DE19604710A1 - Elektromagnetisches Getriebe mit verstellbarem Drehmoment - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektromagnetisches Getriebe mit verstellbarem Momentenverhältnis von An- und Abtriebswelle.

Elektrogetriebe bei denen eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle und ein Gestell vorhanden sind, bei denen zwischen An- und Abtriebswelle und Gestell und An- oder Abtriebswelle oder zwischen Gestell und Abtriebs­ welle und Gestell und Antriebswelle durch Induktion Magnetkräfte aufgebaut werden, sind bekannt.

In der deutschen Patentanmeldung DE 22 38 364 H02K 51/00 trägt ein Läufer die Ankerwicklung der elektroma­ gnetischen Kupplung, in der ein Strom induziert wird, und die Ankerwicklung eines Elektromotors, die mit der Kupplungswicklung verbunden ist, so daß der induzierte Kupplungsstrom das Magnetfeld des Läufers des Elek­ tromotors aufbaut.

Die Feldwicklung der elektromagnetischen Kupplung ist über Gleichrichter von der Sekundärwicklung eines Transformators gespeist, dessen Primärspannungswicklung von der Ankerwicklung der elektromagnetischen Kupplung gespeist wird.

Über die Steuerung des Magnetfeldes im Gestell ist aber nichts ausgeführt.

Ebensowenig in der US-Anmeldung 79 65 02 und DE 29 28 770.

Bei einem Getriebe der o.a. Art trägt der Antriebsläufer die Erregerwicklung eines Generators und der Abtriebs­ läufer die "Ständerwicklung" in der bei unterschiedlichen Drehzahlen von An- und Abtriebsläufer ein Wechsel­ strom induziert wird. Dieser Wechselstrom speist die "Läuferwicklung" des Elektromotors (= Abtriebsläufer). Im Motorläufer wechselt somit in Abhängigkeit von Drehzahlverhältnis und Drehzahl von An- und Abtriebsläufer die Orientierung der Magnetpole.

Damit aber der Elektromotor eine optimale Drehkraft erzeugt, müssen die Magneten im Gestell in Abhängigkeit von Relativstellung von Motorläufer zum Gestell und von der Orientierung der Magnete im Motorläufer ange­ ordnet sein.

Die Schwierigkeit bei einem derartigen Getriebe besteht also darin, daß im Motorläufer ein Wechselstrom er­ zeugt wird, dessen Frequenz vom Drehzahlverhältnis von Erregerwicklung zu "Statorwicklung" des Generators abhängt, wohingegen die Orientierung der Magnete im Stator des Motors von der Relativstellung von Motorläu­ fer und Stator und der Orientierung der Magnetpole im Motorläufer abhängt.

In der deutschen Patentschrift DE 44 02 719 C1 sind zwei Läufer mit aus Permanentmagneten bestehenden Magnetpolen, die unter einer axial verschiebbaren Kurzschlußwicklung im Gestell drehbar sind. Durch Axialver­ schiebung der Kurzschlußwicklung wird das wirksame Flächenverhältnis der beiden Läufer und damit das Mo­ mentenverhältnis an beiden Läufern verändert. Zur Regelung dieses Getriebes wird der Kurzschlußstrom je nach Relativstellung von Generator- und Motorrotor zu Gestell ein- oder ausgeschaltet.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist, daß zeitweise keine Kraft vom Antrieb zum Abtrieb wirkt und daß die Ein-und Ausschaltsteuerung relativ aufwendig sein dürfte. Insbesondere ist eine eigene Stromversorgung für die Regeleinrichtung notwendig.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht ein einfaches elektromagnetisches Getriebe mit einem Generatorteil, welches aus einem Erregerteil mit Permanentmagneten oder Elektromagneten und einem Induktionsteil besteht mit einer Induktionswicklung, in der bei unterschiedli­ chen Drehzahlen von Erreger- und Induktionsteil ein Wechselstrom induziert wird, und einem Motorteil, bei wel­ chem der Läufer mit dem Induktionsteil des Generatorteils drehfest verbunden ist und die Induktionswicklung des Induktionsteils des Generators mit den Elektromagneten des Motorenankers oder -stators im Kurzschluß verbunden ist, und bei dem die Elektromagneten im Stator oder Läufer immer so orientiert sind, daß nur in dis­ kreten Punkten (im Nulldurchgang der vom Generator induzierten Wechselspannung oder beim Umsteuern der Elektromagnete im Stator) keine Magnetkraft in Drehrichtung zwischen Motorläufer und Stator wirkt.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Induktionswicklung des Generators mit den Wicklungen der Elektromagne­ ten im Läufer bzw. im Stator des Elektromotorteil im Kurzschluß verbunden sind und mit den Elektromagneten im Stator bzw. im Läufer des Elektromotorteils über einen Kommutator so verbunden sind, daß in Abhängigkeit von Läuferstellung zu Statorstellung des Elektromotorteils der Stromfluß in der Statorwicklung bzw. Lauferwick­ lung gleiche oder entgegengesetzte Orientierung zum Stromfluß in der Läufer bzw. Statorwicklung hat.

