DE19723790C2 - Fahrantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Gattung sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Fahrantriebs.

Ein Fahrantrieb der eingangs genannten Art ist aus der DE 195 05 726 A1 bekannt, bei dem der Drehstromgenerator und der Drehstrommotor über einen Gleichrichter, einen Wechselrichter und einen Gleichspannungswechselkreis elek­ trisch verbunden sind.

Aus der GB-PS 11 20 088 ist ein Fahrantrieb für ein Kraft­ fahrzeug mit einer Gasturbine bekannt, die mit einem Läufer eines Synchrongenerators verbunden ist. Durch den von dem Synchrongenerator erzeugten Wechselstrom sind Wechselstrom­ antriebsmotoren beaufschlagbar. Der Synchrongenerator ist ein fremderregter Generator, dessen Erregerstrom als Gleichstrom in einer Steuerschaltung aufbereitet wird, die einen Gleichrichter aufweist und den Erregerstrom in Abhän­ gigkeit von der Erzeugergeneratorspannung und Betriebsdaten der Gasturbine erzeugt.

Aus der DE 34 39 700 A1 ist ein Fahrantrieb bekannt, bei dem die Steuerschaltung einen steuerbaren Gleichrichter aufweist, der in Abhängigkeit von der Gaspedalstellung des Fahrzeugs gesteuert wird und kontinuierlich den Erreger­ strom des Drehstromgenerators und damit den Grad der Last­ beaufschlagung des Verbrennungsmotors steuert.

Mit dem von dem Drehstromgenerator erzeugten Strom wird ein Asynchron-Wechselstrommotor beaufschlagt, der einen Syn­ chrongenerator antreibt. Mit dem vom Synchrongenerator er­ zeugten Strom werden über Schalter vier Synchronmotoren be­ aufschlagt, von denen jeweils einer einem Rad des Fahrzeugs zugeordnet ist.

Der vom Drehstromgenerator erzeugte Strom wird weiterhin über einen steuerbaren Gleichrichter und Schalter zu einer Fahrzeugbatterie geleitet, um diese aufzuladen.

Aus der DE-Z: Heil, W.: "Elektrische Schiffsschraubenan­ triebe" in: ETZ-B, 1995, H. 7, S. 266 bis 272 ist ein An­ trieb für eine Schiffsschraube bekannt, der einen Verbren­ nungsmotor aufweist, welcher mit einem Läufer eines Gleich­ stromgenerators verbunden ist. Von dem durch den Gleich­ stromgenerator erzeugten Gleichstrom ist ein Gleichstrommo­ tor beaufschlagbar. In Abhängigkeit eines vorgebbaren Soll­ wertes ist der Erregerstrom des Gleichstrommotors von einer Steuerschaltung steuerbar.

Aus der US-PS 33 70 218 ist ein Fahrantrieb für ein Kraft­ fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bekannt, der mit einem Läufer eines Gleichstromgenerators verbunden ist. Mehrere Gleichstromantriebsmotoren treiben die Räder des Fahrzeugs an, wobei die Gleichstromantriebsmotoren von dem vom Gleichstromgenerator erzeugten Strom beaufschlagt werden. Der fremderregte Gleichstromgenerator ist durch einen Erre­ gerstrom von einer Steuerschaltung in Abhängigkeit von ei­ nem vorgegebenen Sollwert sowie der Drehzahl des Verbren­ nungsmotors beaufschlagbar.

Aus der DE-A G 6389 21d²-09.04.1953 ist ein fremderregter Wechselstromgenerator für ein Kraftfahrzeug bekannt, dessen Läufer von einer Turbine drehbar antreibbar ist. Um bei schwankenden Generatordrehzahlen trotzdem eine konstante Frequenz im Stator des Generators zu erzeugen, kann durch eine Regeleinrichtung eine Änderung der Erregerfrequenz er­ folgen.

Aus der DE-PS 751 754 ist eine Kraftübertragungsanlage für elektrisch angetriebene Züge bekannt, bei der eine Wärme­ kraftmaschine zwei oder mehrere in Kaskade schaltbare asyn­ chrone Generatoren mit verschiedener Polzahl zur Erzeugung von Drehstrom antreibt, durch den Fahrzeugmotoren des Zuges antreibbar sind.

