicklung in der Weise, daß sich die Funktion der stufenlos steuerbaren elektromagnetischen Kupplung bedeutend verbessert.

In der vorgenannten OS liegt das Radial-Rillenkugellager, welches die beiden Gehäuse verbindet, unmittelbar über dem Luftspalt. Dies hat den Nachteil, daß sich magnetische Ströme auf das Lager ausbreiten und bei voller Spannungs­ belastung das Axial-Rillenkugellager als Bremse fungiert, weil sich die Rillescheiben einmal auf dem drehenden und einmal auf dem stehenden Teil der umgebauten Kupplung befindet.

Im vorliegendem Fall wird es so gelöst, daß das dem Elektro­ magnet umgebende Gehäuse (3 und 4) so beschaffen ist, das Axial-Rillenkugellager (8) weit versetzt vom Luftspalt (9) zu integrieren. Somit können die vom Luftspalt herrührenden elektromagnetischen Strahlen nicht mehr auf das Lager wirk­ sam werden. Außerdem bestehen die Kugeln des Lagers nun­ mehr aus Keramik, um jede mögliche Leitfähigkeit, die negative Auswirkungen hat, auszuschließen.

Der bestehende Luftspalt (9) zwischen drehenden Magnet­ teil und Anker ist nur von Nutzen, wenn die Vorrichtung des umgebenden Gehäuses den Luftspalt auf ein Minimum des Abstandes von bis zu 0,1 mm reduziert. Dadurch wird ein direkter Kraftschluß verhindert. Der geringe Abstand zwischen Magnetteil und Anker bewirkt, daß im Luftspalt ein Kraftfeld entsteht, um je nach Baugröße Fahrzeuge und Maschinen stufenlos fahren zu lassen.

Zeichnungsblatt 8, Fig. 12 zeigt einen Magnetkörper (1), dessen drehender Teil (2) von einem Gehäuse (4) umgeben ist. Die Gehäuse sind alle aus Aluminium oder Kunststoff herge­ stellt, um keine magnetischen Strahlen weiterzuleiten. Dieses Gehäuse überlappt den Magnetkörper bis mindestens zur Mitte der Länge. Der Magnetkörper (1) ist auch von einem Gehäuse umgeben (3). Beide Teile (3 und 4) werden durch ein Axial-Rillenkugellager miteinander verbunden (7), wobei die Rillenscheiben (8) in die Gehäuse (4 und 3) eingelassen sind. Durch diese Verbindung entsteht zwischen dem Magnetkörper (1) und Anker (2) ein fester Luftspalt (9). Dieser kann mittels der Justierschrauben, wovon sich mindestens 4 Stück um den Axial-Rillenkugellagerring befinden, eingestellt werden.

In der Funktion wird dem drehenden Magnetkörper (1) eine entsprechende, elektrische Spannung zugeführt, welche über eine Elektronik durch einen Potentiometer regelbar ist. Je mehr Spannung dem Magnetkörper zugeführt wird, um so mehr paßt sich die Mitnahmedrehung des Ankers (2) dem Magnet­ körper an. Der Vorteil der Vorrichtung ist die Anwendung als stufenlos regelbare Magnetkupplung dort, wo sich ein Antrieb mit konstanter Drehzahl, z. B. wie im vorliegendem Fall das Schwungrad, stufenlos reguliert werden kann.

Für einen Elektroantrieb besteht die schadstofflose An­ triebskombination (Zeichenblatt 9, Fig. 13) aus dem Elek­ tromotor (1) mit auf verlängerter Abtriebswelle drehenden Schwungrad (2) und dessen verlängerter Abtriebswelle die stufenlos regelbare Kupplung (3), dessen Abtriebswelle (4) die Kraft an ein Getriebe usw. weiterleitet.

Die schadstofflose Antriebskombination fungiert, daß das Schwungrad (2) mit dem Drehteil der Magnetkupplung (3) durch den Elektromotor (1) auf dessen Höchstdrehzahl gebracht wird. Bei Erreichen dieser Höchstdrehzahl und dessen konstantem Lauf mindert sich der Stromverbrauch erheblich. Die Kraft, welche benötigt wird, ein Fahrzeug oder eine Maschine in Bewegung zu setzen, wird mittels Elektronik über ein Po­ tentiometer Spannung in die Magnetkupplung gegeben. Hier­ durch wird der Anker der Magnetkupplung in Bewegung ge­ setzt, der wiederum mit der Welle (4) jene Kraft weitergibt, die vom Schwungrad abgenommen für das Fahrzeug oder der Maschine erforderlich ist.

So kann aber auch ein Schwungrad z. B. von einem Kraft­ stoffmotor (Zeichnungsblatt 10, Fig. 14, 1) angetrieben werden und über das Schwungrad (2) und elektromagnetischer, stufenlos regelbarer Kupplung die erforderliche Kraft weitergeleitet werden. Hierdurch kann durch den Speicher Schwungrad (2) erheblich an Kraftstoff (Benzin, Dieselöl usw.) eingespart werden.