Anhand der Fig. 1-7 soll die erfindungsgemäße Lösung vorgestellt werden.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Lösung.

An der Antriebswelle ist der Elektromagnetkörper 1 fest mit einer Wicklung 2 die über Schleifringe 3, 4 mit einer Erregerspannung verbunden ist. Diese Erregerspannung kann Gleichspannung oder Wechselspannung sein.

An der Abtriebswelle sind ebenfalls Elektromagnetkörper 6 fest, die von einer Induktionswicklung 7 umgeben sind.

Die Induktionswicklung endet in einem Kommutator 8 der an der Abtriebswelle fest ist und mit dieser dreht.

Eine Statorwicklung 9 greift über Bürsten den in der Induktionswicklung 7 induzierten Strom ab und erzeugt ein Magnetfeld im Magnetelement 10 des Stators.

Die Besonderheit dieser Lösung ist, daß der Induktionsstrom in Abhängigkeit von der Relativstellung von Ab­ triebswelle zum Stator so gesteuert wird, daß die Elektromagnetkörper 6 der Abtriebswelle und die Magnetele­ mente 10 des Stators vom Induktionsstrom gleichsinnig oder gegensinnig umgeben sind.

Daher spielt es keine Rolle, welche Momentanrichtung der induzierte Wechselstrom zu jedem Zeitpunkt hat. Der Kommutator legt fest, ob sich zwei gleiche oder entgegengesetzte Magnetpole von Abtriebswelle und Stator gegenüberliegen.

Dies sei anhand der Fig. 2 weiter ausgeführt.

Die oberen beiden Figuren zeigen die Wicklungen im Läufer L und im Stator S und die Magnetpolorientierung A oder B in diesen Wicklungen, die von der Stellung des Kommutators K festgelegt werden.

Die unteren 4 Figuren zeigen die Kommutatorregelung bei Verschieben des Läufers relativ zum Stator. Zunächst liegen sich gleiche Pole gegenüber und stoßen sich ab.

In der zweiten Fig. (Zwischenstellung) wird die Kommutatorstellung beibehalten, solange, bis sich zwei entge­ gengesetzte Magnetpole gegenüberliegen.

Dann wird über den Kommutator die Stromrichtung im Stator so verändert, daß sich wieder zwei gleiche Ma­ gnetpole gegenüberliegen usw.

Man beachte, daß es keine Rolle spielt, welche Pole A oder B haben. Das heißt, die Regelung wirkt auch, wenn in irgendeiner Stellung z. B. der Läuferpol A von Nord nach Süd umorientiert wird. Dann wird nämlich auch der Statorpol A von Nord nach Süd umorientiert.

Fig. 3 zeigt das Funktionskonzept in der Abfolge.

Die Antriebswelle An hat gleichbleibende Magnetpole und bewegt sich mit der Geschwindigkeit v nach rechts, die Abtriebswelle mit der Geschwindigkeit v/3.

Zwischen der Figur a und b werden die Magnetpole an der Abtriebswelle umgekehrt durch Induktion (UI). Folg­ lich müßten auch die Magnetpole am Stator umgekehrt werden. Durch den Kommutator werden sie aber noch­ mals umgekehrt (UK), so daß die Magnetpolorientierung im Stator beibehalten wird.

Zwischen den Stellungen c und d und zwischen e und f erfolgt eine Umorientierung der Magnetpole durch die Induktion (UI) und zwischen g und h durch Induktion und Kommutator (UI, UK).