Aus der DE 38 29 671 A1 ist es bekannt, Drehzahlen und Ro­ torlagen zur Regelung bzw. Steuerung von Wechselstromma­ schinen zu erfassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, der einfach aufge­ baut ist und die vom Drehstromgenerator erzeugte elektri­ sche Energie mit einem Minimum elektrischer Übertragungs­ elemente dem Drehstromantriebsmotor zum Antrieb der Treib­ achsen zuführt. Ferner soll ein Verfahren angegeben werden, durch das die elektrische Energie lediglich mit geringen Verlusten übertragen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Fahrantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Als besonders vorteilhaft wird bei der erfindungsgemäßen Ausbildung angesehen, dass aufwändige und zu Energieverlus­ ten führende Komponenten zwischen Drehstromgenerator und Drehstromantriebsmotor vermieden werden, so dass die Kosten des Fahrantriebes niedrig gehalten werden können.

Ber dem Dreiphasenfrequenzumrichter vorgebbare Sollwert kann in Abhängigkeit von der Gaspedalstellung des Kraft­ fahrzeuges änderbar sein. Um den Verbrennungsmotor eben­ falls lastabhängig zu steuern, kann die Steuerschaltung den Verbrennungsmotor in Abhängigkeit von dem Steuersignal an­ steuern. Zu einem geringen Bauraum führt es, wenn die Steu­ erschaltung in dem Dreiphasenfrequenzumrichter integriert ist.

Vorzugsweise sind die Läufer der Erregermaschine und des Drehstromgenerators auf einer Verlängerung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors fest angeordnet. Um alternativ zu der direkten Drehstromversorgung durch den Drehstromgenera­ tor bei ruhendem Verbrennungsmotor den Drehstromantriebs­ motor mit Drehstrom versorgen zu können, kann durch den vom Drehstromgenerator erzeugten Drehstrom über einen Frequenz­ umrichter ein Energiespeicher beaufschlagt sein. Der Energiespeicher kann über diesen Frequenzumrichter oder ge­ gebenenfalls einen separaten Frequenzumrichter mit dem Sta­ tor des Drehstromantriebsmotors verbunden sein. Dabei fließt der im Stator des Generators erzeugte Drehstrom direkt zum Stator des Drehstromantriebsmotors und/oder über den Fre­ quenzumrichter in den Energiespeicher. Über den Frequenzum­ richter kann auch Energie aus dem Energiespeicher in das System zurückgespeist werden. Im Fall der Bremsenergie­ rückgewinnung oder der Verwendung des Verbrennungsmotors als Hilfsbremse arbeitet der Drehstromantriebsmotor als Drehstromgenerator und speist entweder den Energiespeicher oder treibt den Drehstromgenerator als Elektromotor gegen die Widerstände des Verbrennungsmotors an.

In einfacher Ausbildung sind dabei vorzugsweise der erste und der zweite Frequenzumrichter durch einen einzigen Fre­ quenzumrichter gebildet.

Ist der Stator des Drehstromgenerators und/oder der Stator des Drehstrommotors um die Achse seines Läufers drehbar an­ treibbar, so kann mindestens einer der beiden Statoren um­ lauffähig in ein Verzweigungsgetriebe integriert sein, wo­ bei vorzugsweise der vom Drehstromgenerator erzeugte Dreh­ strom über eine Schleiferverbindung vom Stator des Dreh­ stromgenerators zum Stator des Drehstrommotors übertragbar ist. Damit rühren die Energieverluste der Schleifer nur aus der Differenzdrehzahl der Statoren her.

In einer vorteilhaften Ausbildung können Drehstromgenerator und Drehstrommotor in Sternschaltung oder Dreieckschaltung geschaltet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Systemdarstellung eines Fahrantriebes eines Kraftfahrzeuges. Dieser Fahran­ trieb weist einen Verbrennungsmotor 1 auf, auf dessen Ver­ längerung der Kurbelwelle 2 der Läufer 3 einer Erreger­ maschine 4 sowie der Läufer 5 eines Drehstromgenerators 6 fest angeordnet sind.

Der in der Wicklung des Stators 7 des Drehstromgenerators 6 erzeugte Drehstrom wird über eine Leitung 8 der Wicklung des Stators 9 eines Drehstromantriebsmotors 10 sowie über eine von der Leitung 8 abzweigende Leitung 11 einem Fre­ quenzumrichter 12 zugeführt, dem ein Energiespeicher 13 nachgeschaltet ist.