Zeichnungsblatt 10, Fig. 15 zeigt das Beispiel einer Wind­ kraftanlage mit dem H-Rotor-System. Ein Schwungrad (2), welches in der Mitte der Drehachse horizontal angebracht ist, kann bei einer gewissen Drehzahl, bedingt durch die Fliehkraftgewichte innerhalb des Schwungrades (2) eine Hilfslösung sein, die Windkraft besser auszunutzen, um die H-Rotoren (1) in ihren Kreiselbewegungen zu unterstützen.

Ebenso kann ein Schwungradsystem nach vorliegender Beschreib­ ung innerhalb von Wasserrädern, Schienenfahrzeugen, Booten und Hubschrauberrotoren vielfältig Anwendung finden.

Claims (11)

1. Schadstofflose Antriebskombination, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (1) Zeichnungsblatt 9, Fig. 13, wel­ cher mit der Abtriebswelle mit einem Schwungrad (2) in beliebiger Ausführung verbunden ist. An der Abtriebswelle des Schwungrades ist eine regelbare, elektromagnetische Kupplung angeschlossen mit der Aufgabe, die im Schwung­ rad gespeicherte Kraft je nach Bedarf weiterzugeben.

2. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 1, ge­ kennzeichnet durch die Ausführung des Schwungrades, wel­ ches so ausgebildet ist, daß sich rund um einen Aluminium-, Eisen- oder Kunststoffkern (Zeichnungsblatt 2, Fig. 3a) Öffnungen (4) befinden, in welchen Führungsrohre einsetz­ bar sind. Innerhalb der Führungsrohre werden Stahlkugeln durch Druckfedern (7, Fig. 3) auf den Schwungradkern (1, Fig. 3 und 3a) gedrückt. Die Vorrichtung wird durch Gehäuseplatten abgedeckt.

3. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen im Kern des Schwungrades (Zeichnungsblatt 4, Fig. 5, 4) versetzt nebeneinander und nach innen abgeschrägt angebracht sind Zeichnungsblatt 3, Fig. 4 und Zeichnungsblatt 5, Fig. 8) und am inneren Schwungradrand hintereinander befestigt sind. Die Gehäuseabdeckung ist ellipsenförmig gestaltet. (Fig. 4, 3)

4. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fliehgewichte im Schwung­ rad so gestaltet sind, daß sich die Druckfedern (Fig. 6, 7) im Spalt (6) des Fliehgewichts (5) vollständig eindrückt, um das Fliehgewicht in bestimmter Drehzahl bis an den Innenrand des Schwungrades gelangt und sich dadurch das Schwungmoment vergrößert.

5. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß auf dem Schwungradkern (2), Zeichnungsblatt 6, Fig. 9, Gleitwellen (3) nebeneinander eingesteckt sind, aber außen am Innenrand des Schwung­ rades (5) hintereinander liegen. Die Fliehgewichte sind so geformt, daß sie einerseits in der Rundung dem Kern (2) und andererseits in der Rundung dem Innenrand des Schwungrades (5) angepaßt sind.

6. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Gleitwellen (3) Stabilisierungsgleitwellen (10) parallel zu den Gleit­ wellen (3) angebracht sind, um den Fliehgewichten (6) ein störungsfreies Gleiten bei einer Drehzahlerhöhung des Schwungrades zu gewährleisten.

7. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fliehgewichte (6) mit Bohrungen (8) versehen sind, um den Druckfedern (4) beim Zusammendrücken genügend Raum bieten, diese vollständig aufzunehmen, um die Fliehgewichte (6) bei entsprechender Drehzahl des Schwungrades schlüssig bis an den Innenrand des Schwungrades zu drücken, um dadurch das Schwungmoment zu erhöhen.

8. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 1, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Fliehgewichten (6) Kugelhülsen (9 und 11, auch Zeichnungsblatt 7, Fig. 10) eingebaut sind, welche die Fliehgewichte auf den Wellen (3 und 10) leicht gleiten lassen.

9. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 1, ge­ kennzeichnet durch eine Vorrichtung zur stufenlosen Kraftübertragung von Elektromagnetkupplungen durch nicht­ magnetische Gehäuse (3 und 4, Zeichnungsblatt 8, Fig. 12), um den Magnetkörper (1) und Anker (2), welche über ein Axialrillenkugellager (8) verbunden sind und über Justier­ schrauben (11) der Luftspalt (9) eingestellt werden kann.

10. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verbindung der nichtmag­ netischen Gehäuse (3 und 4) so weit vom Luftspalt (9) entfernt sind, daß keine magnetischen Ströme das Lager (8) beeinträchtigen können (Fig. 12).

11. Schadstofflose Antriebskombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination Treibstoff­ motor, Schwungrad, stufenlos einstellbare Magnetkupplung (Zeichnungsblatt 10, Fig. 14) oder auch jede andere Kombination oder Schwungräder der Zeichnungsblätter 1 bis 7 oder anderer beliebiger Art Verwendung finden.