Man erkennt, daß an der Abtriebswelle zum einen das Antriebsdrehmoment von der "Generatorkupplung" von der Antriebswelle direkt wirkt und das elektromotorische Drehmoment vom Stator her über den induzierten Strom.

Fig. 4 zeigt nochmals das Getriebekonzept im Axialschnitt und im Schnitt senkrecht zur Achse.

Die Antriebswelle 20 hat einen Klauenpolmagneten 21 in dem die Wicklung 22 angeordnet ist. Die Wicklung wird von einem veränderbaren Erregerstrom über Schleifringe 30, 31 von außen gespeist.

An der Abtriebswelle liegen die Induktionswicklungen 23, die die Magnetpolorientierung der zwischenliegenden Elemente 24, 25 hervorrufen.

Im Gestell liegen die Erregerwicklungen 26 für die Elektromagnete 27 des Gestells.

Die Erregerwicklungen 26 sind min den Induktionswicklungen 23 der Abtriebswelle über die mit der Abtriebswelle drehenden Kommutatoren 28, 29 verbunden.

Fig. 5 zeigt das gleiche Konzept, bei dem anstelle des Elektromagneten an der Antriebswelle ein axial ver­ schiebbarer Ring 36 mit Permanentmagneten an der Antriebswelle den Induktionsstrom erzeugt.

Fig. 6 zeigt eine Lösung, bei welcher das Erregerteil des Generators ein mit Permanentmagneten versehener Ring 40 im Gehäuse ist, welcher axial verschoben werden kann. Das Induktionsteil bzw. der Motorläufer 41 ist an der Antriebswelle 52 fest, welche mit der Abtriebswelle 46 über eine Freilaufkupplung 50 so verbunden ist, daß die Abtriebswelle nur schneller als die Antriebswelle drehen kann.

An der Abtriebswelle 46 ist das "Statorteil" 42, 43 des Motors fest, dessen Wicklungen 42 über einen Kommuta­ tor 44, 45 zwischen An- und Abtriebswelle mit den Induktionswicklungen an der Antriebswelle verbunden ist. An der Abtriebswelle 46 sind weiterhin Fliehkraftkörper 47, 48 fest, die bei hohen Abtriebsdrehzahlen gegen die Kraft einer Feder 51 nach außen wandern und dabei den gehäusefesten Magnetring 40 so verschieben, das der Induktionsstrom verringert wird und im Extremfall ausgeschaltet wird.

Dann arbeitet ein derartiges Getriebe drehzahlabhängig so.

Bei "niedrigen" Antriebsdrehzahlen von 700-1500 U/min sind die Fliehkraftkörper angelegt, die Generatorerre­ gung ist hoch und damit auch die Motorleistung.

Der Motor stützt sich an der Antriebswelle ab und läßt somit die Abtriebswelle schneller als die Antriebswelle drehen.

Steigt nun die Abtriebsdrehzahl, verschieben die Fliehkraftkörper den Magnetring und vermindern den Indukti­ onsstrom. Damit verringert sich auch das Drehzahlverhältnis zwischen An- und Abtriebswelle.

Bei hohen Antriebsdrehzahlen ist der Generator ausgeschaltet und die Abtriebswelle wird über die Freilaufkupp­ lung gedreht.

Ein derartiges Getriebe ist daher sehr gut geeignet zur Regelung der Nebenaggregatedrehzahl eines Verbren­ nungsmotors eingesetzt zu werden.

Fig. 7 zeigt bei günstiger Regelung des Erregerstroms des Generators über der Abtriebsdrehzahl bei gegebe­ ner Antriebsdrehzahl und gegebenem Antriebsdrehmoment den Verlauf des Abtriebsdrehmoments.

Daher ist ein derartiges Getriebe auch sehr gut als einfaches, kostengünstig herstellbares stufenlos verstellba­ res Getriebe für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor geeignet.

Man beachte, daß der Getriebewirkungsgrad im "normalen" Drehzahlbereich sehr hoch sein dürfte, da der Kupplungswirkungsgrad zwischen Ap- und Abtriebswelle mit 1 in die Rechnung eingeht und nur in den darüber hinausgehenden "Motorwirkungsgrad" das Produkt aus Generator- und Motorwirkungsgrad eingeht.