Der Läufer 14 des Drehstromantriebsmotors 10 ist fest auf einer Antriebswelle 15 angeordnet, durch die eine Treib­ achse 16 mit Rädern 29 des Kraftfahrzeuges drehbar antreib­ bar ist.

Die Erregerwicklung 17 des Drehstromgenerators 6 wird über eine Verbindung 18 mit dem Ausgangsstrom der Läuferwicklung 19 der Erregermaschine 4 beaufschlagt.

Die Wicklung des Stators 20 der Erregermaschine 4 wird von einem Strom beaufschlagt, der ihr über eine Verbindung 21 von einer Steuerschaltung 22 zugeführt wird. Die Steuer­ schaltung 22 weist einen Dreiphasenfrequenzumrichter 23 auf, dem über eine Verbindung 24 vom Läufer 5 des Dreh­ stromgenerators 6 sowie über eine Verbindung 25 vom Läufer 14 des Drehstromantriebsmotors 10 Informationen über die Drehzahlen und Rotorlagen der Läufer 5 und 14 zugeführt werden. Weiterhin wird der Steuerschaltung 22 ein Sollwert 26 zugeführt, der abhängig von der Stellung eines Sollwert­ stellers 30, beispielsweise eines Gaspedals ist.

In Abhängigkeit von dem Sollwert 26 und den Drehzahlen und Rotorlagen der Läufer 5 und 14 wird von der Steuerschaltung 22 ein Steuersignal aufbereitet, von dem abhängig nicht nur die Wicklung des Stators 20 der Erregermaschine 4 beauf­ schlagt wird, sondern das auch über die Leitung 27 zur An­ steuerung des Verbrennungsmotors 1 und über die Leitung 28 zur Ansteuerung des Frequenzumrichters 12 benutzt wird.

Bei laufendem Verbrennungsmotor 1 wird abhängig von der Be­ aufschlagung der Wicklung des Stators 20 der Erregerma­ schine 4 und dessen Drehantrieb durch die Kurbelwelle 2 des Verbrennungsmotors 1 ein Strom in der Läuferwicklung 19 in­ duziert und damit die Wicklung des Läufers 5 des Dreh­ stromgenerators 6 beaufschlagt.

Wiederum abhängig von der Strombeaufschlagung der Wicklung des Läufers 5 und seines Drehantriebs durch die Kurbelwelle 2 des Verbrennungsmotors 1 wird in der Wicklung des Stators 7 des Drehstromgenerators 6 ein Drehstrom erzeugt und über die Leitung 8 im Stator 9 des Drehstromantriebsmotors 10 zugeführt, um dessen Läufer 14 und damit die Antriebswelle 15 und die Treibachse 16 anzutreiben.

Über die Leitung 11 ist über den Frequenzumrichter 12 der Energiespeicher 13 mit von dem Drehstromgenerator 6 er­ zeugter Energie aufladbar. Im Falle des nicht betriebenen Verbrennungsmotors 1 wird entsprechend der Ansteuerung durch die Steuerschaltung 22 im Energiespeicher 13 gespei­ cherte Energie über den Frequenzumrichter 12 als Drehstrom dem Drehstromantriebsmotor 10 zugeführt und dieser ange­ trieben.

Claims (11)

1. Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbren­ nungsmotor (1), der mit einem Läufer eines Drehstromgene­ rators (6) verbunden ist, mit einem Drehstromantriebsmo­ tor (10), durch den eine oder mehrere Treibachsen (16) des Kraftfahrzeuges antreibbar sind, wobei der Drehstrom­ antriebsmotor (10) von dem vom Drehstromgenerator (6) er­ zeugten Strom beaufschlagbar ist, sowie mit einer Steuer­ schaltung (22), durch die in Abhängigkeit eines vorgebba­ ren Sollwertes der Erregerstrom des Drehstromgenerators (6) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Drehstromgenerator (6) erzeugte Strom über eine Leitung (8) vom Stator (7) des Drehstromgenerators (6) zum Stator (9) des Drehstrom­ antriebsmotors (10) übertragbar ist und die Steuerschal­ tung (22) einen Dreiphasenfrequenzumrichter (23) auf­ weist, der mit einem Sollwertgeber (30) sowie Mitteln zum Erfassen von Drehzahlen und Rotorlagen des Läufers (14) des Drehstromantriebsmotors (10) und des Verbrennungsmo­ tors (1) und/oder des Läufers (5) des Drehstromgenerators (6) und/oder eines vom Verbrennungsmotor (1) antreibbaren Läufers (3) einer Erregermaschine (4) verbunden ist und daß eine elektrische Verbindung (21) zwischen dem Drei­ phasenfrequenzumrichter (23) und der Wicklung des Stators (20) der Erregermaschine (4) sowie eine elektrische Ver­ bindung (18) zwischen der Erregermaschine (4) und der Er­ regerwicklung (17) des Drehstromgenerators (6) vorgese­ hen ist und die Erregermaschine (4) abhängig von den Drehzahlen und Rotorlagen des Drehstromantriebsmotors (10) und des Drehstromgenerators (6) von dem Dreiphasen­ frequenzumrichter (23) frequenz-, amplituden- und phasen­ variabel beaufschlagbar ist und im Drehstromgenerator (6) die elektrische Energie frequenz-, amplituden- und pha­ senrichtig für den Drehstromantriebsmotor erzeugbar ist und diesem direkt zufließt.

2. Fahrantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert in Abhängig­ keit von der Gaspedalstellung des Kraftfahrzeuges änderbar ist.

3. Fahrantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuerschaltung (22) der Verbrennungsmotor (1) in Abhängigkeit von dem Steuersignal ansteuerbar ist.

4. Fahrantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (22) in den Dreiphasenfrequenzumrichter integriert ist.

5. Fahrantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufer (3, 5) der Erre­ germaschine (4) und des Drehstromgenerators (6) mit der Kurbelwelle (2) des Verbrennungsmotors (1) drehfest verbunden sind.

6. Fahrantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den vom Drehstrom­ generator (6) erzeugten Drehstrom über einen Frequenz­ umrichter (12) ein Energiespeicher (13) beaufschlagbar ist.

7. Fahrantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (13) über den Frequenzumrichter (12) mit dem Stator (9) des Drehstromantriebsmotors (10) verbunden ist.

8. Fahrantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (7) des Dreh­ stromgenerators (6) und/oder der Stator (9) des Drehstromantriebsmotors (10) um die Achse seines Läufers (5, 14) drehbar antreibbar ist.

9. Fahrantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Drehstromgenerator erzeugte Drehstrom über eine Schleiferverbindung vom Sta­ tor des Drehstromgenerators zum Stator des Drehstrommo­ tors übertragbar ist.

10. Fahrantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Drehstromgenerator und Dreh­ stromantriebsmotor in Sternschaltung oder Dreieckschal­ tung separat oder gemeinsam umschaltbar sind.

11. Verfahren zur Steuerung eines Fahrantriebs für ein Kraft­ fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, von dem ein Läufer eines Drehstromgenerators drehbar antreibbar ist, mit ei­ nem Drehstromantriebsmotor, durch den eine oder mehrere Treibachsen des Kraftfahrzeugs antreibbar sind, wobei der Drehstromantriebsmotor von dem vom Drehstromgenerator er­ zeugten Strom beaufschlagbar ist, sowie mit einer Steuer­ schaltung, durch die in Abhängigkeit eines vorgebbaren Sollwertes der Erregerstrom des Drehstromgenerators steu­ erbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Drehstromgenerator erzeugte Strom über eine Leitung vom Stator (7) des Dreh­ stromgenerators (6) zum Stator (9) des Drehstromantriebs­ motors (10) übertragen wird, daß in Abhängigkeit von dem vorgebbaren Sollwert sowie den Drehzahlen und Rotorlagen des Läufers (14) des Drehstromantriebsmotors (10) und des Verbrennungsmotors (1) und/oder des Läufers (5) des Dreh­ stromgenerators (6) und/oder eines vom Verbrennungsmotor (1) antreibbaren Läufers (3) einer Erregermaschine (4) in einem Dreiphasenfrequenzumrichter (23) ein Steuersignal erzeugbar ist und daß die Wicklung des Stators (20) der Erregermaschine (4) mit einem dem Steuersignal entsprechenden frequenz-, amplituden- und phasenvariablen Strom beaufschlagt wird und die Erregerwicklung (17) des Dreh­ stromgenerators (6) vom Ausgangsstrom der Erregermaschine (4) durchflossen wird, wobei im Drehstromgenerator (6) die elektrische Energie frequenz-, amplituden- und pha­ senrichtig für den Drehstromantriebsmotor erzeugt wird.