Claims (7)

1. Elektromagnetisches Getriebe mit Antriebswelle, Abtriebswelle und Gestell, aus einem Generator (1, 2, 6, 7; 21, 22, 23, 24; 40) mit permanentmagnetischem oder elektromagnetischem Erregerteil (1, 2; 21, 22; 36; 40) (läufer- oder gestellfest) und Induktionsteil (6, 7; 23, 24; 41), in welchem ein Wechselstrom bei Relativverdrehung von Erregerteil zu Induktionsteil erzeugt wird, und von welchem entweder das Erregerteil oder das Induktionsteil an der Antriebswelle drehfest angeordnet ist,
aus einem Elektromotor mit einem Läuferteil (6, 7; L; 23, 25; 41) und einem "Statorteil" (9, 10; S; 26, 27; 42, 43), in welchen beiden Elektromagnete das Drehfeld erzeugen,
bei welchem das Induktionsteil des Generators drehfest mit dem Läuferteil oder dem Statorteil des Elek­ tromotors verbunden ist und die Induktionswicklung im Kurzschluß mit der Erregerwicklung des Läuferteils oder des Statorteil verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß es zwischen dem Läuferteil und dem Statorteil des Elektromotors einen Kommutator (8; 28, 29; 44, 45) gibt, der je nach Relativstellung von Läuferteil zu Statorteil den im Induktionsteil erzeugten Strom so durch Läuferteil und Statorteil führt, daß um die Magnetpole im Läuferteil oder Statorteil entweder ein gleichsinni­ ger oder entgegengesetzter Strom aufgebaut wird und so unabhängig von einer momentanen Magnetpo­ lung im einen Motorteil bei induziertem Strom im Induktionsteil stets (mit Ausnahme weniger diskreter Punkte) ein Motordrehmoment größer Null im Motor so erzeugt wird, daß es in einer gewünschten Dreh­ richtung wirkt.

2. Elektromagnetisches Getriebe unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregerteil des Generators Elektromagnete (1, 2; 21, 22) enthält, deren Erregerstrom oder -spannung stufig oder stufenlos über regelbare oder schaltbare Widerstände oder über die Variation der Einschaltdau­ er oder über andere Maßnahmen so verändert werden kann, daß bei idealer Maschine bei gegebenem Ausgangsdrehzahlverhältnis und bei gegebenem Ausgangsmomentenverhältnis von An- zu Abtriebswelle bei Veränderung von Erregerstrom oder -spannung sich die Drehmomente an An- und Abtriebswelle verän­ dern, ihr Verhältnis aber (zunächst) konstant bleibt.

3. Elektromagnetisches Getriebe unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregerteil des Generators Permanentmagnete enthält, die relativ zum Induktionsteil in axialer Richtung so verschoben werden können, daß die überstrichene Fläche der Induktionswicklung verändert wird und dadurch der Erregerstrom im Induktionsteil verändert wird.

4. Elektromagnetisches Getriebe unter Patentanspruch 1-3, bei welchem das Erregerteil des Generators an der Antriebswelle und das Induktionsteil und das Läuferteil des Motors an der Abtriebswelle angeordnet sind und das Statorteil des Motors gehäusefest ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle eine Freilaufkupplung so angeordnet ist, daß die Abtriebs­ welle nicht schneller als die Antriebswelle drehen kann.

5. Elektromagnetisches Getriebe unter Patentanspruch 1-3, bei welchem das Erregerteil (40) des Generators gehäusefest ist und das Induktionsteil (41) an der Antriebswelle (52) fest ist und die Generatorerregung durch Veränderung des Erregerstroms eines Elektromagneten im Erregerteil oder durch Axialverschiebung eines Magnetpolringes (40) mit Permanentmagneten verändert werden kann und bei welchem das Statorteil (42, 43) an der Abtriebswelle (46) fest ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle eine Freilaufkupplung (50) vorhanden ist, die nur zuläßt, daß die Abtriebswelle mindestens so schnell wie die Antriebswelle dreht.

6. Elektromagnetisches Getriebe unter Patentanspruch 1, 3-5, bei welchem eine Veränderung der Generatorer­ regung durch Axialverschiebung von Permanentmagneten oder von Induktionsschleifen über Permanent­ magneten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung durch ein fliehkraftgeregeltes, drehfest mit der An- oder Abtriebswelle verbundenes Element (47, 48) erfolgt.

7. Elektromagnetisches Getriebe unter Patentanspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Fahrzeuggetriebe für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor oder zum geregelten Antrieb der Ne­ benaggregate eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird.