DE19843480A1 - Leistungsübertragungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Einrichtung zur Übertragung von mechanischer und/oder elektrischer Leistung, umfassend in einer Einheit ein Leistungsübertragungsmittel und eine Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung. Letztere verteilt einen optimierten Abschnitt des Arbeitsdrehzahlbereichs des Leistungsübertragungsmittels auf den vollen Arbeitsdrehzahlbereich der Leistungsübertragungseinrichtung einschließlich des Stillstands um bzw. bildet die Drehzahlbereiche aufeinander ab. In einer mechanischen Umsetzung der Einrichtung verwendet man ein Epizykloidengetriebe als Umverteilungsvorrichtung. In einer elektromagnetischen Umsetzung der Einrichtung verwendet man einen rotierenden Kommutator als Umverteilungsvorrichtung, und das Leistungsübertragungsmittel ist ein elektromagnetisches Mittel. Bei der mechanischen und bei der elektrischen Umsetzung ist eine Energierückgewinnung möglich.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Einrichtung zum Handhaben der Übertragung von Leistung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Einrichtung zum optimierten Übertragen von mechanischer oder elektrischer Leistung, die in einer Leistungsquelle erzeugt wird, an eine Last. Dabei muss die übertragene Leistung die besonderen mechanischen oder elektrischen Leistungsanforderungen über den gesamten Betriebsdrehzahlbereich der Last erfüllen.

Die Leistung ist ein Maß zum Messen des Flusses an Energie oder geleisteter Arbeit pro Zeiteinheit. Elektrische Leistung ist in Haushalten, Fabriken und beispielsweise in den Oberleitungssystemen elektrifizierter Eisenbahnen für unterschiedliche Anwendungen einfach verfügbar. Dagegen wird mechanische Leistung als direkte Antriebsleistung von Antriebsmas­ chinen ebenfalls bequem geliefert, beispielsweise von Verbrennungsmotoren, die fossile Brennstoffe verbrauchen. Für praktische Anwendungen gibt es in der modernen Gesellschaft diese beiden Formen von leicht verfügbaren Leistungsquellen.

Der Begriff "Leistung" wird hier als allgemeiner Begriff verwendet und bezeichnet sowohl die mechanische als auch die elektrische Form der Leistung. Bei der Besprechung der Erfindung bezieht sich der Begriff "Leistungsübertragung" auf das Übertragen von mechanischer oder elektrischer Leistung entweder in mechanische oder in elektrische Leistung. Wesentliche Leistungsformen, die die Handhabung der Leistungsübertragung so betreffen, wie sie die erfindungsgemäße Einrichtung ausführt, enthalten somit elektrische und mechanische Leistung.

Betrachtet man sowohl mechanische als auch elektrische Formen von Leistung, so gibt es vier mögliche Arten der Leistungsübertragung. In der üblichen Terminologie bezeichnet man die Übertragung von mechanischer Leistung in mechanische Leistung allgemein als mechanische Leistungsübertragung, beispielsweise in Fahrzeugantriebsanwendungen. Die Übertragung von elektrischer Leistung in mechanische Leistung mit Hilfe eines Elektromotors bezeichnet man als elektromotorische Umwandlung. Im Gegensatz dazu nennt man die Übertragung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung mit Hilfe eines elektrischen Generators elektrische Leistungserzeugung. Die Übertragung elektrischer Leistung in elektrische Leistung umfasst allgemein das Regulieren der Spannung und/oder Frequenz der elektrischen Leistung. Im Grenzfall der Frequenz null der elektrischen Wechselstromleistung erhält man elektrische Gleichstromleistung.

Die Notwendigkeit der Leistungsübertragung beruht auf einer einfachen Ursache. Die Quellen, die die Leistung liefern, sei es mechanische oder elektrische Leistung, erzeugen die Leistung häufig in Zuständen, die die Last, die diese Leistung verbraucht, nicht direkt verwerten kann. Die kennzeichnenden Faktoren der Leistungsquellen und der zugehörigen Lasten umfassen bei mechanischer Leistung Drehmoment und Drehzahl und bei elektrischer Leistung Frequenz und Spannung. Bei beiden Leistungsformen ist der Wirkungsgrad ein Faktor, dessen Wichtigkeit beständig zunimmt. Betrachtet man beispielsweise die weltweit riesengroße Anzahl von Fahrzeugen, die mit Verbrennungsmotoren angetrieben werden, so bewirken kleine Verbesserungen in der Antriebsanlage der Fahrzeuge und beim Übertragungswirkungsgrad eine sehr große Einsparung beim Erdölverbrauch. Bei kritischen Anwendungen, beispielsweise dem Elektrofahrzeug, macht der Engpass bei der Batteriespeicherkapazität den Wirkungsgrad des elektrischen Antriebssystems zu einem der wichtigsten Entwurfsfaktoren.

Ein Verbrennungsmotor benötigt ein Getriebe, um die Drehmoment-Drehzahl-Anpassung an die Antriebskraftforderungen an den Antriebsrädern des Fahrzeugs bereitzustellen. Verbrennungsmotoren in herkömmlichen Fahrzeugen liefern im Stillstand kein Drehmoment; jedes Fahrzeug muss jedoch aus dem Stillstand beschleunigt werden. Dies bedeutet, dass ein Verbrennungsmotor, der in einem eingeschränkten Drehzahlbereich arbeitet, der den Stillstand nicht einschließt, die Last in einem gesamten Arbeitsdrehzahlbereich antreiben muss, der den Stillstand enthält. Das Getriebe in Automobilen wird dazu verwendet, diese Übertragung von mechanischer Leistung zusammen mit der nötigen Drehmoment-Drehzahl-Anpassung auszuführen. Herkömmliche Automobilgetriebe, die als Drehmomentwandler mit mehreren Gängen ausgeführt sind, weisen jedoch Nachteile auf. Sie erfordern den Einsatz eines präzisen Fluidik-Ventilmechanismus zum Umschalten des Drehmomentwandlers zwischen den drei oder mehr Zahnradsätzen mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen. Die in einem üblichen Getriebe eingebauten Zahnradsätze, von denen zu jedem Zeitpunkt jeweils nur einer in Betrieb ist, erhöhen das Gesamtgewicht des Systems. Zudem arbeitet der Drehmomentwandler bei geringen Drehzahlen mit einem schlechten Wirkungsgrad.

Eine motorisch arbeitende elektrische Maschine - allgemein als Elektromotor bekannt - lie­ fert ein Stillstandsmoment, jedoch mit schlechtem Wirkungsgrad. Bei elektromotorischen Antrieben mit großer Leistung bewirkt der schlechte Wirkungsgrad bei Anlaufdrehzahlen eine schwierige Wärmeabfuhr. Die Antriebe müssen ihre Nennleistung bei geringen Arbeitsdrehzahlen vermindern, um Dauerschäden zu verhindern, die durch die Überhitzung entstehen. Einrichtungen der Leistungselektronik, z. B. PWM-Systeme (PWM = Pulse-Width Modulation, Pulsbreiten­ modulation) erweitern zwar den Arbeitsdrehzahlbereich und verbessern den Motorantriebs­ wirkungsgrad, sie sind aber kompliziert aufgebaut und teuer herzustellen.

Eine als elektrischer Generator im Generatormodus arbeitende elektrische Maschine unterliegt ebenfalls Einschränkungen durch die mechanischen Eingangsdrehzahlen. Beispielsweise gibt es bei einer Windturbine, die einen elektrischen Generator antreibt, die Begrenzung einer kleinsten Windgeschwindigkeit. Unter dieser kleinsten Geschwindigkeit ist es für den Generator schwer - wenn nicht unmöglich - eine Wechselstromleistung zu erzeugen, die für Haushalts- oder Industrieanwendungen annehmbar ist.

Betrachtet man herkömmliche Antriebssysteme, seien es Fahrzeuggetriebe, elektromotorische Antriebe oder Generatoren im allgemeinen Sinn als Maschinen zum Übertragen mechanischer und/oder elektrischer Leistung, so weisen sie alle einen schlechten Wirkungsgrad bei niedrigen Betriebsdrehzahlen auf. Ein Betrieb mit geringen Drehzahlen ist jedoch für alle diese Antriebe praktisch unvermeidbar. Unter gewissen Umständen, beispielsweise bei Fahrzeuggetrieben, die im Verkehrsstau arbeiten, verstärkt dieser schlechte Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen das Luftverschmutzungsproblem in großem Umfang, wenn man die Anzahl der Fahrzeuge betrachtet, die im Stau stecken. Die meisten dieser herkömmlichen Leistungsübertragungsmas­ chinen sind zwar für einen Bruchteil ihres jeweiligen vollen Arbeitsdrehzahlbereichs optimiert, meist im oberen Drehzahlbereich. Sie können jedoch nicht ihren gesamten Drehzahlbereich mit einem optimierten Leistungsverhalten abdecken. Elektromotoren, die mit digital geregelten Leistungselektroniksystemen arbeiten, können tatsächlich in den Arbeitsdrehzahlbereichen, für die sie entworfen sind, ihre Gesamtleistungsfähigkeit gegenüber einfachen Motoren verbessern. Leistungselektronik-Motorregelsysteme sind jedoch kompliziert und teuer in der Herstellung.

Aus den genannten Gründen besteht der Wunsch nach einer Leistungsübertragungsein­ richtung, die Leistung in ihrem gesamten Arbeitsdrehzahlbereich mit optimiertem Verhalten übertragen kann.

Die Erfindung ist auf eine Leistungsübertragungseinrichtung zum Übertragen von Leistung mit optimierten Wirkungsgraden im gesamten Arbeitsdrehzahlbereich ausgerichtet. Eine Leistungsübertragungseinrichtung, die die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, umfasst ein Leistungsübertragungsmittel und eine Leistungsübertragungs-Wechselwirkungs-Um­ verteilungsvorrichtung. Das Leistungsübertragungsmittel umfasst ein erstes Übertragungs-Wechsel­ wirkungsbauteil und ein zweites Übertragungs-Wechselwirkungsbauteil. Das Mittel ist mit dem Eingang der Einrichtung verbunden, die eine äußere Leistung mit einer Eingangswinkelgeschwindigkeit aufnimmt. Die ersten und zweiten Übertragungs-Wechsel­ wirkungsbauteile arbeiten jeweils mit einer ersten und zweiten Winkelgeschwindigkeit, um Leistung durch die Wechselwirkung der beiden Bauteile zu übertragen. Die Übertragungs-Wechsel­ wirkungs-Umverteilungsvorrichtung ist mit dem Leistungsübertragungsmittel und dem Ausgang der Einrichtung zusammengebaut. Die Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des Leistungsübertragungsmittels bei den ersten und zweiten Winkelgeschwindigkeiten wird auf den Ausgang umverteilt, und zwar durch die Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvor­ richtung, und der Ausgang liefert einer äußeren Last Leistung bei einer Ausgangswinkelgeschwin­ digkeit.

In einer mechanischen Umsetzung der Erfindung umfasst eine Leistungsübertragungsein­ richtung mit den Merkmalen der Erfindung ein Leistungsübertragungsmittel und ein Epizykloidengetriebe. Das Leistungsübertragungsmittel umfasst ein antreibendes Bauteil und ein angetriebenes Bauteil. Es ist mit der Eingangswelle der Einrichtung verbunden und nimmt äußere mechanische Leistung bei einer Eingangswinkelgeschwindigkeit auf. Das antreibende und das angetriebene Bauteil des Leistungsübertragungsmittels arbeiten jeweils bei einer antreibenden und einer angetriebenen Winkelgeschwindigkeit und übertragen die mechanische Leistung durch die Wechselwirkung zwischen dem antreibenden und dem angetriebenen Bauteil. Das Epizykloidengetriebe umfasst ein erstes, ein zweites und ein drittes Zahnrad. Das zweite Zahnrad dreht sich in der gleichen Drehrichtung wie das dritte Zahnrad, jedoch mit einer kleineren Winkelgeschwindigkeit als das dritte Zahnrad, wenn das dritte Zahnrad angetrieben und das zweite Zahnrad festgehalten wird. Das dritte Zahnrad ist mit dem antreibenden Bauteil des Leistungsübertragungsmittels verbunden. Das zweite Zahnrad ist mit dem angetriebenen Bauteil des Leistungsübertragungsmittels verbunden. Das erste Zahnrad ist mit der Ausgangswelle der Einrichtung verbunden. Die Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des Leistungsübertragungsmittels, das bei der antreibenden und bei der angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeitet, wird durch das Epizykloidengetriebe auf die Ausgangswelle der Einrichtung umverteilt. Die Ausgangswelle liefert die mechanische Leistung mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last.

Bei einer elektromagnetischen Umsetzung der Erfindung umfasst eine Leistungsüber­ tragungseinrichtung mit den Merkmalen der Erfindung ein elektromagnetisches Lei­ stungsübertragungsmittel und einen rotierenden Kommutator. Das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel umfasst ein erstes elektromagnetisches Bauteil und ein zweites elektromagnetisches Bauteil. Das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel empfängt die äußere Leistung mit einer Eingangswinkelgeschwindigkeit. Das erste und das zweite elektromagnetische Bauteil arbeiten jeweils bei einer ersten und einerzweiten Winkelgeschwin­ digkeit und übertragen Leistung durch elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern, die jeweils das erste und das zweite elektromagnetische Bauteil aufbauen. Der rotierende Kommutator magnetisiert das erste elektromagnetische Bauteil und ist mit dem ersten und dem zweiten elektromagnetischen Bauteil des elektromagnetischen Leistungsübertragungs­ mittels zusammengebaut. Der rotierende Kommutator arbeitet bei einer Kommutierungswinkel­ geschwindigkeit und magnetisiert das erste elektromagnetische Bauteil. Er erzeugt im ersten elektromagnetischen Bauteil ein erstes sich drehendes Magnetfeld, das sich mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht, die synchron zur Winkelgeschwindigkeit eines zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das zweite elektromagnetische Bauteil erzeugt. Die leistungsübertragende elektromagnetische Wechselwirkung des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels, das bei der synchronen Winkelgeschwindigkeit des ersten und des zweiten sich drehenden Magnetfelds arbeitet, wird vom rotierenden Kommutator auf den Ausgang der Einrichtung umverteilt. Der Ausgang liefert die Leistung aus dem elektromagnetis­ chen Leistungsübertragungsmittel mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last.

Man versteht diese und weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorzüge der Erfindung besser, wenn man die folgende Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und die beiliegenden Zeichnungen betrachtet. Es zeigt

Fig. 1 eine erläuternde Skizze einer allgemeinen erfindungsgemäßen Leistungsüber­ tragungseinrichtung;

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen der normierten Winkelgeschwindigkeit und dem tatsächlichen Übersetzungsverhältnis einer Leistungsübertragungseinrichtung;

Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der normierten Winkelgeschwindigkeit und dem tatsächlichen Übersetzungsverhältnis einer verallgemeinerten Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 den Zusammenhang zwischen der normierten Winkelgeschwindigkeit und dem tatsächlichen Übersetzungsverhältnis einer verallgemeinerten Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1, die einen anderen Aufbau besitzt;

Fig. 5, 6 und 7 jeweils die Winkelgeschwindigkeitszusammenhänge in einem Standard-Pla­ netengetriebe, einem Stirnrad-Planetengetriebe und einem Differentialgetriebe, wenn man sie als Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung zum Aufbau einer mechanischen Umsetzung der Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1 verwendet;

Fig. 8, 9 und 10 jeweils die Winkelgeschwindigkeitszusammenhänge der Zahnradbauteile in einem Standard-Planetengetriebe, einem Stirnrad-Planetengetriebe und einem Differential­ getriebe, wenn man sie als Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung zum Aufbau einer weiteren Anordnung der mechanischen Umsetzung der Leistungsübertragungsein­ richtung nach Fig. 1 verwendet;

Fig. 11 eine Umrißzeichnung des Aufbaus einer verallgemeinerten mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung;

Fig. 12 eine Ausführungsform einer mechanischen Umsetzung der Leistungsübertragungs­ einrichtung nach Fig. 11 in perspektivischer Darstellung, wobei ein koaxialer Aufbau verwendet wird;

Fig. 13 eine weitere Ausführungsform der mechanischen Umsetzung der Lei­ stungsübertragungseinrichtung nach Fig. 11, wobei eine Anordnung mit parallelen Achsen verwendet wird;

Fig. 14 eine Ausführungsform der mechanischen Umsetzung der Leistungsübertragungs­ einrichtung nach Fig. 11 in perspektivischer Darstellung, wobei ein Riemenscheibenantrieb mit verstellbarer Übersetzung als Leistungsübertragungsmittel verwendet wird;

Fig. 15 das Winkelgeschwindigkeits/Übersetzungsverhältnis-Diagramm für eine parallelachsige Anordnung der mechanischen Umsetzung nach Fig. 13, die unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für die beiden Verbindungen aufweist, die das Leistungsübertragungs­ mittel und die Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung vereinen;

Fig. 16 das Winkelgeschwindigkeits/Übersetzungsverhältnis-Diagramm für eine weitere parallelachsige Anordnung der mechanischen Umsetzung nach Fig. 13, die unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für die beiden Verbindungen aufweist, die das Leistungsübertragungs­ mittel und die Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung vereinen;

Fig. 17 eine Skizze eines Hebelsystems im Gleichgewicht in einem Planetengetriebe, in dem das Leistungsübertragungsmittel der mechanischen Umsetzung nach Fig. 13 die mechanische Antriebsleistung für die Abgabe über das Sonnenrad empfängt;

Fig. 18 eine Skizze eines Hebelsystems im Gleichgewicht in einem Planetengetriebe, in dem das Leistungsübertragungsmittel der mechanischen Umsetzung nach Fig. 13 verglichen mit dem Zustand in Fig. 17 in umgekehrter Leistungsflussrichtung betrieben wird;

Fig. 19 eine Querschnittsdarstellung einer mechanischen Umsetzung der erfin­ dungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung, in der eine Induktionsmaschine als Leistungsübertragungsmittel verwendet wird;

Fig. 20 das äquivalente Winkelgeschwindigkeits/Übersetzungsverhältnis-Diagramm für die Bauteile des Leistungsübertragungsmittels und der Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrich­ tung einer elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungsein­ richtung;

Fig. 21 eine verallgemeinerte elektromagnetische Umsetzung der Leistungsübertragungs­ einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 22 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der verallgemeinerten elektromagnetischen Umsetzung nach Fig. 21, wobei die elektromagnetische Baugruppe eine Mehrphasenwicklung ist und die elektromagnetische Magnetisierungs-Umverteilungs-Wick­ lungsbaugruppe ein Wechselstromläufer ist;

Fig. 23 die Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der verallgemeinerten elektromagnetischen Umsetzung nach Fig. 21, wobei die elektromagnetische Baugruppe eine Mehrphasenwicklung ist und die elektromagnetische Magnetisierungs-Umverteilungs-Wick­ lungsbaugruppe ein Wechselstromläufer ist;

Fig. 24 die Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der verallgemeinerten elektromagnetischen Umsetzung nach Fig. 21, wobei die elektromagnetische Baugruppe eine elektromagnetische Wicklung ist und die elektromagnetische Magnetisierungs-Umverteilungs-Wick­ lungsbaugruppe ein Wechselstromläufer ist;

Fig. 25 die Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der verallgemeinerten elektromagnetischen Umsetzung nach Fig. 21, wobei die elektromagnetische Baugruppe eine elektromagnetische Wicklung ist und die elektromagnetische Magnetisierungs-Umverteilungs-Wick­ lungsbaugruppe ein Gleichstromläufer ist;

Fig. 26 die Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der verallgemeinerten elektromagnetischen Umsetzung nach Fig. 21, wobei die elektromagnetische Baugruppe eine Permanentmagnetbaugruppe ist und die elektromagnetische Magnetisierungs-Umverteilungs-Wick­ lungsbaugruppe ein Wechselstromläufer ist;

Fig. 27 die Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der verallgemeinerten elektromagnetischen Umsetzung nach Fig. 21, wobei die elektromagnetische Baugruppe eine Permanentmagnetbaugruppe ist und die elektromagnetische Magnetisierungs-Umverteilungs-Wick­ lungsbaugruppe ein Gleichstromläufer ist;

Fig. 28 die Anordnung eines rotierenden, mechanischen Kommutators, geeignet zur Aufnahme in die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungs­ einrichtung;

Fig. 29 eine Skizze der Schaltungsanordnung eines rotierenden Leistungselektronik-Kom­ mutators, geeignet zur Aufnahme in die elektromagnetische Umsetzung der erfin­ dungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung; und

Fig. 30 das elektrische System einer elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung, verwendet als Nutzbremsungs-Zugantrieb für elektrifizierte Eisenbahnanwendungen.

In den folgenden Abschnitten werden die besten Arten beschrieben, die erfin­ dungsgemäße Leistungsübertragungseinrichtung umzusetzen. Vor der ausführlichen Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist es jedoch erforderlich, etliche allgemeine Fragen zu definieren und zu klären.

Eine erfindungsgemäße Leistungsübertragungseinrichtung besitzt einen Eingang und einen Ausgang. Überträgt eine erfindungsgemäße Leistungsübertragungseinrichtung Leistung, so nimmt ihr Eingang Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle auf, und ihr Ausgang liefert Leistung an eine äußere Last. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist für die Leistungsübertragung in einem verallgemeinerten Sinn geeignet; der Begriff Leistungsübertragung wird in diesem Sinn verwendet. Es sind mechanische und elektrische Formen von Leistung anwendbar. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann entweder mechanische oder elektrische Leistung aus der äußeren Leistungsquelle in die Leistungsübertragungseinrichtung eingegeben werden. Diese kann entweder mechanische oder elektrische Leistung an die äußere Last ausgeben.

In den meisten Ausführungsformen der Erfindung, die im weiteren beispielhaft angegeben sind, kann die erfindungsgemäße Leistungsübertragungseinrichtung auch die Lei­ stungsübertragung - sei es mechanisch oder elektrisch - in der umgekehrten Leistungsflussrich­ tung ausführen. Zusätzlich zum normalen Betrieb, bei dem Leistung vom Eingang zum Ausgang der Einrichtung übertragen wird, können Fälle auftreten, in denen die gesamte Einrichtung in der umgekehrten Leistungsflussrichtung betreibbar ist. Dies ermöglicht eine Leistungsrück­ gewinnung durch das System, in dem die Leistungsübertragungseinrichtung verwendet wird. Beispielsweise erlaubt in einer erfindungsgemäßen elektrisch-mechanischen Leistungsüber­ tragungseinrichtung, die in den Antriebsstrang des Antriebssystems einerelektrischen Lokomotive integriert ist, die Fähigkeit der Leistungsübertragung in umgekehrter Richtung der Lokomotive, eine Nutzbremsung auszuführen.

In der Beschreibung der Erfindung wird bei elektrischer Leistung eine elektrische Gleichstromleistung als Sonderfall einer mehrphasigen elektrischen Wechselstromleistung betrachtet. Anders ausgedrückt betrachtet man eine elektrische Gleichstromleistung als einphasige Wechselstromleistung mit der Frequenz null. Sie ist ein Sonderfall der Wechselstromleistung, die niemals die Polarität ihres elektrischen Potentials ändert.

Die verallgemeinerte Leistungsübertragungseinrichtung

Eine erfindungsgemäße Leistungsübertragungseinrichtung baut man dadurch auf, dass man ein Leistungsübertragungsmittel mit einer Übertragungswechselwirkungs-Umverteilungsvor­ richtung zu einer Einheit verbindet. Für den Aufbau der erfindungsgemäßen Leistungsüber­ tragungseinrichtung weist der grundlegende Gedanke für den Gebrauch der Umverteilungsvor­ richtung und ihre Verbindung mit dem Leistungsübertragungsmittel zwei Teile auf. Zuerst wird die Leistungsübertragungs-Wechselwirkung der funktionalen Bauteile des Leistungsübertragungs­ mittels, das man zum Aufbau der Einrichtung verwendet, umverteilt. Zum Zweiten erreicht man durch das Umverteilen der Leistungsübertragungs-Wechselwirkung eine Beschränkung der Arbeit des Leistungsübertragungsmittels auf seinen optimierten Leistungsbereich. Die Umverteilung des beschränkten Arbeitsdrehzahlbereichs des Leistungsübertragungsmittels erlaubt es, dass die Einrichtung an ihrem Ausgang einen vollen Arbeitsdrehzahlbereich einschließlich des Stillstands überdeckt.

Fig. 1 zeigt eine Skizze einer verallgemeinerten erfindungsgemäßen Leistungsüber­ tragungseinrichtung. Im wesentlichen besteht die Einrichtung 100 aus einem Leistungsüber­ tragungsmittel 110 und einer Leistungsübertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 120. Man beachte, dass in den Zeichnungen für ähnliche Ausführungsformen der Lei­ stungsübertragungseinrichtung der Erfindung, die im weiteren beschrieben werden, gleiche Bezugszeichen zum Bezeichnen gleicher oder ähnlicher Bauteile oder von Bauteilen mit gleicher Funktionalität verwendet werden, obwohl sich diese äquivalenten Bauteile in ihrem Aufbau stark unterscheiden können.

Im allgemeinen besteht das Leistungsübertragungsmittel 110 aus mindestens zwei Leistungsübertragungs-Wechselwirkungsbauteilen 111 und 112, bei denen ein erstes Bauteil Leistung zu einem zweiten Bauteil überträgt, um seine Wechselwirkung der Leistungsübertragung auszuführen. Die innerhalb des Leistungsübertragungsmittels 110 übertragene Leistung wird von einer äußeren Leistungsquelle 181 über einen Eingang 131 der Einrichtung empfangen. Das Leistungsübertragungsmittel 110 ist mit der Übertragungs-Wechselwirkungs-Umver­ teilungsvorrichtung 120 zu einer Einheit verbunden, die die Leistungsübertragungseinrichtung bildet. Die Leistung, die das Leistungsübertragungsmittel 110 von der äußeren Leistungsquelle 181 empfängt, wird von der Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 120 auf einen Ausgang 132 der Einrichtung umverteilt und an eine äußere Last 182 geliefert.

Die Leistungsübertragungseinrichtung 100 nach Fig. 1 kann mechanische und elektrische Leistung verarbeiten. Empfängt die Einrichtung mechanische Leistung, so ist der Eingang 131 der Einrichtung eine Drehwelle, die mechanisch mit der äußeren Leistungsquelle 181 verbunden sein kann. In diesem Fall ist die äußere Leistungsquelle 181 eine mechanische Leistungsquelle, die Antriebsleistung erzeugt, und die Eingangskopplung 171 ist eine mechanische Kopplung. Empfängt die Einrichtung elektrische Leistung, so ist der Eingang 131 der Einrichtung eine elektrische Zuleitung, die elektrisch mit der äußeren Leistungsquelle 181 verbunden sein kann. In diesem Fall ist die äußere Leistungsquelle 181 eine elektrische Leistungsquelle, die elektrische Leistung erzeugt, und die Eingangskopplung 171 ist eine elektrische Kopplung.

Liefert die Einrichtung mechanische Leistung, so ist an der Ausgangsseite der Einrichtung der Ausgang 132 eine Drehwelle, die mechanisch mit der äußeren Last 182 verbunden sein kann. In diesem Fall ist die äußere Last 182 eine mechanische Last, die mechanische Antriebsleistung verbraucht, und die Ausgangskopplung 172 ist eine mechanische Kopplung. Liefert die Einrichtung elektrische Leistung, so ist der Ausgang 132 der Einrichtung eine elektrische Zuleitung, die elektrisch mit der äußeren Last 182 verbunden sein kann. In diesem Fall ist die äußere Last 182 eine elektrische Last, die elektrische Leistung verbraucht, und die Ausgangskopplung 172 ist eine elektrische Kopplung.

Im Inneren der Leistungsübertragungseinrichtung ist der Verbund zwischen den Bauteilen des Leistungsübertragungsmittels 110 und den Bauteilen der Leistungsübertragungs- Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 120 skizzenhaft in die Zeichnung eingetragen, und zwar mit einer Anzahl Kopplungen, hier in der Zeichnung mit den beiden Kopplungen 141 und 142. Diese Kopplungen können, abhängig von der besonderen Art der Umsetzung der Einrichtung, entweder mechanische oder elektrische Kopplungen sein.

Sucht man nach dem praktischen Nutzen des sehr grundlegenden Konzepts der Erfindung, so kann man die ausführbaren Umsetzungen des Konzepts allgemein in zwei Gruppen einteilen. Abhängig von der inneren Arbeitsweise der aufgebauten Leistungsübertragungseinrich­ tung sind mechanische und elektromagnetische Umsetzungen der Erfindung möglich. Eine mechanische Umsetzung der Erfindung besteht darin, dass die Leistungsübertragung, die das Leistungsübertragungsmittel ausführt, und die Wechselwirkung auf den Ausgang der Einrichtung, die die Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung ausführt, eine mechanische Wechselwirkung ist. Im Gegensatz dazu besteht eine elektromagnetische Umsetzung der Einrichtung darin, dass eine elektromagnetische Wechselwirkung die Leistungsübertragung umverteilt.

Beide Umsetzungen schließen den Gebrauch einer Leistungsübertragungs-Wech­ selwirkungs-Umverteilungsvorrichtung ein. Für die elektromagnetische Umsetzung muss das zum Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendete Leistungsübertragungsmittel eine elektrische Maschine sein, die auf elektromagnetischen Erscheinungen beruht. Die verwendete elektrische Maschine kann jedoch in Einzelheiten ihres Aufbaus von den herkömmlichen Maschinen abweichen, die gegenwärtig häufig verwendet werden. Die elektromagnetische Wechselwirkung in dem Leistungsübertragungsmittel wird mit der Wechselwirkung der Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung verbunden, um die Funktionalität der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung zu vereinfachen.

Das Leistungsübertragungsmittel, das man zum Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung in einer mechanischen Umsetzung verwendet, kann dagegen alle Arten von leistungsübertragenden Mitteln umfassen. Die Einzelheiten ihres Aufbaus können jedoch wieder von ihren herkömmlichen Gegenstücken abweichen. Die mechanische Leistungsübertragungs-Wech­ selwirkung wird gemeinsam mit der mechanischen Wechselwirkung der Wechsel­ wirkungsvorrichtung über die mechanische Wechselwirkung der Kraft auf die Abtriebswelle der Einrichtung umverteilt. Leistungsübertragungsmittel, die sich zum Aufbauen einer mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung eignen, können elektrische Maschinen enthalten, die man als einfache mechanische Leistungsübertragungsmittel verwendet, und in ihrer Funktionalität dem Fall gleichen, in dem ein hydraulischer Drehmomentwandler als Leistungsübertragungsmittel verwendet wird.

Die mechanische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung eignet sich für eine mechanisch-mechanische Leistungsübertragung. Verschiedene Arten des Leistungsübertragungsmittels in der elektromagnetischen Umsetzung sind jeweils für mechanisch-me­ chanische, elektrisch-mechanische, mechanisch-elektrische und elektrisch-elektrische Arten der Leistungsübertragung einsetzbar.

Die mechanischen Leistungsübertragungsmittel, die sich zum Aufbauen der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung eignen, können abgewandelt werden. Viele industrieerprobte mechanische Leistungsübertragungsmittel und ihre abgewandelten Varianten können anwendbar sein. Sie umfassen beispielsweise hydraulische Vorrichtungen, etwa Flüssigkeitskoppler, Drehmomentwandler, elektromagnetische Vorrichtungen wie Wirbelstromkupplungen, Motor-Generator-Sätze und Induktionsmaschinen mit permanenten Magnetfeldbauteilen usw. Man kann auch abgewandelte Versionen dieser herkömmlichen mechanischen Leistungsübertragungsmittel verwenden. Beispielsweise kann man einen herkömmlichen Drehmomentwandler so modifizieren, dass seine optimierten Betriebseigenschaf­ ten, nämlich der Wirkungsgrad, am oberen Ende des Drehzahlbereichs betont werden, damit er sich besonders für die Anwendung in der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrich­ tung eignet. Durch die stärkere Gewichtung des oberen Drehzahlbereichs verhält sich der Drehmomentwandler im unteren Drehzahlbereich zwar noch schlechter; eine erfindungsgemäße Leistungsübertragungseinrichtung, die mit einem solchen modifizierten Drehmomentwandler aufgebaut ist, erfordert jedoch nicht, dass der Drehmomentwandler in diesem unteren Drehzahlbereich mit schlechtem Verhalten arbeitet. Dagegen sind elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel, die sich zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Leistungsüber­ tragungseinrichtung eignen, grundsätzlich elektrische Maschinen, die auf elektromagnetischen Grundlagen motorisch und generatorisch arbeiten. Viele der existierenden elektrischen Maschinen, etwa die Wechselstrom-Induktionsmaschine, der Gleichstrommotor bzw. -generator oder ihre jeweils abgewandelten Bauformen sind anwendbar.

Bevor wir zum Ausarbeiten des grundlegenden Konzepts der Wechselwirkungs-Um­ verteilung in der Erfindung fortschreiten, sei Bezug auf Fig. 2 der Zeichnungen genommen. Fig. 2 zeigt eine Skizze mit dem Zusammenhang zwischen der normierten Winkelgeschwindigkeit und dem Übersetzungsverhältnis eines Leistungsübertragungsmittels. Im Koordinatensystem ist auf der Abszisse (x-Achse) das tatsächliche Übersetzungsverhältnis des Leistungsüber­ tragungsmittels aufgetragen. Auf der Ordinate (y-Achse) ist die normierte Winkelgeschwindigkeit der Bestandteile der Einrichtung aufgetragen, die sich entweder im elektrischen oder mechanischen Sinn drehen. Das tatsächliche Übersetzungsverhältnis eines Leistungsüber­ tragungsmittels ist definiert als das Verhältnis, das man beim Dividieren der Winkelgeschwindig­ keit des Ausgangs durch die Winkelgeschwindigkeit des Eingangs erhält. Dagegen ist die normierte Winkelgeschwindigkeit irgendeines der funktionalen Bauteile des Leistungsüber­ tragungsmittels definiert als das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten, das man erhält, wenn man die Winkelgeschwindigkeit des jeweiligen Bauteils durch eine vorbestimmte Bezugswinkel­ geschwindigkeit dividiert.

Für das Pumpenrad eines Drehmomentwandlers kann diese normierte Winkelgeschwindig­ keit das Verhältnis sein, das man durch das Dividieren der Pumpenrad-Winkelgeschwindigkeit durch eine ausgewählte Bezugswinkelgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors erhält, der den Drehmomentwandler antreibt. Die gewählte Bezugswinkelgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors kann eine Winkelgeschwindigkeit sein, auf die beispielsweise die Nennausgangsleistung bezogen ist. Treibt der Motor das Pumpenrad des Drehmomentwandlers direkt an, so nimmt die normierte Winkelgeschwindigkeit des Pumpenrads den Wert eins an. In diesem Fall tritt eine normierte Einheitswinkelgeschwindigkeit auf. Dagegen ist die normierte Winkelgeschwindigkeit der Turbine dieses Drehmomentwandlers gemessen mit der gleichen Bezugswinkelgeschwindigkeit stets kleiner als eins. Für den Läufer einer elektrischen Wechselstrommaschine ist diese normierte Winkelgeschwindigkeit das Verhältnis, das man beim Dividieren der Winkelgeschwindigkeit der Läuferwelle durch die Winkelgeschwindigkeit erhält, die man aus der Frequenz der speisenden Wechselspannungs-Leistungsquelle ableitet. Die Netzfrequenz beträgt in den meisten öffentlichen Netzen normalerweise 60 oder 50 Hertz (Hz).

Man beachte, dass die erfindungsgemäße Leistungsübertragungseinrichtung selbst ein Leistungsübertragungsmittel ist, dessen Eigenschaften man mit dem Diagramm nach Fig. 2 beschreiben kann. Setzt man voraus, dass eine äußere Leistungsquelle Leistung an den Eingang des Leistungsübertragungsmittels liefert, und zwar bei einerfesten Nennwinkelgeschwindigkeit von 100 Prozent bzw. eins, die durch die waagrechte Eingangsdrehzahllinie 101 dargestellt ist, so kann man die Abgabe des Mittels in dem Koordinatensystem gegen das Übersetzungsver­ hältnis auf der Abszisse als Variable auftragen. Die Abgabewinkelgeschwindigkeit ist durch eine Abgabedrehzahllinie 102 als Funktion des Übersetzungsverhältnisses in dem Mittel darstellbar. Beispielsweise arbeitet bei einem Übersetzungsverhältnis von 0,5 der Ausgang mit 50 Prozent der Eingangsgeschwindigkeit. Dies ist durch den Punkt 105 auf der Abgabedrehzahllinie 102 dargestellt. Man beachte, dass das Übersetzungsverhältnis größer als eins sein kann, wenn der Ausgang bei höheren Winkelgeschwindigkeiten arbeitet als der Eingang. Das Übersetzungsverhältnis kann eine negative Zahl sein, wenn sich der Ausgang bezogen auf den Eingang in Gegenrichtung dreht.

In den herkömmlichen Leistungsübertragungsmitteln, die man als mechanisches Leistungsübertragungssystem verwendet, ist es häufig erforderlich, dass das angetriebene Bauteil, das als Systemausgang wirkt, im gesamten Drehzahlbereich betreibbar ist. In praktischen Anwendungen, beispielsweise bei Fahrzeugantrieben, bedeutet dies, dass der gesamte Drehzahlbereich normalerweise den Stillstand enthalten muss, d. h. eine Drehzahl mit dem Übersetzungsverhältnis null im Drehzahl/Übersetzungsverhältnis-Diagramm nach Fig. 2. Im Fall eines Automobilgetriebes, das mit einem hydraulischen Drehmomentwandler arbeitet, muss der Drehzahlbereich der Wandlerturbine bis zum Stillstand hinunter erweitert werden, damit das Fahrzeug aus dem Stillstand anfahren kann. Ungünstigerweise bedeuten geringe Turbinendrehzahlen bei einem Drehmomentwandler bekanntlich einen schlechten energetischen Wirkungsgrad.

Jedes Leistungsübertragungsmittel, das man zum Aufbau der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung verwenden kann, hat ein antreibendes Bauteil und ein angetriebenes Bauteil. Bei Betrieb treibt das antreibende Bauteil das angetriebene Bauteil über die Übertragungswechselwirkung zwischen den beiden Teilen an. In der mechanischen Umsetzung der Erfindung kann das leistungsübertragende Mittel ein Mittel sein, das für seinen Betrieb auf mechanischer Reibung beruht - dies ist beispielsweise bei einem hydraulischen Drehmomentwandler der Fall - oder es kann auch ein Mittel sein, das mit dem Prinzip der elektromagnetischen Kopplung arbeitet, wie dies bei der Induktionsmaschine zutrifft. In der elektromagnetischen Umsetzung der Erfindung kann das leistungsübertragende Mittel eine beliebige elektrische Maschine sein, die nach dem elektromotorischen bzw. generatorischen Prinzip arbeitet. Das Leistungsübertragungsmittel ist, unabhängig davon welcher Fall zutrifft, immer mit einer Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung verbunden, so dass die Umverteilung der Leistungsübertragungs-Wechselwirkung eine verbesserte Lei­ stungsübertragungscharakteristik liefert, die nur die erfindungsgemäße Einrichtung besitzt.

Nach der Aufnahme in eine erfindungsgemäße Einrichtung kann man ein Lei­ stungsübertragungsmittel nur in dem ausgewählten engen Abschnitt seines eigenen vollen Betriebsdrehzahlbereichs betreiben, während der Ausgang den vollen Betriebsdrehzahlbereich einschließlich des Stillstands abdeckt. Diesen engen Drehzahlabschnitt kann man so wählen, dass man den unteren Drehzahlbereich einschließlich des Stillstands vermeidet, in dem die Leistungsfähigkeit des Leistungsübertragungsmittels gemessen am Wirkungsgrad dürftig ist. In der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung setzt man eine Leistungsüber­ tragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung ein, um dieses Ziel zu erreichen. Dies wird im folgenden beschrieben.

Fig. 3 zeigt eine Skizze mit dem Zusammenhang zwischen der normierten Winkelgeschwindigkeit und dem tatsächlichen Übersetzungsverh 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002019843480 00004 99880ältnis der verallgemeinerten Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1. Wie in Fig. 2 ist auf der Abszisse das tatsächliche Übersetzungsverhältnis aufgetragen und auf der Ordinate die Winkelgeschwindigkeit der funktionalen Bauteile der Einrichtung. Eine Eingangsdrehzahllinie 101 stellt die Eingangsdrehzahl der Leistungsübertragungseinrichtung dar. Dabei ist unterstellt, dass die äußere Leistungsquelle 181 Leistung an den Eingang 131 der Einrichtung liefert, und zwar bei einer Nennwinkel­ geschwindigkeit von 100 Prozent. Für den Ausgang 132 der Einrichtung fordert man, dass er den vollen Arbeitsdrehzahlbereich einschließlich des Stillstands abdeckt. Dies stellt eine Ausgangsdrehzahllinie 102 dar. Ein vernünftiger und praktikabler voller Drehzahlbereich kann den Linienabschnitt vom Punkt A bis zum Punkt B entlang der Ausgangsdrehzahllinie 102 enthalten. Dies entspricht auf der x-Achse einem Übersetzungsverhältnisbereich von null bis eins.

In der verallgemeinerten Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1 kann, abhängig von der Eingangsanordnung der Einrichtung der Einrichtungseingang 131, entweder mit dem antreibenden Bauteil 111 oder dem angetriebenen Bauteil 112 des Leistungsübertragungsmittels 110 verbunden sein. In einer mechanischen Umsetzung der Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1 nehme man an, dass das antreibende Bauteil 111 eines Leistungsübertragungsmittels 110 mit dem Eingang 131 der Einrichtung verbunden ist. Das antreibende Bauteil 111 empfängt die Eingangsleistung bei fester Drehzahl entlang der waagrechten Drehzahllinie 101 in Fig. 3. Sein angetriebenes Bauteil 112 betreibt man so, dass es bei Drehzahlen arbeitet, die durch eine Drehzahllinie 103 des angetriebenen Bauteils gekennzeichnet sind. Die Ausgangsdreh­ zahllinie 102 in Fig. 3 stellt die Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle 132 der Einrichtung dar.

Es wird nun Bezug auf Fig. 1 und Fig. 3 genommen. Der Ausgang 132 der mechanischen Umsetzung der Einrichtung muss in einem Gesamtdrehzahlbereich vom Übersetzungsverhältnis null bis eins arbeiten, der durch den Linienabschnitt zwischen den Punkten A und B auf der Ausgangsdrehzahllinie 102 dargestellt wird. Das angetriebene Bauteil 112 des Lei­ stungsübertragungsmittels 110 muss dementsprechend in seinem Arbeitsdrehzahlbereich im Linienabschnitt zwischen den Punkten C und B auf der Drehzahllinie 103 des angetriebenen Bauteils arbeiten. Der Ausgangsdrehzahlbereich der Einrichtung zwischen den Punkten A und B auf der Ausgangsdrehzahllinie 102 ist ein vollständiger Ausgangsdrehzahlbereich zwischen null und 100 Prozent der Eingangsdrehzahl, die an den Eingang 131 angelegt wird. Entsprechend diesem vollständigen Ausgangsdrehzahlbereich muss das angetriebene Bauteil 112 des Leistungsübertragungsmittels 110 nur in dem engen Drehzahlbereich zwischen beispielsweise 75 und 100 Prozent der Drehzahl des antreibenden Bauteils 111 arbeiten. Um dies zu erreichen, ist die Leistungsübertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 120 mit dem Leistungsübertragungsmittel 110 zu einer Einheit verbunden, die diese Drehzahlbereichs-Um­ verteilung, oder auch Neuzuordnung, ausführt.

Fig. 4 zeigt das Winkelgeschwindigkeits/Übersetzungsverhältnis-Diagramm der mechanischen Umsetzung der verallgemeinerten Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1, in der für den Eingang der Einrichtung eine andere Anordnung eingesetzt wird. Im Unterschied zu Fig. 3, in der das antreibende Bauteil 111 des Leistungsübertragungsmittels 110 mit dem Einrichtungseingang 131 verbunden ist, ist in der Anordnung nach Fig. 4 das antreibende Bauteil 111 des Mittels 110 nicht direkt mit dem Einrichtungseingang 131 verbunden. Statt dessen ist der Einrichtungseingang 131 in der Anordnung nach Fig. 4 mit dem angetriebenen Bauteil 112 verbunden. In diesem Fall stellt die Drehzahllinie 103 des angetriebenen Bauteils 112 die Eingangsdrehzahllinie der Einrichtung dar. Das Konzept der Umverteilung eines engen Arbeitsdrehzahlbereichs des Leistungsübertragungsmittels 110 auf den vollen Drehzahlbereich der Einrichtung 100 gleicht der in Fig. 3 beschriebenen Anordnung. Man hält jedoch das angetriebene Bauteil 112 bei einer festen Arbeitsdrehzahl, wogegen das antreibende Bauteil 111 die Drehzahl mit dem tatsächlichen Übersetzungsverhältnis der Einrichtung ändert.

Im Gegensatz dazu ist im Fall der elektromagnetischen Umsetzung der Einrichtungsein­ gang 131 stets das antreibende Bauteil des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels 110, das in die Einrichtung aufgenommen ist. In einer elektromagnetischen Umsetzung der verallgemeinerten Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1 arbeiten die antreibenden und angetriebenen Bauteile 111 und 112 eines elektromagnetischen Leistungsübertragungsmit­ tels 110, das eine elektrische Maschine ist, stets auf der gleichen Winkelgeschwindigkeit, und zwar unabhängig vom tatsächlichen Übersetzungsverhältnis des Einrichtungsausgangs. Bei der elektromagnetischen Umsetzung der Leistungswechselwirkung erfolgt die Umverteilung nicht von einem engen Bereich, sondern von einer festen Betriebsdrehzahl, des Lei­ stungsübertragungsmittels 110 auf den vollen Drehzahlbereich der Einrichtung 100. Ähnlich wie bei der mechanischen Umsetzung kann man diese feste Betriebsdrehzahl des Leistungsübertragungsmittels 110 der elektromagnetischen Umsetzung bestmöglich wählen.

Das antreibende Bauteil eines elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels kann beispielsweise das Feldbauteil einer elektrischen Maschine sein, das ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt. Das angetriebene Bauteil kann dagegen ein Läufer sein, der eine elektromagnetische Wicklungsbaugruppe hat, die die Magnetisierung umverteilt und ein weiteres Magnetfeld erzeugt, das sich mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit dreht wie das antreibende Bauteil. In diesem Fall wird im Diagramm nach Fig. 3 die Drehzahllinie 103 des angetriebenen Bauteils der Eingangsdrehzahllinie 101 überlagert. Anders ausgedrückt stellt die Drehzahllinie 101 nun die Winkelgeschwindigkeit sowohl des antreibenden Bauteils 111 als auch des angetriebenen Bauteils 112 des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels 110 dar, das man zum Aufbauen der erfindungsgemäßen Einrichtung einsetzt. Die Ausgangsdrehzahllinie 102 stellt nach wie vor die Winkelgeschwindigkeit des Einrichtungsausgangs 132 dar. Die Linie 103 tritt bei der elektromagnetischen Umsetzung nicht auf. In diesem Fall vereinfacht sich das Diagramm in Fig. 3 zum Diagramm nach Fig. 2, das sich zum Beschreiben der elektromagnetis­ chen Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung besser eignet.

Für die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung muss man die jeweiligen Magnetfelder des antreibenden und des angetriebenen Bauteils synchronisieren, genau wie im Fall eines herkömmlichen Wechselstrom-Synchronmotors. In einem Wechselstrom-Syn­ chronmotor muss sich der Permanentmagnetläufer oder sein elektromagnetisches Gegenstück synchron zum umlaufenden Magnetfeld drehen, das die Feldwicklung erzeugt. Fallen die beiden Teile aus der Synchronisation, so blockiert der Motor. In der mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung muss dagegen, wie in einem hydraulischen Drehmomentwandler, ein Schlupf zwischen dem antreibenden und dem angetriebenen Bauteil des Leistungsübertragungsmittels bestehen. Das angetriebene Bauteil erreicht nicht 100 Prozent der Drehzahl des antreibenden Bauteils.

Man beachte, dass für eine erfindungsgemäße Einrichtung, die die Übertragung elektrischer Leistung betrifft, die Koordinatenachsen in Fig. 2 und 3 die Frequenzverhältnisse entweder der eingegebenen oder der abgegebenen elektrischen Wechselstromleistung darstellen. Das tatsächliche Übersetzungsverhältnis, das Verhältnis zwischen den Frequenzen der Wechselstrom-Eingangsleistung und -Ausgangsleistung ist auf der Abszisse dargestellt.

Die mechanische Umsetzung der Einrichtung

Die verallgemeinerte erfindungsgemäße Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1 kann ein gutes Leistungsverhalten am unteren Drehzahlende ihres gesamten Arbeitsdreh­ zahlbereichs liefern. Z. B. bedeutet bei einer mechanischen Umsetzung, die eine mechanisch­ mechanische Leistungsübertragung ausführt, oder bei einerelektromagnetischen Umsetzung, die eine elektrisch-mechanische Leistungsübertragung ausführt - beide finden in Fahrzeug­ antriebssträngen Anwendung - ein gutes Leistungsverhalten bei niedrigen Drehzahlen, dass der Antriebsstrang weniger kompliziert ist und einen guten Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen aufweist. Die folgenden Abschnitte beschreiben die Ausführungsformen dieser mechanischen und elektromagnetischen Umsetzungen der erfindungsgemäßen Lei­ stungsübertragungseinrichtung.

Eine mechanische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung ist dadurch definiert, dass sie ein Leistungsübertragungsmittel enthält und eine mechanische Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung. Die beiden wesentlichen Bestandteile sind auf erfindungsgemäße Weise zu einer Einheit verbunden und bilden eine Einrichtung, die man als mechanisch-mechanisches Leistungsübertragungssystem betreibt. Die mechanische Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung kann ein einfaches Epizykloiden­ getriebe sein. Das Epizykloidengetriebe kann ein Standardplanetengetriebe mit einem Ringrad sein, ein Stirnrad-Planetengetriebe ohne Ringrad oder ein Differentialgetriebe. Zum Vereinfachen der mechanischen Umverteilung der Leistungsübertragungs-Wechselwirkung betrachtet man diese Getriebe als Epizykloidengetriebe und bezeichnet sie auch so.

Das Standardplanetengetriebe ist eine mechanische Übertragungs-Wechselwirkungs-Um­ verteilungsvorrichtung, die einen Satz Ritzel enthält, die vom Tragwerk eines Trägers gehalten werden, wobei sich das Ringrad und das Sonnenrad bezüglich des Trägerrads drehen können. In der gleichen Betrachtungsweise ist das Stirnrad-Planetengetriebe eine Übertragungs-Wech­ selwirkungs-Umverteilungsvorrichtung, die einen Satz Doppelritzel enthält, von einem Träger gehalten, wobei sich das große und das kleine Sonnenrad bezüglich des Trägerrads drehen können. In ähnlicher Weise ist das Differentialgetriebe eine Übertragungs-Wechsel­ wirkungs-Umverteilungsvorrichtung, die einen Satz Ritzel enthält, von einem Träger gehalten, wobei sich beide Kegelräder bezüglich des Trägerrads drehen können. In den folgenden Beschreibungen wird der Zahnradträger als Trägerrad bezeichnet.

Eine ausgezeichnete und wesentliche Eigenschaft der mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung besteht darin, dass sich alle Zahnräder und der Zahnradträger des Epizykloidengetriebes, das man als Wechselwirkungs-Um­ verteilungsvorrichtung verwendet, drehen, wenn die Einrichtung Leistung überträgt. Damit sind das Standardplanetengetriebe, das Stirnrad-Planetengetriebe und das Differentialgetriebe topologisch gleichwertig, obwohl sie verschieden aufgebaut sind. Damit sie in der erfindungsgemäßen Einrichtung mit ihren Zahnrädern als Umverteilungsvorrichtung wirken, erlaubt das Trägerrad des Getriebes den beiden anderen Zahnrädern - sei es das Ringrad und das Sonnenrad im Standardplanetengetriebe, das kleine und das große Sonnenrad im Stirnrad-Planetengetriebe oder seien es die Seitenkegelräder im Differential -, in die Ritzel einzugreifen und sich mit Drehzahlen und Richtungen zu drehen, die die Getriebegeometrie festlegt.

Fig. 5, 6 und 7 stellen jeweils die Winkelgeschwindigkeitszusammenhänge der Zahnradbauteile im Standardplanetengetriebe, im Stirnrad-Planetengetriebe und im Differentialgetriebe dar, wenn jedes der Getriebe als Übertragungs-Wechselwirkungs-Um­ verteilungsvorrichtung zum Aufbauen einer mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung verwendet wird. In Fig. 5, 6 und 7 sind auf der Abszisse das Ausgangs-Eingangs-Übersetzungsverhältnis der Leistungsübertragungseinrichtung aufgetragen. Auf der Ordinate ist die normierte Winkelgeschwindigkeit der Zahnräder in den Getrieben dargestellt.

Die Drehzahlzusammenhänge der Getriebebauteile in den Getrieben nach Fig. 5, 6 und 7 kann man als Bewegungsgleichungen der Epizykloidengetriebe ausdrücken, die man aus den Größen der Zahnräder und den topologischen Anordnungen der jeweiligen Getriebe ableitet. Man nehme beispielsweise für das Standardplanetengetriebe in Fig. 5 an, dass das Ringrad den Radius R hat und das Sonnenrad den Radius S. Hält man die Ringrad-Win­ kelgeschwindigkeit auf der normierten Einheitsdrehzahl, die die Eingangsdrehzahllinie 101 in Fig. 5 darstellt, und erlaubt man dem Sonnenrad, seine Drehzahl entlang der Ausgangsdreh­ zahllinie 102 vom Übersetzungsverhältnis null im Punkt A bis eins im Punkt B linear gegen die x-Achse zu ändern, so ist die Winkelgeschwindigkeit des Sonnenrads auf der y-Achse einfach w_S=x, wobei die Variable x das Übersetzungsverhältnis bezeichnet. In diesem Fall kann man die Winkelgeschwindigkeit des Trägerrads w_C, die die Drehzahllinie 103 darstellt, durch die Gleichung w_C=(Sx+R)/(R+S) bestimmen. Befindet sich das Sonnenrad im Punkt A im Stillstand, so hat die Drehzahl des Trägerrads im Punkt C den Wert R/(R+S). Wird dagegen das Sonnenrad im Punkt B auf die Drehzahl des Ringrads gebracht, so dreht sich das Trägerrad mit der gleichen Drehzahl wie das Ringrad und das Sonnenrad. Die drei Zahnräder drehen sich beim Übersetzungsverhältnis eins im Punkt B in der Tat mit der gleichen Drehzahl.

Für die beiden anderen Epizykloidengetriebearten bestehen ähnliche Drehzahlzusammen­ hänge. Man nehme z. B. für das Stirnrad-Planetengetriebe in Fig. 6 an, dass das große Sonnenrad den Radius S_L hat und das kleine Sonnenrad den Radius S_S. Hält man die Winkelgeschwindigkeit des Trägerrads auf der normierten Einheitsdrehzahl auf der Eingangsdrehzahllinie 101, wogegen das kleine Sonnenrad seine Drehzahl entlang der Ausgangsdrehzahllinie 102 zwischen dem Übersetzungsverhältnis null im Punkt A und dem Übersetzungsverhältnis eins im Punkt B linear gegen die x-Achse ändert, so ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit des kleinen Sonnenrads auf der y-Achse einfach zu w_SS=x. Die Winkelgeschwindigkeit des großen Sonnenrads kann man durch die Gleichung w_SL=(S_S ²× + S_L ²-S_S ²)/S_L ² bestimmen, die die Drehzahllinie 103 darstellt. Befindet sich das Sonnenrad im Punkt A im Stillstand, so hat die Drehzahl des großen Sonnenrads im Punkt C den Wert (S_L ²-S_S ²)/S_L ².

Es sei nun das Differentialgetriebe mit zwei symmetrischen und gleich großen Kegelrädern betrachtet, das in Fig. 7 dargestellt ist. Hält man die Winkelgeschwindigkeit eines der Kegelräder auf der normierten Einheitsdrehzahl auf der Eingangsdrehzahllinie 101 und erlaubt dem anderen Kegelrad, sich vom Übersetzungsverhältnis null im Punkt A zum Übersetzungsverhältnis eins im Punkt B entlang der Ausgangsdrehzahllinie 102 zu bewegen, so ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit dieses Kegelrads auf der y-Achse einfach zu w_B1=x. Die Winkelgeschwin­ digkeit des Trägerrads w_C kann man einfach aus der Gleichung w_C=(x+1)/2 entlang der Drehzahllinie 103 bestimmen. Befindet sich das Ausgangskegelrad im Punkt A im Stillstand, so hat das Trägerrad die halbe Drehzahl des ersten Kegelrads im Punkt C.

Fig. 11 zeigt eine verallgemeinerte mechanische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung im Aufriß. Die Einrichtung 200 besteht aus einem mechanischen Leistungsübertragungsmittel 210 und einem Epizykloidengetriebe 220, das man als mechanische Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung verwendet. Man beachte, dass Fig. 11 keine Einzelheiten des Aufbaus der Verbindung zwischen den Bauteilen des Leistungsübertragungsmittels 210 und den Zahnradbauteilen des Epizykloidengetriebes 220 darstellt. Die Verbindung ist nur schematisch dargestellt, um den Zusammenhang zwischen den Bauteilen der beiden wesentlichen Vorrichtungen 210 und 220 zu zeigen. Einzelheiten des Aufbaus der Verbindung hängen von den Abmessungen der Elemente der beiden Vorrichtungen 210 und 220 ab und sind leicht zu verstehen, wenn besondere Verbindungsanfor­ derungen zwischen den beiden Vorrichtungen angegeben werden.

Im allgemeinen besteht das mechanische Leistungsübertragungsmittel 210 aus mindestens zwei Übertragungs-Wechselwirkungsbauteilen 211 und 212. Eines der beiden Bauteile ist das antreibende Bauteil, das bei einer antreibenden Winkelgeschwindigkeit arbeitet. Es überträgt die mechanische Leistung auf das andere Bauteil, das angetriebene Bauteil, das bei einer angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeitet. Die Wechselwirkung zwischen dem antreibenden Bauteil 211 und dem angetriebenen Bauteil 212 erleichtert die Leistungs­ übertragung des mechanischen Leistungsübertragungsmittels 210.

Die mechanische Leistung, die intern zum mechanischen Leistungsübertragungsmittel 210 übertragen wird, nimmt die Einrichtung über die Eingangsdrehwelle 231 von einer äußeren mechanischen Leistungsquelle auf. Das mechanische Leistungsübertragungsmittel 210 ist mit der mechanischen Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 220 zu einer Einheit verbunden, diese bildet die mechanische Leistungsübertragungseinrichtung. Die mechanische Leistung, die das mechanische Leistungsübertragungsmittel 210 aus der äußeren mechanischen Leistungsquelle aufnimmt, wird von der mechanischen Übertragungs-Wechselwirkungs-Um­ verteilungsvorrichtung 220 auf eine Ausgangsdrehwelle 232 der Einrichtung umverteilt und an eine äußere mechanische Last geliefert.

Die mechanische Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 220 ist ein Epizykloidengetriebe, das ein erstes Zahnrad 221, ein zweites Zahnrad 222 und ein drittes Zahnrad 223 enthält. Das zweite Zahnrad 222 des Epizykloidengetriebes dreht sich in der gleichen Drehrichtung wie das dritte Zahnrad 223, und zwar mit einer langsameren Winkelgeschwindigkeit als das dritte Zahnrad, wenn man das dritte Zahnrad antreibt und das erste Zahnrad 221 stationär hält. Dieser Winkelgeschwindigkeitszusammenhang zwischen den Zahnradbauteilen des Epizykloidengetriebes 220 ist in allen Winkelgeschwindigkeits/Über­ setzungsverhältnis-Diagrammen in Fig. 5-7 und 8-10 dargestellt, die den Zusammenhang für unterschiedliche Getriebe mit verschiedenen Eingangsanordnungen zeigen. Der Übersetzungsverhältnisbereich zwischen den Punkten A und B in jeder der Zeichnungen nach Fig. 5-7 und 8-10 erfüllt diese Anforderungen, falls die Winkelgeschwindigkeit des ersten, zweiten und dritten Zahnrads jeweils den Drehzahllinien 102, 103 und 101 folgt.

Um das mechanische Leistungsübertragungsmittel 210 und das Epizykloidengetriebe 220 zu einer Einheit zu verbinden und eine mechanische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung aufzubauen, verbindet man das dritte Zahnrad 223 des Epizykloidengetriebes mit dem antreibenden Bauteil 211 des mechanischen Leistungsüber­ tragungsmittels, das zweite Zahnrad 222 verbindet man mit dem angetriebenen Bauteil 212 des mechanischen Leistungsübertragungsmittels, und das erste Zahnrad 221 verbindet man mit der Ausgangsdrehwelle 232 der Einrichtung.

In Fig. 11 ist das angetriebene Bauteil 212 des Leistungsübertragungsmittels 210 über eine Kopplungsvorrichtung 242 mit dem zweiten Zahnrad, dem Trägerrad 222 des Epizykloidengetriebes 220 verbunden. Das antreibende Bauteil 211 ist über eine Kopplungsvor­ richtung 241 mit dem dritten Zahnrad, dem Ringrad 223 des Planetengetriebes 220 verbunden. Da sowohl das Leistungsübertragungsmittel 210 als auch das Epizykloidengetriebe 220 bezüglich der Längsachse der Einrichtung entlang der axialen Mittellinie der Eingangs- und Ausgangsdreh­ wellen 231 und 232 symmetrisch aufgebaut sind, kann man die beiden direkten Kopplungsvor­ richtungen 241 und 242 ebenfalls axialsymmetrisch ausführen. Erlaubt sind jedoch auch andere Kopplungen als die in der Zeichnung dargestellte direkte Kopplung und andere Kopplungsvorrich­ tungen wie beispielsweise Zahnradgetriebe oder Riemenantriebe. Dies wird in den folgenden Abschnitten ausführlich beschrieben.

Die Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des antreibenden Bauteils 211 und des angetriebenen Bauteils 212 des mechanischen Leistungsübertragungsmittels 210, die mit der antreibenden bzw. der angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeiten, wird über das Epizykloidengetriebe 220 auf die Ausgangsdrehwelle 232 umverteilt. Die Ausgangsdrehwelle 232 liefert die mechanische Leistung mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere mechanische Last.

Wie beschrieben, werden das Standardplanetengetriebe, das Stirnrad-Planetengetriebe und das Differentialgetriebe als Epizykloidengetriebe bezeichnet, solange man sie als mechanische Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtungen verwendet. Damit kann das Epizykloidengetriebe 220 in der Ausführungsform der mechanischen Umsetzung der Einrichtung in Fig. 11 entweder das Standardplanetengetriebe oder das Stirnrad-Planetengetriebe oder das Differentialgetriebe sein.

Aufgrund der topologischen Eigenschaften der unterschiedlichen Epizykloidengetriebear­ ten, die zum Aufbau der mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendbar sind, kann man die Verbindung der Bauteile der Umverteilungsvorrichtung mit den Bauteilen des Leistungsübertragungsmittels auf verschiedene Weisen ausführen. Alle diese unterschiedlichen Verbindungsanordnungen der beiden Vorrichtungen müssen jedoch dem Grundgedanken der Erfindung folgen, obwohl sich das Leistungsverhalten der Einrichtung geringfügig ändern kann. Man beachte daher, dass die anwendbaren Verbindungsanordnungen die Bedingung für den Drehzahlzusammenhang zwischen den Zahnradbauteilen des Getriebes wie beschrieben erfüllen müssen. Insbesondere dreht sich im Getriebe, das man als Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung für die Einrichtung verwendet, das zweite Zahnrad in dergleichen Drehrichtung wie das dritte Zahnrad und mit einer kleineren Winkelgeschwindig­ keit als das dritte Zahnrad, wenn das dritte Zahnrad angetrieben wird und das erste Zahnrad stationär gehalten wird.

Damit umfasst ein Standardplanetengetriebe, das man als Übertragungs-Wechsel­ wirkungs-Umverteilungsvorrichtung verwendet, ein Sonnenrad, ein Trägerrad, das eine geeignete Anzahl Ritzel trägt, und ein Ringrad. In einer Anordnung der mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 11 ist das erste Zahnrad 221 des Standardplanetengetriebes, das als Ausgangswelle 232 der Leistungsübertragungseinrich­ tung dient, das Sonnenrad. Das zweite Zahnrad 222, das mit dem angetriebenen Bauteil 212 des Leistungsübertragungsmittels 210 verbunden ist, ist das Trägerrad, und das dritte Zahnrad 223, das mit dem antreibenden Bauteil 211 verbunden ist, ist das Ringrad. In einer anderen Anordnung ist das erste Zahnrad 221, das als Ausgang 232 der erfindungsgemäßen Einrichtung dient, das Ringrad. Das zweite Zahnrad 222, das mit dem angetriebenen Bauteil 212 des Leistungsübertragungsmittels 210 verbunden ist, ist das Trägerrad. Das dritte Zahnrad 223, das mit dem antreibenden Bauteil 211 verbunden ist, ist das Sonnenrad.

In ähnlicher Weise ist beim Stirnrad-Planetengetriebe in einer Anordnung das erste Zahnrad 221 des Getriebes 220, das als Ausgangswelle 232 der erfindungsgemäßen Einrichtung dient, das kleine Sonnenrad. Das zweite Zahnrad 222, das mit dem angetriebenen Bauteil 212 des Leistungsübertragungsmittels 210 verbunden ist, ist das große Sonnenrad. Das dritte Zahnrad 223, das mit dem antreibenden Bauteil 211 verbunden ist, ist das Trägerrad. In einer anderen Anordnung ist das erste Zahnrad 221, das als Ausgang 232 der erfindungsgemäßen Einrichtung dient, das Trägerrad. Das zweite Zahnrad 222, das mit dem angetriebenen Bauteil 212 des Leistungsübertragungsmittels 210 verbunden ist, ist das große Sonnenrad. Das dritte Zahnrad 223, das mit dem antreibenden Bauteil 211 verbunden ist, ist das kleine Sonnenrad.

Verwendet man ein Differentialgetriebe als Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 220 in Fig. 11, so besteht es aus einem Paar Kegelrädern und einem Trägerrad, das eine geeignete Anzahl Ritzel trägt. Bei einem symmetrischen Differentialgetriebe, d. h., wenn die beiden Kegelräder gleich groß sind, gibt es nur eine wirkungsvolle Verbundanordnung. Das erste Zahnrad 221 des Differentialgetriebes 220, das als Ausgang 232 der erfindungsgemäßen Einrichtung dient, ist eines der beiden Kegelräder. Das zweite Zahnrad 222, das mit dem angetriebenen Bauteil 212 des Leistungsübertragungsmittels 210 verbunden ist, ist das Trägerrad. Das dritte Zahnrad 223, das mit dem antreibenden Bauteil 211 verbunden ist, ist das andere der beiden Kegelräder.

Betrachtet man die Leistungscharakteristik der Einrichtung, so liegt der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Verbundanordnungen für jede der drei beschriebenen Epizykloidengetriebearten in den Abmessungen der Zahnräder in den jeweiligen Getrieben. Anders ausgedrückt, bestimmen die relativen Größen des Ringrads und des Sonnenrads beim Standardplanetengetriebe und des kleinen und großen Sonnenrads beim Stirn­ rad-Planetengetriebe jeweils die Leistungscharakteristik der aufgebauten Leistungsübertragungsein­ richtung.

Baut man eine mechanische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungs­ einrichtung auf, die allgemein in Fig. 11 skizziert ist, kann der Anordnungsverbund des Leistungsübertragungsmittels 210 und der Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrich­ tung 220 entweder direkt koaxial oder versetzt mit parallelen Achsen erfolgen. Für die koaxiale Anordnung kann man die Eingangs- und Ausgangswellen 231 und 232 der Einrichtung auf der gleichen Achse ausrichten, und man kann die gesamte Einrichtung relativ kompakt konstruieren. Die Parallelachsenanordnung eignet sich dagegen für diejenigen Lei­ stungsübertragungsmittel, die keine koaxialen Eingangs- und Ausgangswellen haben, beispielsweise Riemenscheibenantriebe mit verstellbarer Übersetzung. Die Parallelach­ senanordnung eignet sich auch für diejenige erfindungsgemäße Einrichtung, die eine besondere letzte Übersetzungsverhältnisabstimmung erfordert. Dies wird in den folgenden Abschnitten beschrieben. Fig. 12 und 13 zeigen jeweils die koaxiale und die parallelachsige Auf­ bauanordnung.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform einer mechanischen Umsetzung der Lei­ stungsübertragungseinrichtung nach Fig. 11, in der die koaxiale Anordnung verwendet wird. In der perspektivischen Darstellung der abgebildeten Einrichtung werden ein Leistungsüber­ tragungsmittel 210, beispielsweise ein Flüssigkeitskoppler und ein Standardplanetengetriebe 220, als Leistungsübertragungsmittel bzw. als Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvor­ richtung verwendet. Man beachte, dass die Zeichnung keine Einzelheiten der Verzahnung der Zahnradbauteile zeigt, und auch nicht die verschiedenen Lager, die zum Halten der Bauteile an ihrem Ort dienen und für eine geeignet geschmierte Drehung sorgen. Es ist nur die räumliche Zuordnung zwischen den Bauteilen des Mittels 210 und dem Getriebe 220 dargestellt.

In dieser koaxialen Anordnung fallen die mittleren Symmetrieachsen der beiden Vorrichtungen 210 und 220 zusammen; sie sind zudem mit der Eingangswelle 231 und der Ausgangswelle 232 der Einrichtung ausgerichtet. Das antreibende Bauteil, das Pumpenrad 211 des Flüssigkeitskopplers 210, ist über eine verbindende Haltevorrichtung 241 direkt am Ringrad 223 des Getriebes 220 befestigt. Das angetriebene Bauteil, die Turbine 212, ist direkt am Träger 222 des Getriebes 220 befestigt, der die Ritzel 224 festhält. Der Träger 222 ist über eine Kopplungswelle 242 am angetriebenen Bauteil 212 befestigt. Der Träger 222 ist nicht als Zahnrad ausgebildet, da er in dem beschriebenen Beispiel nicht in irgendein anderes Zahnrad eingreifen muss. Damit dreht sich in dieser koaxialen Anordnung das Pumpenrad 211 des Flüssigkeitskopplers 210 synchron mit dem Ringrad 223 des Planetengetriebes 220, und die Turbine 212 dreht sich synchron mit dem Träger 222.

Fig. 13 erläutert eine weitere Ausführungsform der verallgemeinerten mechanischen Umsetzung des Leistungsübertragungsmittels nach Fig. 11, in der eine parallelachsige Anordnung verwendet wird. In der mechanischen Umsetzung nach Fig. 13 verwendet man das gleiche Leistungsübertragungsmittel und die gleiche Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvor­ richtung wie in der Einrichtung nach Fig. 12. In der perspektivischen Darstellung sind wiederum die Verzahnung und die Haltelager nicht eingezeichnet. In dieser parallelachsigen Anordnung können das Pumpenrad 211 und die Turbine 212 des Flüssigkeitskopplers 210 mit dem Ringrad 223 und dem Trägerrad 222 des Planetengetriebes 220 jeweils über geeignete mechanische Kopplungen verbunden sein. Die mechanischen Kopplungen können beispielsweise - obwohl dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist - über Verzahnungen erfolgen, die auf der Umfangsfläche der jeweiligen Bauteile ausgebildet sind, so dass man einen passenden Zahneingriff zwischen den zwei gekoppelten Paaren herstellen kann. Wenn es die Platzverhältnisse erlauben, kann man zwischen jedem der gekoppelten Paare ein Zwischenrad geeigneter Größe anordnen. Wahlweise kann man Riemenantriebe dazu verwenden, die erforderliche mechanische Kopplung für die beiden Paare bereitzustellen.

Fig. 14 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der mechanischen Umsetzung der Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 11, in der man einen Riemenscheibenantrieb mit verstellbarer Übersetzung 210, der mit einem Treibriemen 213 arbeitet, als Leistungsübertragungsmittel verwendet. Durch die räumliche Anordnung eines solchen Riemenantriebs muss man das angetriebene Bauteil des Leistungsübertragungsmittels, d. h. die angetriebene Riemenscheibe 212, auf einer Welle 242 anbringen, die zur Welle 241 des antreibenden Bauteils, d. h. der antreibenden Riemenscheibe 211, versetzt und parallel ist. Die antreibende Riemenscheibe 211 ist über die Welle 241 direkt mit dem Ringrad 223 des Planetengetriebes 220 verbunden. Die angetriebene Riemenscheibe 212 ist über einen weiteren Riemenantrieb 240, in dem man einen Riemen 243 verwendet, mit dem Trägerrad 222 des Planetengetriebes 220 verbunden. Der Einfachheit wegen kann dieser zweite Riemenantrieb 240, bei dem die Riemenscheiben 245 und 246 verwendet werden, ein festes Übersetzungsverhältnis aufweisen. Die Riemenscheibe 246 ist direkt mit dem Trägerrad 222 des Getriebes 220 verbunden. Anstelle dieses zweiten Riemenantriebs 240 kann man ein Zwischenrad dazu verwenden, die entsprechende mechanische Kopplung in einer anderen Ausführungsform bereitzustellen. Man beachte, dass der Mechanismus zum Verstellen der Weite der antreibenden Riemenscheibe 211 und/oder der angetriebenen Riemenscheibe 212 in der Zeichnung nicht dargestellt sind.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 12, 13 oder 14 kann man geeignete Gehäuse für die Einrichtung, abhängig von der besonderen Anwendung, bereitstellen, um das gesamte Leistungsübertragungssystem zu schützen. Zudem kann für das als Wechselwirkungs-Um­ verteilungsvorrichtung verwendete Epizykloidengetriebe ein umschließendes Gehäuse erforderlich sein, um eine zuträgliche Schmierung seiner Zahnräder zu erhalten.

Verwendet man in der nicht koaxialen, d. h. in der parallelachsigen Anordnung nach Fig. 13 eine Verzahnung zum Bereitstellen der beiden erforderlichen Kopplungen zwischen den Bauteilen des Leistungsübertragungsmittels 210 und den Bauteilen der Übertragungs-Wech­ selwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 220, so braucht keines der Übersetzungsverhältnisse für beide gekoppelte Paare den Wert eins anzunehmen, und die beiden Übersetzungsverhältnisse müssen nicht gleich sein. Dies trifft auch für die parallelachsige Anordnung etwa in Fig. 14 zu, in der man eine Riemenkopplung verwendet. Bei Riemenkopplungen betrachtet man das Verhältnis der Riemenscheibenbreiten als Übersetzungsverhältnis. Den Unterschied zwischen den Übersetzungsverhältnissen der beiden Kopplungen kann man als Faktor zum Einstellen des letzten Übersetzungsverhältnisses der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung verwenden. Fig. 15 zeigt das Winkelgeschwindigkeits/Übersetzungsverhältnis-Diagramm für eine solche Anordnung. Beispielsweise wird in der parallelachsigen Anordnung nach Fig. 13, in der man einen Flüssigkeitskoppler oder einen Drehmomentwandler als Leistungsübertragungs­ mittel 210 verwendet, das angetriebene Bauteil 212 des Leistungsübertragungsmittels 210 mit dem zweiten Zahnrad 222 des Epizykloidengetriebes 220 mit einem Übersetzungsverhältnis verbunden, das kleiner ist als das Übersetzungsverhältnis der Kopplung zwischen dem antreibenden Bauteil 211 und dem dritten Zahnrad 223.

Bei der parallelachsigen Einrichtung nach Fig. 13, die die Anordnung nach Fig. 15 aufweist, sei vorausgesetzt, dass das Flüssigkeitskoppler-Pumpenrad 211 mit dem Übersetzungsverhältnis eins an das Ringrad 223 des Planetengetriebes 220 gekoppelt ist, und zwar entlang der Eingangsdrehzahllinie 101, damit sich beide Bauteile mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit drehen. Während dessen ist die Turbine 212 mit einem Übersetzungsver­ hältnis von 3/2 an das Trägerrad 222 gekoppelt, so dass die Turbinenwinkelgeschwindigkeit zwei Drittel der Winkelgeschwindigkeit des Trägerrads 222 beträgt. Es sei ferner vorausgesetzt, dass das Planetengetriebe 220 ein Ringrad/Sonnenrad-Übersetzungsverhältnis von 3/1 hat. Diese Anordnung erlaubt es der Ausgangswelle 232 der Leistungsübertragungseinrichtung am Sonnenrad 221 des Planetengetriebes 220, eine Winkelgeschwindigkeit zu erreichen, die einem endgültigen Übersetzungsverhältnis von ungefähr drei entlang der Ausgangsdrehzahllinie 102 entspricht. Da der leistungsübertragende Flüssigkeitskoppler 210 in einem Beschleunigungs­ vorgang von einem äquivalenten Übersetzungsverhältnis von 50 Prozent im Punkt C bis zu nahezu 100 Prozent im Punkt D entlang der Drehzahllinie 103 _A arbeitet, die bezüglich der Drehzahllinie 103 um 2/3 untersetzt ist, bedeutet dies, dass die Ausgangswelle 232 der Einrichtung in einem entsprechenden Drehzahlbereich zwischen null im Punkt A und dreimal der Drehzahl der Eingangswelle 231 im Punkt B entlang der Drehzahllinie 102 arbeitet. Dies entspricht einem endgültigen Übersetzungsverhältnis der Leistungsübertragungseinrichtung von drei.

Im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 15 betrachte man nun den Zustand der Einrichtung nach Fig. 13 gemäß Fig. 16. Die Flüssigkeitskopplerturbine 212 sei mit dem Übersetzungsverhältnis eins an das Trägerrad 222 des Planetengetriebes 220 gekoppelt, damit sich beide Bauteile mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit drehen. Das Pumpenrad 211 ist dagegen mit einem Übersetzungsverhältnis von 8/7 mit dem Ringrad 223 gekoppelt, so dass die Pumpenradwinkelgeschwindigkeit entlang der Drehzahllinie 101 _A, die gegen die Eingangsdrehzahllinie 101 um 7/8 untersetzt ist, 7/8 (Faktor 0.875) der Winkelgeschwindigkeit des Ringrads 223 beträgt. Man setze weiterhin voraus, dass das Planetengetriebe 220 ein Ringrad/Sonnenrad-Übersetzungsverhältnis von 3/1 hat. Dieses System kann es der Ausgangswelle 232 der Einrichtung am Sonnenrad 221 erlauben, eine Winkelgeschwindigkeit zu erreichen, die gleich einem endgültigen Übersetzungsverhältnis von nur ungefähr 0,5 ist.

Damit beschleunigt der Flüssigkeitskoppler 210 entlang der Drehzahllinie 103 vom äquivalenten Übersetzungsverhältnis 85,7 Prozent (0,75/0,875) im Punkt C auf nahezu 100 Prozent im Punkt D. Die Ausgangswelle 232 der Einrichtung arbeitet entlang der Ausgangsdrehzahllinie 102 in einem entsprechenden Drehzahlbereich von null im Punkt A bis zur halben Drehzahl der Eingangswelle 231 im Punkt B, d. h. einem entsprechenden endgültigen Übersetzungsverhältnis von 0,5 für die Leistungsübertragungseinrichtung.

Damit sind die Anordnungen, in denen man, wie in Fig. 15 und Fig. 16 beschrieben, unterschiedliche Kopplungsübersetzungsverhältnisse für die Bauteile des Leistungsüber­ tragungsmittels und der Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung verwendet, funktional gleichwertig dem Gebrauch einer endgültigen Übersetzungsverhältnis-Einstellstufe für die erfindungsgemäße Einrichtung mit koaxialer Anordnung. Obgleich die parallelachsige Anordnung bezogen auf die koaxiale Anordnung komplizierter ist, hat sie den Vorteil, dass das endgültige Übersetzungsverhältnis leicht einzustellen ist, ohne dass eine zusätzliche Getriebestufe nötig ist, falls beim Einsatz der Einrichtung der Ausgangsdrehzahlbereich nicht dem Eingangsdrehzahlbereich gleicht.

Bei einer mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungsein­ richtung, die auf den Verbund eines Leistungsübertragungsmittels und eines Epizykloiden­ getriebes aufgebaut ist, beachte man, dass sowohl das antreibende als auch das angetriebene Bauteil des Leistungsübertragungsmittels als Eingang der Einrichtung dienen kann, um mechanische Antriebsleistung von einer äußeren Leistungsquelle aufzunehmen. Der Unterschied zwischen dem Gebrauch entweder des antreibenden oder des angetriebenen Bauteils des mechanischen Leistungsübertragungsmittels als Eingang der Einrichtung liegt in der geringen gegenseitigen Abweichung der Leistungscharakteristik der Einrichtung in beiden Fällen. Dies wird offensichtlich, wenn man die Winkelgeschwindigkeitszusammenhänge der Getriebebauteile der Epizykloidengetriebe nach Fig. 5, 6 und 7 jeweils mit denen in Fig. 8, 9 und 10 vergleicht. Der geringfügige Unterschied entsteht dadurch, dass man das Halten der Eingangswelle auf konstanter Winkelgeschwindigkeit als Vergleichsgrundlage beibehält.

Im Fall der Fig. 5, 6 und 7, die jeweils den Gebrauch des Standardplanetengetriebes, des Stirnrad-Planetengetriebes und des Differentialgetriebes als Leistungsübertragungs-Wech­ selwirkungs-Umverteilungsvorrichtung darstellen, ist das dritte Zahnrad des jeweiligen Epizykloidengetriebes mit dem antreibenden Bauteil des Leistungsübertragungsmittels verbunden.

Damit dient jeweils das dritte Zahnrad der Epizykloidengetriebe als Eingang. Der Eingang nimmt die äußere mechanische Antriebsleistung auf, siehe die Eingangsdrehzahllinie 101 in Fig. 5, 6 und 7. Im Gegensatz dazu ist im Fall der Fig. 8, 9 und 10 jeweils das zweite Zahnrad des Epizykloidengetriebes mit dem angetriebenen Bauteil des Leistungsübertragungsmittels verbunden und dient als Eingang der Einrichtung, siehe die Eingangsdrehzahllinie 103. Ein Vergleich der drei Epizykloidengetriebearten deckt auf, dass das Leistungsübertragungsmittel in jeder seiner zwei Aufbauanordnungen jeweils bei unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten der antreibenden und der angetriebenen Bauteile arbeitet, so dass sich die Leistungscharakteris­ tik der Einrichtung verschiebt.

Beim Bezug auf die ersten, zweiten und dritten Zahnräder der Epizykloidengetriebe beachte man, dass eine Bedingung zu erfüllen ist, und zwar muss sich das zweite Zahnrad des Epizykloidengetriebes in der gleichen Drehrichtung drehen wie das dritte Zahnrad und mit einer kleineren Winkelgeschwindigkeit als das dritte Zahnrad, wenn man das dritte Zahnrad antreibt und das erste Zahnrad stationär hält. Die sechs Aufbauanordnungen der verallgemeiner­ ten mechanischen Umsetzung der Einrichtung nach Fig. 11, siehe Fig. 5, 6 und 7 sowie Fig. 8, 9 und 10, stehen für zwei Anordnungsgruppen für die drei Epizykloidengetriebearten, die den Anforderungen an den Drehzahlzusammenhang entsprechen. Es gibt zwei weitere Anordnungsgruppen für die drei Epizykloidengetriebearten, die ebenfalls dieser Anforderung an den Drehzahlzusammenhang entsprechen.

Die erste Gruppe entspricht der Anordnung von Fig. 5, 6 und 7. Man kann sie dadurch erhalten, dass man in jeder der drei Anordnungen die Getriebebauteile vertauscht, die zu den Drehzahllinien 101 und 102 gehören. Die zweite Gruppe entspricht der Anordnung von Fig. 8, 9 und 10. Man kann sie ebenfalls dadurch erhalten, dass man in jeder der drei Anordnungen die Getriebebauteile vertauscht, die zu den Drehzahllinien 101 und 102 gehören. Beispielsweise kann man in Fig. 5 und in Fig. 8 das Ringrad, das von der Drehzahllinie 101 dargestellt wird, und das Sonnenrad, das von der Drehzahllinie 102 dargestellt wird, vertauschen, so dass die Drehzahllinie 101 nun das Sonnenrad darstellt und die Drehzahllinie 102 das Ringrad. In jeder vertauschten Anordnung ändert sich die Drehzahlgleichung für das Zahnrad, das von der Drehzahllinie 103 dargestellt wird, gemäß einer Verschiebung ihres Punkts C auf der Ordinatenachse.

Man betrachte nun nochmals die in Fig. 12 skizzierte mechanische Umsetzung der Leistungsübertragungseinrichtung. Man nehme wiederum an, dass das Leistungsübertragungsmit­ tel 210 ein Flüssigkeitskoppler ist und die Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrich­ tung 220 ein Planetengetriebe. Die Winkelgeschwindigkeitszusammenhänge zwischen den verschiedenen rotierenden Bauteilen dieser Einrichtung können im Diagramm nach Fig. 5 beschrieben werden. In ihrer Verbundanordnung ist das antreibende Bauteil, das Pumpenrad 211, des Flüssigkeitskopplers 210 mit dem Ringrad 223 verbunden, und das angetriebene Bauteil, die Turbine 212, ist mit dem Trägerrad 222 verbunden. Das Sonnenrad 221 des Getriebes 220 arbeitet als Ausgangswelle 232 der Leistungsübertragungseinrichtung. Eine mechanische Zufuhr von der äußeren Leistungsquelle kann entweder in das antreibende Bauteil 211 oder das angetriebene Bauteil 212 eingeleitet werden, d. h. entweder in das Ringrad 223 oder das Trägerrad 222. Anders ausgedrückt kann sowohl das antreibende als auch das angetriebene Bauteil des Leistungsübertragungsmittels als Eingang der Leistungsübertragungs­ einrichtung dienen.

Aus dem Winkelgeschwindigkeits/Übersetzungsverhältnis-Zusammenhang in Fig. 5 geht hervor, dass beim Festhalten des Ringrads 223 auf der Winkelgeschwindigkeit eins das Sonnenrad 221 (d. h. der Ausgang 232 der Leistungsübertragungseinrichtung) in einem Drehzahlbereich des Übersetzungsverhältnisses zwischen null und eins arbeitet. Man muss nur die Winkelgeschwindigkeit des Trägerrads 222 von R/(R+S) auf das Übersetzungsverhältnis eins ändern. In einem üblichen Planetengetriebe, in dem der Radius des Sonnenrads ein Drittel des Radius des Ringrads beträgt, ist dies ein Bereich von 75 (nämlich 3/(3+1)) bis 100 Prozent der Ringraddrehzahl. Da das antreibende Bauteil 211 des Leistungsübertragungsmittels 210 mit der Winkelgeschwindigkeit eins antreibt, muss das angetriebene Bauteil 212 nur zwischen 75 und 100 Prozent der Drehzahl des antreibenden Bauteils 211 arbeiten, so dass der Ausgang 232 der Einrichtung einen vollen Drehzahlbereich von null bis 100 Prozent der Eingangswinkel­ geschwindigkeit liefern kann, die am Eingang 231 der Einrichtung aufgenommen wird. In diesem Sinn wird der Drehzahlbereich zwischen 75 und 100 Prozent - der den Stillstand nicht enthält - des Leistungsübertragungsmittels 210, eines Flüssigkeitskopplers, in diesem Fall umverteilt oder abgebildet, und zwar auf den vollen Drehzahlbereich der Einrichtung einschließlich des Stillstands.

Bei erfindungsgemäßen Einrichtungen, die Leistungsübertragungsmittel einsetzen, deren angetriebenes Bauteil die Drehzahl des antreibenden Bauteils bei der Leistungsübertragung nicht überschreiten kann, kann die Einrichtung normalerweise nur im Übersetzungsverhältnis­ bereich zwischen null und eins arbeiten, um mechanische Leistung von ihrer Eingangswelle auf ihre Ausgangswelle zu übertragen. Dabei ist vorauszusetzen, dass die Kopplungen zwischen dem antreibenden und dem angetriebenen Bauteil des Leistungsübertragungsmittels und ihrer entsprechenden Getriebebauteile im Epizykloidengetriebe das gleiche Übersetzungsverhältnis aufweisen. Dies ist der Fall, weil in diesen Leistungsübertragungsmitteln mechanische Antriebsleistung nur von dem Bauteil, das sich schneller dreht, auf das andere Bauteil, das sich langsamer dreht, übertragen wird.

Innerhalb dieses Übersetzungsverhältnisbereichs kann die Aufbauanordnung der Einrichtung mechanische Leistung an ihrer Eingangswelle aufnehmen - entweder am antreibenden Bauteil des Leistungsübertragungsmittels oder am angetriebenen Bauteil - und die mechanische Leistung an ihre Ausgangswelle liefern. Damit vereinfacht sich die Übertragung mechanischer Leistung. Im Übersetzungsverhältnisbereich zwischen null und eins hat die gesamte Leistungsübertragungseinrichtung die natürliche Neigung, ihre mechanisch belastete Ausgangswelle von der Übersetzungsverhältnis-Drehzahl null auf eins zu beschleunigen. Dies geschieht, da die Eingangswelle mechanische Leistung von der äußeren Leistungsquelle aufnimmt und es dem antreibenden Bauteil des Leistungsübertragungsmittels, beispielsweise dem Pumpenrad eines Flüssigkeitskopplers, erlaubt, die Drehzahl des angetriebenen Bauteils, der Turbine, zusammen mit der Last zu erhöhen. Im Diagramm nach Fig. 5 geht die Neigung in Richtung des geringeren Schlupfes zwischen dem antreibenden und dem angetriebenen Bauteil des Leistungsübertragungsmittels. In Fig. 5 ist dies in diesem Fall die Richtung vom Punkt A zum Punkt B entlang der Ausgangsdrehzahllinie 102.

In den erfindungsgemäßen Einrichtungen, in denen man andere Leistungsübertragungs­ mittel einsetzt, beispielsweise den Riemenscheibenantrieb mit verstellbarer Übersetzung, ist der äquivalente Übersetzungsverhältnisbereich der Einrichtung nicht auf das Übersetzungsver­ hältnis zwischen null und eins beschränkt. Das eigene Übersetzungsverhältnis des Leistungsübertragungsmittels stellt einen von mehreren Parametern zum Bestimmen des tatsächlichen Übersetzungsverhältnisses der Leistungsübertragungseinrichtung dar. Liefert das Leistungsübertragungsmittel ein Übersetzungsverhältnis, bei dem sein antreibendes Bauteil bei einer langsameren Winkelgeschwindigkeit arbeitet als das angetriebene Bauteil, so kann das äquivalente Übersetzungsverhältnis der Einrichtung den Wert eins übersteigen. Dies ist in den Diagrammen in Fig. 5-7 und Fig. 8-10 deutlich zu erkennen.

Tatsächlich bezeichnet man in einem Leistungsübertragungsmittel, beispielsweise einem Flüssigkeitskoppler, dessen beide Wechselwirkungsbauteile im wesentlichen symmetrisch sind, dasjenige, das mit einer schnelleren Winkelgeschwindigkeit antreibt, als Pumpenrad, und das andere, das mit einer langsameren Winkelgeschwindigkeit angetrieben wird, als Turbine. Es treten Fälle auf, in denen sich die Situation um kehrt, und in denen per Definition das Pumpenrad zur Turbine und die Turbine zum Pumpenrad wird, weil sich lediglich das Drehzahlverhältnis umkehrt. Dies erlaubt, verglichen mit dem Betrieb der Einrichtung in der normalen Leistungsflussrichtung, eine Umkehr der Leistungsflussrichtung.

Man betrachte beispielsweise nochmals Fig. 12, wobei man einen Flüssigkeitskoppler als Leistungsübertragungsmittel 210 verwendet und ein Planetengetriebe als Übertragungs-Wech­ selwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 220. Wiederum sei ein hydraulisches Flügelelement 211 des Flüssigkeitskopplers 210 mit dem Ringrad 223 verbunden und das andere Flügelelement 212 mit dem Trägerrad 222. Speist die äußere mechanische Leistungsquelle z. B. am Bauteil 211 des Flüssigkeitskopplers, das mit dem Ringrad 223 verbunden ist, in die Einrichtung ein, so überträgt die Einrichtung mechanische Leistung auf die Ausgangswelle 232 am Sonnenrad 221.

Man nehme nun an, dass die Leistungsquelle, beispielsweise ein Verbrennungsmotor, die die Einrichtung 231 entlang der Eingangsdrehzahllinie 101 antreibt, die Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle 232 entlang der Ausgangsdrehzahllinie 102 innerhalb des Übersetzungsver­ hältnisbereichs von null bis eins auf den Punkt E am oberen Drehzahlende in Fig. 5 beschleunigt hat. Man nehme weiterhin an, dass die Leistungsquelle nun ihre Winkelgeschwindigkeit auf einen Pegel der verringerten Maschinendrehzahllinie 101 _R auf der y-Achse unter dem Winkelgeschwindigkeitspegel der momentanen Drehzahl des Sonnenrads 221 im Punkt E senkt. In diesem Fall wird der Ausgangsdrehzahlpunkt E im ursprünglichen Koordinatensystem von Fig. 5, das den ursprünglichen Zustand der Einrichtung darstellt, zu einem Punkt hinter dem Übersetzungsverhältnis eins in einem abgesenkten Koordinatensystem, dessen Übersetzungsver­ hältnis eins durch den Punkt BR entlang der gemeinsamen Ausgangsdrehzahllinie 102 bestimmt ist.

In einem derartigen Zustand ist die Winkelgeschwindigkeit des Ringrads 223, das mit dem Flügelelement 211 verbunden ist, das ursprünglich das antreibende Pumpenradelement war, auf den Punkt F auf der abgesenkten Maschinendrehzahllinie 101 _R gefallen. Die Winkelgeschwindigkeit des Flügelelements 211 in diesem Punkt F ist geringer als die entsprechende Winkelgeschwindigkeit im Punkt G entlang der abgesenkten Trägerdrehzahllinie 103 _R des Trägerrads 222, das mit dem Flügelelement 212 verbunden ist, das ursprünglich das angetriebene Turbinenelement war. In diesem Fall sind die Rollen der beiden hydraulischen Flügel 211 und 212 im Flüssigkeitskoppler 210 vertauscht. Der eine Flügel 211, der ursprünglich das Pumpenrad war, wird nun zur Turbine, da er nun mit der langsameren Drehzahl vom anderen Flügel 212 angetrieben wird, der ursprünglich die Turbine war. Diese wird nun zum Pumpenrad, da sie das andere Element mit einer schnelleren Winkelgeschwindigkeit antreibt. Damit fließt die mechanische Leistung in umgekehrter Richtung, wobei das Sonnenrad 221 des Planetengetriebes 220 der Eingang ist und das Ringrad 223 zum Ausgang wird. Bei Anwendungen beispielsweise im Antriebsstrang eines Fahrzeugs bezeichnet man diesen Zustand als Motorbremsung. Mit geeigneten Energienutzungseinrichtungen, wie man sie z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen findet, kann es dem Fahrzeug möglich sein, eine Nutzbremsung auszuführen.

Verwendet man das Planetengetriebe als Übertragungs-Wechselwirkungs-Umver­ teilungsvorrichtung, so muss jedes Ritzel, das sich um seine jeweilige Mittelachse in einer geeigneten Lageranordnung auf dem Trägerrad dreht, ein Hebelsystem im Gleichgewicht bilden, wobei das Sonnenrad und das Ringrad an entgegengesetzten Enden des Drehmittelpunkts verzahnt sind. Fig. 17 zeigt skizzenhaft ein derartiges Hebelsystem im Gleichgewicht in einem Planetengetriebe, in dem das Leistungsübertragungsmittel, beispielsweise ein Flüssigkeitskoppler, die mechanische Antriebsleistung zur Ausgabe über das Sonnenrad der Einrichtung empfängt.

Die Zeichnung zeigt, dass ein gestrichelt dargestellter gedachter Hebel 225, der aus einem der Ritzel 224 gebildet ist, an entgegengesetzten Enden des Hebels 225 mit dem Ringrad 223 und dem Sonnenrad 221 verzahnt ist. Man nehme an, dass die äußere Leistungsquelle die mechanische Antriebsleistung der Einrichtung über das antreibende Bauteil 221 liefert, das am Ringrad 223 des Planetengetriebes 220 befestigt ist, und zwar wie eingezeichnet im Uhrzeigersinn. Das angetriebene Bauteil 212 des Leistungsübertragungsmittels, das am Trägerrad 222 befestigt ist, wird so angetrieben, dass es sich auch im Uhrzeigersinn dreht. Das Trägerrad 222 treibt somit den gedachten Hebel 225 an, d. h. das gesamte Ritzel 224, so dass es sich im Uhrzeigersinn dreht. Da sich das Ritzel 224 auch bezüglich des Halterahmens des Trägerrads 222 dreht, wenn das Gesamtsystem arbeitet, liefert ein Lager, das bei dem Bezugszeichen 226 skizziert ist, eine geeignet geschmierte Drehlagerung.

Der Hebel 225, dessen äußeres Ende mit dem Ringrad 223 verzahnt ist, um die Gegenkraft zu liefern, erlaubt es, die von der äußeren Leistungsquelle über das Lei­ stungsübertragungsmittel empfangene mechanische Antriebsleistung über die Verzahnung an seinem inneren Ende auf das Sonnenrad 221 zu übertragen. Damit wird das Sonnenrad 221 so angetrieben, dass es sich im Uhrzeigersinn dreht, und es liefert die empfangene Leistung an die äußere Last der Einrichtung.

Es wird nun Bezug auf das Winkelgeschwindigkeits/Übersetzungsverhältnis-Diagramm in Fig. 5 genommen. Man kann sehen, dass in diesem Hebelsystem im Gleichgewicht in Fig. 17 die Einrichtung die empfangene mechanische Leistung, die sie entweder mit der Winkelgeschwin­ digkeit des antreibenden oder des angetriebenen Bauteils des Leistungsübertragungsmittels empfängt, auf die Ausgangswelle mit der Winkelgeschwindigkeit des Sonnenrads umverteilen kann. Augenscheinlich bewegt sich der Verzahnungspunkt zwischen dem Ritzel 224 und dem Sonnenrad 221 mit der Winkelgeschwindigkeit des Trägerrads 222 des Getriebes über die Umfangsfläche des Sonnenrads 221, während sich das Sonnenrad 221 selbst mit seiner eigenen Winkelgeschwindigkeit dreht, die sich von der Winkelgeschwindigkeit des Trägerrads 222 unterscheidet.

In Fig. 18 ist das Hebelsystem im Gleichgewicht in einem Planetengetriebe für den Fall skizziert, dass man das Leistungsübertragungsmittel verglichen mit dem Zustand in Fig. 17 in umgekehrter Richtung betreibt. Für Stirnrad-Planetengetriebe und Differentialgetriebe gibt es ähnliche Zustände, da alle diese Epizykloidengetriebe topologisch äquivalent sind, wenn man ihre Aufbauanordnung betrachtet. Zum Erklären des Hebelgleichgewichts wurde ein Planetengetriebe verwendet; die obige Überlegung ist jedoch auf alle Epizykloidengetriebearten einschließlich des Planetengetriebes, des Stirnrad-Planetengetriebes und des Differential­ getriebes anwendbar.

Als Leistungsübertragungsmittel, das in die Anordnung der mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung aufzunehmen ist, kann man unterschiedliche bekannte Vorrichtungen verwenden. Beispielsweise kann man zusätzlich zu den hydraulischen Leistungsübertragungsmitteln Drehmomentwandler und Flüssigkeitskoppler, die bereits in den vorausgehenden beschreibenden Abschnitten beispielhaft verwendet wurden, andere nicht hydraulische Vorrichtungen mit dem Epizykloidengetriebe verbinden, um die mechanische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung zu bilden.

Zu diesen geeigneten Vorrichtungen gehören elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel, beispielsweise ein Motor-Generator-Satz, da dies auch ein Leistungsübertragungssystem mit einer antreibenden und einer angetriebenen Welle ist.

Fig. 19 zeigt skizzenhaft eine Querschnittsdarstellung einer mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung, bei der man eine Induktionsmaschine als Leistungsübertragungsmittel verwendet. In Fig. 19 bevorzugt man eine besondere Art der Induktionsmaschine 210. Diese Induktionsmaschine 210 besitzt ein Feldbauteil 211, das aus einem Permanentmagnetsystem aufgebaut ist und mit einem Käfigläuferbauteil 212 zusammenwirken kann, das ähnlich wie bei einem herkömmlichen Induktionsmotor aufgebaut ist. Das Permanentmagnetsystem enthält mindestens ein Paar Permanentmagnete 216 und kann entweder als Ständer oder als Läuferelement ausgebildet sein. Dementsprechend kann das Käfigläuferbauteil 212 entweder der Läufer oder das Ständerelement sein.

Die Induktionsmaschine 210 in der Einrichtung 200 nach Fig. 19 ist mit dem Epizykloidengetriebe 220 in der oben beschriebenen Weise verbunden, um eine mechanische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung herzustellen. Insbesondere ist das antreibende Permanentmagnet-Feldelement 211 über den Verbindungsrahmen 241 mit dem Ringrad 223 des Planetengetriebes 220 verbunden. Das angetriebene Käfigläuferbauteil 212 ist mit der Kopplungswelle 242 mit dem Trägerrad 222 verbunden. Eine derartige Leistungsübertragungseinrichtung kann man als Getriebe für kleine, durch Verbrennungsmotoren angetriebene Fahrzeuge verwenden, wenn man Permanentmagnete mit ausreichender magnetischer Flussdichte einsetzt, um eine genügende Nennleistung zu erzielen.

Es sind auch andere Leistungsübertragungsmittel verwendbar, beispielsweise Wirbelstromkoppler und andere auf elektromagnetischen Erscheinungen beruhende Vorrichtungen. Alle diese Leistungsübertragungsmittel werden als ähnlich betrachtet, und zwar sowohl bezüglich ihres allgemeinen Aufbaus als auch ihrer Funktionalität, wenn man sie gemäß Fig. 11 in die erfindungsgemäße Leistungsübertragungseinrichtung einbindet. Sie besitzen alle ein antreibendes und ein angetriebenes Bauteil, um die Übertragung von Leistung zu vereinfachen.

Die elektromagnetische Umsetzung der Einrichtung

Als verallgemeinerte Leistungsübertragungseinrichtung, die eine gute Leistungsfähigkeit am unteren Ende ihres gesamten Ausgangs-Betriebsdrehzahlbereichs liefern kann, gibt es elektromagnetische Umsetzungen der Erfindung, die man zusätzlich zu der beschriebenen mechanischen Umsetzung herstellen kann. Die verallgemeinerte erfindungsgemäße Einrichtung zur Leistungsübertragung nach Fig. 1 kann wie beschrieben eine äußere Leistung an ihrem Eingangsende über den Eingang 131 aufnehmen und Leistung an ihrem Ausgangsende über den Ausgang 132 an eine äußere Last liefern. Eine elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung ist dadurch definiert, dass sie ein elektromagnetisches Leistungsübertragungsmittel und eine elektrische Übertragungs-Wech­ selwirkungs-Umverteilungsvorrichtung enthält, die die Wechselwirkungs-Umverteilung elektromagnetisch umsetzt. Die elektrische Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrich­ tung steuert die elektrische Leistungszufuhr zu den funktionalen Bauteilen des elektromagneti­ schen Leistungsübertragungsmittels, um die Umsetzung der Umverteilung der elektromagnetischen Leistungsübertragungs-Wechselwirkung auszuführen. Die beiden wesentlichen Teile sind erfindungsgemäß derart zu einer Einheit verbunden, dass sie eine Einrichtung bilden, die man als Leistungsübertragungssystem betreibt.

Obgleich das Leistungsübertragungsmittel auf die elektromagnetische Übertragung beschränkt ist, ist die Nützlichkeit dieser elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung vielseitiger als die beschriebene mechanische Umsetzung. Durch die Eigenschaften des enthaltenen elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels können verschiedene elektromagnetische Umsetzungen der Einrichtung die Leistungsübertragung im mechanisch-me­ chanischen Modus, im elektrisch-mechanischen Modus oder im elektrisch-elektrischen Modus handhaben. Die elektromagnetische Umsetzung kann, wie erwähnt, in vielen Fällen die Leistungsübertragung auch mit umgekehrter Leistungsflussrichtung handhaben, womit eine Leistungsrückgewinnung möglich ist.

In der elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung beruht die Übertragung der mechanischen oder elektrischen Leistung ebenfalls auf der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den funktionalen Bauteilen des elektromagnetischen Lei­ stungsübertragungsmittels. Übliche elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel, die allgemein als elektrische Maschinen oder Koppler bekannt sind, weisen zwei wechselwirkende Funktionselemente auf, die normalerweise in Form des Feldständers und des Läufers ausgeführt werden. In dem elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittel, das man zum Aufbau einer elektromagnetischen Umsetzung der Einrichtung verwendet, erfolgt die Umverteilung der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den beiden Bauteilen des Mittels auf den Ausgang der Einrichtung dadurch, dass man beiden Bauteilen erlaubt, ihr jeweils aufgebautes Magnetfeld in Bezug auf die Bauteile selbst zu drehen. Diese Relativdrehung bewirkt eine Differenz zwischen den Winkelgeschwindigkeiten der physikalischen Körper der beiden Elemente, die es den beiden Magnetfeldern der beiden elektromagnetischen Bauteile erlaubt, für eine Wechselwirkung ausgerichtet zu sein, während der Ausgang der Einrichtung mit seiner Ausgangswinkelgeschwindigkeit arbeitet. Die Größe der Winkelgeschwindigkeit der Relativdrehung ist einstellbar und entspricht der Winkelgeschwindigkeit des Ausgangs der Leistungsübertragungseinrichtung. Die Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung der Einrichtung, die in den folgenden Abschnitten beschrieben wird, liefert die Möglichkeit, die Relativdrehung einzustellen. Das andere Bauteil des Leistungsübertragungsmittels wird einfach erregt und bildet sein eigenes Magnetfeld aus, das mit dem kommutierten Magnetfeld in Wechselwirkung tritt.

Die elektromagnetische Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung für die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung ist ein rotierender Kommutator. Der rotierende Kommutator dient dazu, die Wicklungen eines der wechselwirkenden Elemente deselektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels - das kommutierte Element - elektrisch zu erregen. Das Bereitstellen von elektrischer Erregung für das kommutierte Element erfolgt geschaltet, um die Umverteilung der elektromagnetischen Wechselwirkung zu bewirken. Das kommutierte Element, dessen Magnetfeld gesteuert durch den rotierenden Kommutator aufgebaut wird, kann damit mit dem Magnetfeld des anderen der beiden Bauteile - dem nicht kommutierten Bauteil - wechselwirken, das ebenfalls geeignet erregt wird, um die Leistungsübertragung in dem elektromagnetischen Leistungsübertragungsmit­ tel zu bewirken.

Die hervorragenden und wesentlichen Merkmale der elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung bestehen darin, dass sich der rotierende Kommutator, der für das Erregen der Wicklungen der kommutierten Elemente des Leistungsübertragungsmittels verantwortlich ist, dreht, wenn die Einrichtung arbeitet. Das Erregen der Wicklungen im kommutierten Element, die der rotierende Kommutator einschaltet, erzeugt einen gedachten Kommutierungsrichtungsvektor, der die Winkelstellung des Magnetfelds anzeigt, das das kommutierte elektromagnetische Element erzeugt. Dieser Richtungsvektor dreht sich, wenn die Einrichtung arbeitet, um Leistung zu übertragen, da sich das gesamte Kommutatorsys­ tem selbst dreht.

Man beachte, dass sich beim Anlegen einer Gleichstromerregung an das kommutierte Element über den rotierenden Kommutator das aufgebaute Magnetfeld bezüglich des physikalischen Körpers des kommutierten Elements dreht, da sich der gesamte rotierende Kommutator dreht, wenn die Einrichtung arbeitet. Verwendet man jedoch eine Wechselstromer­ regung, so dreht sich das Magnetfeld, das das kommutierte Element aufbaut, bezüglich des gedachten Kommutierungsrichtungsvektors, d. h. bezüglich des rotierenden Kommutators. Die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Magnetfelds setzt sich somit additiv aus der Kommutatordrehung und der Frequenz der Wechselstromerregung zusammen. Wie erwähnt ist Gleichstrom in der Tat ein Sonderfall eines Wechselstroms, der sich mit der Frequenz null ändert.

Als grundlegende Bauteile sind zwei Arten, nämlich die mechanische und die leistungselektronische Art des rotierenden Kommutators, für die Aufnahme in die elektromag­ netische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung geeignet. In einem mechanischen rotierenden Kommutator hält ein Bürstenkäfig ein oder mehrere Paare elektrisch leitender Bürsten. Der gesamte Kommutator kann sich drehen, wenn sich der Bürstenkäfig bei laufender Einrichtung dreht. Die Drehung des rotierenden Kommutators bewirkt das Umschalten der Erregungsleistung in das kommutierte Element des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels, das man zum Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendet. In einem rotierenden Leistungselektronik-Kommutator werden eine Anzahl Leistungselektronik-Halbleiterschalter gemäß eines Schemas gesteuert und bewirken das Umschalten der Erregungsleistung in das kommutierte Element des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels. Die elektronische Kommutierung erfolgt im wesentlichen in der gleichen Weise wie beim rotierenden mechanischen Kommutator. Tatsächlich verwendet man im rotierenden Leistungselektronik-Kommutator das gleiche Umschaltmuster für die Wicklungen des kommutierten elektromagnetischen Elements, das auch der mechanische Kommutator liefert.

Fig. 20 zeigt das äquivalente Winkelgeschwindigkeits/Übersetzungsverhältnis-Diagramm des Leistungsübertragungsmittels und der Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung einer elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung.

Auf der Abszisse ist das tatsächliche Ausgangs-Eingangs-Übersetzungsverhältnis der Einrichtung aufgetragen. Auf der Ordinate ist die normierte Winkelgeschwindigkeit der funktionalen Bauteile des Leistungsübertragungsmittels und des rotierenden Kommutators aufgetragen. Ähnlich wie bei der Besprechung der mechanischen Umsetzung setzt man voraus, dass die Eingangsleistung den Eingang der elektromagnetischen Umsetzung der Einrichtung mit einer festen Winkelgeschwindigkeit antreibt, und zwar entlang der Eingangsdrehzahllinie 101 mit der normierten Winkelgeschwindigkeit eins. Der Ausgang der Einrichtung kann sich entlang der Ausgangsdrehzahllinie 102 bewegen, die darstellt, dass die Einrichtung ihre Last mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen antreibt. Es treten wiederum Fälle auf, in denen das Übersetzungsverhältnis über den Wert eins hinausgeht, wenn der Ausgang schneller läuft als der Eingang, oder in denen das Übersetzungsverhältnis negativ wird, wenn sich der Ausgang in Gegenrichtung bezüglich des Eingangs dreht.

Da man die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsüber­ tragungseinrichtung sowohl für die Übertragung mechanischer als auch elektrischer Leistung einsetzen kann, verwendet man die Einheit der Frequenz, Hz, zum Messen auf der y-Achse vor dem Normieren. Diese Einheit kann man leicht in die Drehzahl der Drehwelle in Umdrehungen pro Minute (UPM) umsetzen, wenn man mechanische Leistung bezüglich der Drehung der physikalischen Körper betrachtet. Dagegen ist Hz selbst die Standardeinheit zum Darstellen einer wichtigen Eigenschaft einer elektrischen Wechselstromleistung.

Fig. 21 erläutert eine verallgemeinerte elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 1. Die Einrichtung 300 umfasst ein elektromagnetisches Leistungsübertragungsmittel 310 und einen rotierenden Kommutator 320, der als elektromagnetische Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung dient. Das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel 310 besteht aus zwei elektromagnetischen Wechselwirkungsbauteilen. Eines der beiden Bauteile, das Element 312, ist das antreibende Bauteil, das bei einer antreibenden Winkelgeschwindigkeit arbeitet und die Leistung auf das andere Bauteil, das Element 311, überträgt. Dies ist das angetriebene Bauteil, das mit einer angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeitet, um die Wechselwirkung der elektromagnetischen Leistungsübertragung zwischen den beiden Elementen umzusetzen, und zwar durch Verarbeitungsschemata, die der rotierende Kommutator 320 steuert. Man beachte, dass in der perspektivischen Skizze in Fig. 21 das gestrichelt dargestellte angetriebene Bauteil 311 im antreibenden Bauteil 312 eingeschlossen dargestellt ist.

Die in das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel 310 übertragene Leistung wird von einer äußeren Leistungsquelle 381 über einen Eingang 331 _M oder 331 _E der Einrichtung aufgenommen. Das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel 310 ist mit der elektromagnetischen Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 320 zu einer Einheit verbunden, die die elektromagnetische Leistungsübertragungseinrichtung bildet. Die Leistung, die das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel 310 aus der äußeren Leistungsquelle 381 aufnimmt, verteilt die elektromagnetische Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 320 auf den Ausgang 332 _M oder 332 _E der Einrichtung um und liefert sie an eine äußere Last 382.

Die elektromagnetische Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 320 ist ein rotierender Kommutator, der eines der beiden elektromagnetischen Elemente, das Bauteil 311, magnetisiert, das das kommutierte Element ist. Der rotierende Kommutator 320 ist mit den beiden elektromagnetischen Bauteilen 311 und 312 des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmit­ tels 310 zu einer Einheit verbunden, in der der rotierende Kommutator 320 mit einer Kommutierungswinkelgeschwindigkeit arbeitet, um das kommutierte elektromagnetische Element 311 zu magnetisieren. Der rotierende Kommutator baut ein erstes rotierendes Magnetfeld auf, das sich mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht, die synchron zur Winkelgeschwindigkeit des zweiten rotierenden Magnetfelds ist, das das nicht kommutierte elektromagnetische Bauteil 312 aufbaut. Der rotierende Kommutator 320 verteilt die leistungsübertragende elektromag­ netische Wechselwirkung des Leistungsübertragungsmittels 310, das mit der synchronen Winkelgeschwindigkeit der beiden sich drehenden Magnetfelder arbeitet, auf den Ausgang 332 _M oder 332 _E um. Der Ausgang liefert die Leistung aus dem elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittel 310 mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last 382.

Man beachte, dass in Fig. 21 die beiden Eingänge 331 _M und 331 _E und die beiden Ausgänge 332 _M und 332 _E jeweils am Eingangsende und am Ausgangsende der Einrichtung als vorhanden dargestellt sind. Damit soll in der Skizze der Tatsache Rechnung getragen werden, dass sowohl der Eingang als auch der Ausgang der erfindungsgemäßen Leistungsüber­ tragungseinrichtung sowohl mechanische als auch elektrische Leistung handhaben kann. Liefert oder empfängt die Einrichtung mechanische Leistung, so verwendet man die entsprechende Eingangs- oder Ausgangswelle. Liefert oder empfängt die Einrichtung elektrische Leistung, so verwendet man den entsprechenden elektrischen Eingangs- bzw. Ausgangsanschluss. In gewissen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung, die mehrfache Arten der Leistungsübertragung ausführen können, kann man die Drehwelle und den elektrischen Anschluss für den Eingang oder Ausgang verwenden.

In der elektromagnetischen Umsetzung nach Fig. 21 ist das erste Element 311 der beiden elektromagnetischen Bauteile des Leistungsübertragungsmittels 310, das der rotierende Kommutator 320 kommutiert, eine elektromagnetische Wicklungsbaugruppe, die die Magnetisierung umverteilt. Das zweite Element 312 ohne Kommutierung ist eine elektromag­ netische Baugruppe, die aus Wicklungen besteht. In den folgenden Abschnitten wird mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen erklärt, dass die kommutierte Wicklungsbaugruppe des ersten elektromagnetischen Bauteils 311 eine von zwei möglichen Bauformen annehmen kann, und dass die elektromagnetische Baugruppe für das zweite Bauteil 312 eine von drei möglichen Bauformen annehmen kann. Verschiedene Kombinationen dieser beiden elektromagnetischen Elemente kann man, wenn sie mit der elektromagnetischen Wechselwirkungs-Umverteilungsvor­ richtung verbunden und gemäß den Steuerschemata der Erfindung geeignet erregt werden, in jeder der vier möglichen Leistungsübertragungsweisen verwenden, die die mechanische und die elektrische Leistung umfassen.

Die elektromagnetische Wicklungsbaugruppe für das erste elektromagnetische Bauteil 311, die die Magnetisierung umverteilt, kann ein Gleichstromläufer sein, der ähnlich aufgebaut ist wie der gleichstromerregte Läufer einer herkömmlichen Gleichstrommaschine, wenn eine Gleichstromerregung beabsichtigt ist. Das Bauteil 311 kann auch ein mehrfach kommutierbarer Wechselstromläufer sein, den man über mehr als ein Paar Kommutatorbürsten erregen kann oder mit der Leistungselektronik, die dem rotierenden Kommutator gleichwertig ist, falls man mehrphasige Wechselstromleistung zum Erregen benutzt. In beiden Fällen kann man diese Wicklungsbaugruppe mit dem rotierenden Kommutator 320 erregen, um das erste rotierende Magnetfeld aufzubauen.

Die elektromagnetische Baugruppe, die man als zweites elektromagnetisches Bauteil 312 verwendet, kann eine elektromagnetische Wicklungsbaugruppe sein, die mit Gleichstromlei­ stung erregt wird und als Elektromagnet arbeitet. Sie kann auch eine mehrphasige Wicklung sein, die mit einer mehrphasigen Wechselstromleistung erregt wird. Sie kann auch einfach eine Permanentmagnetbaugruppe sein, die aus einem oder mehreren passend magnetisierten Magneten hergestellt ist, die ein Magnetfeld erzeugen.

Fig. 22-27 erläutert jeweils die elektromagnetischen Umsetzungen der erfin­ dungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung, die auf dem elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittel beruhen, wobei die drei Arten der elektromagnetischen Baugruppe und die zwei Arten der Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe eingesetzt werden, die oben beschrieben sind. Jede der grundlegenden Aufbauanordnungen der Lei­ stungsübertragungseinrichtung nach Fig. 22-27 kann für den Gebrauch in allen oder einigen der vier Leistungsübertragungsarten geeignet sein, die die mechanische und elektrische Leistung betreffen. In wesentlichen Einsatzsituationen können einige der Ausführungsformen gegenüber anderen bevorzugt werden.

Man beachte, dass es für einige der vier Leistungsübertragungsarten nicht erforderlich ist, dass sowohl am Eingangsende als auch am Ausgangsende der Einrichtung die mechanische Drehwelle und die elektrischen Zuleitungen vorhanden sind. Obwohl in einigen Übertragungsarten die elektrischen Zuleitungen erforderlich sein können, um die Erregerleistung für die jeweilige Wicklungsbaugruppe des elektromagnetischen Elements zu liefern, damit die Aufnahme oder Abgabe der mechanischen Leistung bewirkt wird, betrachtet man sie jedoch nicht als die hauptsächlichen Leistungseingänge oder Ausgänge. Diese Erregerleistung verbraucht normalerweise nur einen geringen Prozentsatz der gesamten elektrischen Eingabeleistung in das System und wird als verbrauchte Hilfsleistung eingeordnet, die beim Umsetzen einer idealen Maschine in eine reale Einrichtung unvermeidbar ist. In ähnlicher Weise kann in einigen Übertragungsarten die Drehwelle in die Zeichnung eingetragen sein, wobei die Einrichtung elektrische Leistung aufnimmt oder abgibt. Fachleuten ist klar, dass es auf jeden Fall weiterhin möglich ist, auch wenn dies nicht in allen Einzelheiten besprochen wird, die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung so zu betreiben, dass sie gleichzeitig mechanische und elektrische Leistung aufnimmt und/oder abgibt, wenn irgendeine solche Anforderung besteht.

Fig. 22 erläutert eine Ausführungsform der verallgemeinerten elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 21. Die grundlegende Aufbauanordnung der Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 22 ist für den Gebrauch in allen vier Leistungsübertragungsarten geeignet, die sowohl mechanische als auch elektrische Leistung einschließen. In dieser Ausführungsform ist die elektromagnetische Magnetisierungsum­ verteilungs-Wicklungsbaugruppe 311, die als kommutiertes erstes elektromagnetisches Bauteil des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels dient, ein Wechselstromläufer. Der Wechselstromläufer 311 besteht aus einer Anzahl elektrisch schaltbarer Wechselstromwicklungen 318. Jede der Wechselstromwicklungen 318 kann mit einem mehrphasigen Wechselstrom erregt werden, den der rotierende Kommutator 320 durch Umschalten der Reihe nach liefert, um das erste sich drehende Magnetfeld aufzubauen. Zum Umschalten der mehrphasigen Wechselstromleistung in der Wicklungsbaugruppe 311 enthält der rotierende Kommutator 320 mehr als ein Paar leitender Bürsten 321 oder ihr leistungselektronisches Äquivalent.

Die elektromagnetische Baugruppe 312, die man als zweites nichtkommutiertes elektromagnetisches Element verwendet, ist eine mehrphasige Wicklung, die eine Wicklung 317 aufweist, die mit einem mehrphasigen Wechselstrom erregbar ist, um das zweite sich drehende Magnetfeld aufzubauen. Die Winkelgeschwindigkeit des gedachten Kommutierungsrich­ tungsvektors des rotierenden Kommutators 320 (in der Zeichnung nicht dargestellt) kann asynchron zur Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds sein, das die elektromagnetische Baugruppe 312 des zweiten elektromagnetischen Elements aufbaut. Insbesondere ist die Winkelgeschwindigkeit des Richtungsvektors gleich der Differenz zwischen der Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds und der Winkelgeschwindig­ keit des mehrphasigen Wechselstroms, den der rotierende Kommutator 320 in das erste elektromagnetische Bauteil 311 einspeist.

Verwendet man die elektromagnetische Umsetzung der Einrichtung nach Fig. 22 zum Umsetzen der mechanisch-mechanischen Leistungsübertragung, so kann man den physikalischen Körper der elektromagnetischen Baugruppe 312 über ihre Drehwelle 331 _M aus einer äußeren mechanischen Leistungsquelle antreiben. In diesem Fall dient die elektrische Leitung 331 _E zum Zuführen der Erregerleistung der elektromagnetischen Baugruppe 312 und zum Aufbau ihres Magnetfelds. Da der physikalische Körper dieses zweiten elektromagnetischen Bauteils 312 drehend angetrieben wird, kann diese Erregung entweder durch elektrische Wechsel- oder durch Gleichstromleistung erfolgen. Die äußere Erregerleistungsquelle führt diese Erregung zu, wobei die Kohlebürsten-Schleifring-Anordnung der Erregervorrichtung des nichtkommutierten Bauteils verwendet wird, die allgemein bei 350 dargestellt ist. Jede der feststehenden Kohlebürsten 351 berührt ihren zugehörigen Schleifring 352, der sich zusammen mit dem physikalischen Körper der elektromagnetischen Baugruppe 312 dreht. Ein elektrisches Leistungszufuhrnetzwerk 353, das in den physikalischen Körper des Bauteils 312 eingebettet oder daran befestigt ist, verteilt die Erregerleistung auf die Wicklungen 317 des nichtkommutier­ ten Bauteils 312.

Falls man für das zweite elektromagnetische Element 312 eine Gleichstromerregung verwendet, ist die Winkelgeschwindigkeit des Magnetfelds, das dieses zweite Element aufbaut, einfach die Eingangswinkelgeschwindigkeit der äußeren Leistungsquelle, die die äußere mechanische Leistungsquelle über die Eingangsdrehwelle 331 _M liefert. Bei Wechselstromerregung setzt sich die Winkelgeschwindigkeit dieses Magnetfelds additiv aus der Winkelgeschwindigkeit der äußeren mechanischen Leistungsquelle und der Winkelgeschwindigkeit der Wechselstromerregung zusammen.

Andererseits kann man den physikalischen Körper des kommutierten Bauteils 311 mit der Ausgangswelle 332 _M der Einrichtung verbinden und zum Antreiben einer äußeren mechanischen Last verwenden. Das kommutierte Element 311 empfängt seine Erregung über die elektrische Zuleitung 332 _E, die über den rotierenden Kommutator 320 angeschlossen ist. Diese Erregung liefert die äußere Erregerleistungsquelle, wobei man einen weiteren Kohle-Schleif­ ring-Mechanismus 360 verwendet. Wie bei 350 verwendet man im Kohlebürsten-Schleif­ ring-Erregermechanismus 360 feststehende Kohlebürsten 361 und Schleifringe 362, die die Zufuhr der Erregerleistung zum kommutierten Element 311 erleichtern. Da sich der gedachte Kommutierungsrichtungsvektor dreht, sind die Schleifringe 362 des Erregermechanis­ mus 360 am Bürstenkäfig 322 des rotierenden Kommutators 320 befestigt. Diese Anordnung ermöglicht es den Bürsten 321 des rotierenden Kommutators 320, die am Bürstenkäfig 322 so befestigt sind, dass sie sich in einem geregelten Schema drehen, die elektrische Erregerleistung von außen aufzunehmen. Dieser Mechanismus ist in der Zeichnung nicht in seinen Einzelheiten dargestellt. Ein elektrisches Leistungszufuhrnetzwerk 363, das in den physikalischen Körper des Bauteils 311 eingebettet oder daran befestigt ist, verteilt die Erregerleistung auf die Wicklungen 318 des kommutierten Bauteils 311.

Da sich der physikalische Körper des kommutierten Bauteils 311 auch dreht, wenn die Einrichtung zum Übertragen mechanischer Leistung arbeitet, kann man die Winkelgeschwindig­ keit des gedachten Kommutierungsrichtungsvektors, die für den Betrieb der Einrichtung erforderlich ist, aus der Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle 332 _M und der Winkelgeschwin­ digkeit ihrer Erregung bestimmen. Speist man eine Gleichstromerregung in das kommutierte Bauteil 311 ein, so wird die erforderliche Winkelgeschwindigkeit des Kommutierungsrichtungsvek­ tors gleich der Winkelgeschwindigkeit des Magnetfelds, das das zweite elektromagnetische Bauteil 312 aufbaut.

Man beachte in der Zeichnung nach Fig. 22, dass an den erforderlichen Stellen in der Einrichtung geeignete Lagervorrichtungen 333 bereitgestellt sind. Dies erlaubt eine weiche geschmierte Relativdrehbewegung zwischen den verschiedenen Elementen des Lei­ stungsübertragungsmittels 310 und der Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung 320.

Die Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 22 eignet sich auch zum Gebrauch in der elektrisch-mechanischen Leistungsübertragung. In diesem Fall ist der physikalische Körper der elektromagnetischen Baugruppe 312 stationärfestgehalten. Die elektrische Zuleitung 331 _E ist elektrisch mit der äußeren elektrischen Leistungsquelle verbunden, um die elektrische Hauptleistung der elektromagnetischen Baugruppe 312 selbst zuzuführen und ihr antreibendes Magnetfeld aufzubauen. Die Erregerleistung führt man mit Hilfe des Schleifringmechanismus 350 zu oder über ein vereinfachtes elektrisch es Verteilersystem, da der physikalische Körper der elektromagnetischen Baugruppe 312 stationär festgehalten wird. Da der physikalische Körper dieses zweiten elektromagnetischen Elements 312 stationär festgehalten wird, bestimmt die Frequenz der elektrischen Erregerleistung direkt die Winkelgeschwindigkeit des Magnetfelds, das in dem Element erzeugt wird.

Den physikalischen Körper des kommutierten Bauteils 311 kann man an die Ausgangswelle 332 _M der Einrichtung anschließen und zum Antreiben der äußeren mechanischen Last verwenden. Das kommutierte Bauteil 311 bezieht seine Erregung über die elektrische Zuleitung 332 _E, die über den rotierenden Kommutator 320 angeschlossen ist. Die Erregerleistung führt man mit Hilfe des Schleifringmechanismus 360 zu. Da sich der physikalische Körper des kommutierten Bauteils 311 dreht, wenn die Einrichtung Leistung überträgt, ist wie bei der mechanisch-mechanischen Übertragung die Winkelgeschwindigkeit des gedachten Kommutierungsrichtungsvektors aus der Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle 332 _M und der Winkelgeschwindigkeit der Erregung bestimmbar. Führt man dem kommutierten Bauteil 311 Gleichstromerregung zu, so wird die Winkelgeschwindigkeit des Kommutierungsrichtungsvek­ tors gleich der Winkelgeschwindigkeit des Magnetfelds, das das zweite elektromagnetische Bauteil 312 aufbaut.

Die Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 22 eignet sich zudem für die mechanisch­ elektrische Leistungsübertragung. In diesem Fall kann man den physikalischen Körper der elektromagnetischen Baugruppe 312 durch die äußere mechanische Leistungsquelle über seine Drehwelle 331 _M antreiben. Die elektrische Zuleitung 331 _E dient der Zufuhr der Erregerleistung für die elektromagnetische Baugruppe 312, um ihr Magnetfeld aufzubauen. Da der physikalische Körper dieses zweiten elektromagnetischen Bauteils 312 drehend angetrieben wird, kann seine Erregung entweder über elektrische Gleichstrom- oder Wechselstromleistung erfolgen. Der Schleifringmechanismus 350 führt die Erregerleistung den Wicklungen 317 der Baugruppe 312 zu. Bei Gleichstromerregung ist die Winkelgeschwindigkeit des Magnetfelds, das dieses zweite Element aufbaut, einfach die Eingangswinkelgeschwindigkeit der äußeren Leistungsquelle. Bei Wechselstromerregung setzt sich die Winkelgeschwindigkeit des Magnetfelds additiv aus der Winkelgeschwindigkeit der äußeren mechanischen Leistungsquelle und der Winkelgeschwin­ digkeit der Wechselstromerregung zusammen.

Der physikalische Körper des kommutierten Elements 311 wird stationär festgehalten, und die elektrische Zuleitung 332 _E, die über den rotierenden Kommutator 320 angeschlossen ist, wird zum Ausgang der Leistungsübertragungseinrichtung, der eine äußere elektrische Last treiben kann. Zum Sammeln der erzeugten elektrischen Leistung kann man elektrische Leistungssammelvorrichtungen verwenden, die einfacher aufgebaut sind als der Schleifring­ mechanismus 360. Der Strom, der in den Wicklungen 318 des ersten elektromagnetischen Bauteils 311 fließt, wird durch den rotierenden Kommutator 320 umgeschaltet und baut ein Magnetfeld auf, das mit dem Magnetfeld in Wechselwirkung tritt, das das zweite Element 312 erzeugt, um die mechanisch-elektrische Art der Leistungsübertragung auszuführen.

Die Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 22 ist auch für die elektrisch-elektrische Leistungsübertragung einsetzbar. In diesem Fall hält man den physikalischen Körper der elektromagnetischen Baugruppe 312 stationärfest. Ihre elektrische Zuleitung 331 _E ist elektrisch mit der äußeren elektrischen Leistungsquelle verbunden, um der elektromagnetischen Baugruppe 312 die elektrische Hauptleistung zuzuführen und ihr antreibendes Magnetfeld aufzubauen. Da der physikalische Körper dieses zweiten elektromagnetischen Bauteils stationär gehalten wird, bestimmt sich die Winkelgeschwindigkeit des Magnetfelds, das die Leistungserregung in der elektromagnetischen Baugruppe 312 erzeugt, direkt durch die Frequenz der elektrischen Leistung.

Der physikalische Körper des kommutierten Bauteils 311 wird ebenfalls stationär festgehalten. Die elektrische Zuleitung 332 _E, die über den rotierenden Kommutator 320 angeschlossen ist, wird zum Ausgang der Einrichtung, der eine äußere elektrische Last treiben kann. Der Strom, der in den Wicklungen des ersten Bauteils 311 fließt, wird durch den rotierenden Kommutator 320 umgeschaltet und baut ein Magnetfeld auf, das mit dem Magnetfeld in Wechselwirkung tritt, das das zweite Element 312 erzeugt, um die elektrisch-elektrische Art der Leistungsübertragung auszuführen. Die Schleifringanordnungen 350 und 360 bei dieser elektrischen Leistungsübertragung kann man vereinfachen, da die physikalischen Körper der elektromagnetischen Baugruppe 312 und des kommutierten Elements 311 stationärfestgehalten sind.

Fig. 23 erläutert eine weitere Ausführungsform der elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung nach Fig. 21. Diese Einrichtung unterscheidet sich nur geringfügig von der Einrichtung nach Fig. 22. Im einzelnen ist jedoch die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe 311, die man anstelle des Wechselstromläufers als kommutiertes erstes elektromagnetisches Bauteil des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels verwendet, ein Gleichstromläufer, der aus einer Anzahl elektrisch umschaltbarer Gleichstromwicklungen 319 besteht. Die elektromag­ netische Baugruppe 312, die man als zweites elektromagnetisches Bauteil verwendet, ist eine mehrphasige Wicklung, die der Wicklung in Fig. 22 ähnlich ist. Da man wie erwähnt Gleichstrom als Sonderfall des Wechselstroms betrachtet, darf man erwarten, dass diese Ausführungsform ein Sonderfall und eine vereinfachte Version der Einrichtung nach Fig. 22 ist.

Zum Schalten der Gleichstromleistung in der Wicklungsbaugruppe 311 ist im rotierenden Kommutator 320 nur ein Paar leitender Bürsten 321 oder ihr leistungselektronisches Äquivalent erforderlich. Bei Betrieb dieser Einrichtung muss die Winkelgeschwindigkeit des gedachten Kommutierungsrichtungsvektors des rotierenden Kommutators 320 synchron zur Winkelgeschwin­ digkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds sein, das die elektromagnetische Baugruppe 312 des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels 310 aufbaut. Insbesondere ist die Winkelgeschwindigkeit des Richtungsvektors gleich der Winkelgeschwindigkeit des zweiten Magnetfelds. Dies kann man durch das Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Bürstenkäfigs 322 im veränderten Umschaltschema erreichen, der die Bürsten 321 hält und sie antreibt.

Die Erregung im kommutierten Bauteil 311 kann einfache Gleichstromleistung sein, wenn man es im mechanisch-mechanischen oder im elektrisch-mechanischen oder im mechanisch-elektrischen Modus betreibt. Für die Regelung des gedachten Kommutierungsrich­ tungsvektors fordert man einfach, dass er synchron zur Drehung des Magnetfelds ist, das die elektromagnetische Baugruppe 312 aufbaut.

Arbeitet man im elektrisch-elektrischen Leistungsübertragungsmodus, wobei die elektrischen Zuleitungen 332 _E über den rotierenden Kommutator 320 angeschlossen sind, so erzeugt der Ausgang der Einrichtung nur Gleichstromleistung, wenn man den gedachten Kommutierungsrichtungsvektor des rotierenden Kommutators 320 synchron zur Drehung des Magnetfelds hält, das von der speisenden elektromagnetischen Baugruppe 312 erzeugt wird. Regelt man jedoch den Richtungsvektor asynchron zum speisenden Magnetfeld, so wird die erzeugte elektrische Leistung eine Wechselstromleistung. Die Frequenz dieser Wechselstromlei­ stung ergibt sich aus der Differenz der Winkelgeschwindigkeit der ein gegebenen elektrischen Leistung und der Winkelgeschwindigkeit des Richtungsvektors.

Fig. 24 erläutert noch eine weitere Ausführungsform der elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung, die grundsätzlich in Fig. 21 umrissen ist. Diese Einrichtung weicht ebenfalls geringfügig von der Einrichtung nach Fig. 22 ab. Der Unterschied besteht darin, dass die mehrphasige Wicklung für die elektromagnetische Baugruppe 312 durch eine elektromagnetische Wicklungsbaugruppe ersetzt ist. Eine derartige elektromagnetische Wicklungsbaugruppe gleicht der Statorwicklung einer Gleichstrommaschine und erzeugt wie ein Elektromagnet ein Magnetfeld, das sich bei Erregung nicht bezüglich seines physikalischen Körpers dreht.

Eine solche Einrichtung eignet sich für die mechanisch-mechanische und die mechanisch-elek­ trische Art der Leistungsübertragung. In diesen beiden Arten verhält sich die Einrichtung ähnlich wie die Einrichtung in Fig. 22; die elektromagnetische Baugruppe 312 wird jedoch mit Gleichstrom erregt. Diese Einrichtung bevorzugt man nicht für den Betrieb in der elektrisch­ mechanischen Übertragungsart nicht, wenn der physikalische Körper der elektromagnetischen Baugruppe 312 stationär gehalten wird. In dieser Betriebsart wird die Einrichtung nach Fig. 24 im wesentlichen zu einem herkömmlichen Gleichstrommotor. Hält man die beiden physika 36159 00070 552 001000280000000200012000285913604800040 0002019843480 00004 36040lischen Körper der elektromagnetischen Wicklungsbaugruppe 312 und des Wechselstromläufers 311 in dieser Ausführungsform stationärfest, so ist die elektrisch-elektrische Übertragungsart nicht ausführbar, da in dem System kein Transformationsvorgang abläuft. Der Grund dafür liegt darin, dass sich das durch die elektromagnetische Wicklungsbaugruppe 312 aufgebaute Magnetfeld bezüglich der Leiter des Wechselstromläufers 311 überhaupt nicht dreht.

Fig. 25 erläutert eine weitere Ausführungsform der elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung, die in Fig. 21 umrissen ist. Diese Einrichtung unterscheidet sich von der Einrichtung nach Fig. 24 nur dadurch, dass die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe 311 ein Gleichstrom­ läufer anstelle eines Wechselstromläufers ist. An sich sind die Eigenschaften dieser Einrichtung grundsätzlich die gleichen wie in der Ausführungsform nach Fig. 24. Offensichtlich ist die Erregung des Wechselstromläufers 311 in der Ausführungsform nach Fig. 24 bevorzugt eine mehrphasige Wechselstromleistung. Der Gleichstromläufer 311 in dieser Ausführungsform benötigt dagegen eine Gleichstromerregung.

Fig. 26 erläutert noch eine weitere Ausführungsform der elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Diese Einrichtung gleicht im wesentlichen der in Fig. 24; die elektromagnetische Wicklungsbaugruppe in Fig. 24 ist jedoch durch eine Permanentmagnet­ baugruppe ersetzt, die zumindest ein Paar Permanentmagnete 316 für die elektromagnetische Baugruppe in Fig. 21 enthält. Eine elektrische Erregung für die elektromagnetische Baugruppe 312 ist somit nicht erforderlich, und die elektrische Anordnung des Systems vereinfacht sich. Die elektromagnetische Wicklungsbaugruppe der Ausführungsform in Fig. 24 kann jedoch ein Magnetfeld mit größerer Feldstärke liefern als die Permanentmagnete, da seine Erregerleistung proportional erhöht ist. Damit ist die Nennleistung der Einrichtung nach Fig. 26 auf eine Höhe begrenzt, die die Materialtechnologie der Permanentmagnete liefern kann.

Die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrich­ tung nach Fig. 27 ist eine weiter vereinfachte Version der Einrichtung in Fig. 26. Ein Gleichstromläufer 311 für die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wick­ lungsbaugruppe in Fig. 21 ersetzt den Wechselstromläufer 311 in Fig. 26. Damit gleicht das Betriebsverhalten dieser Ausführungsform in Fig. 24 im wesentlichen der Ausführungsform in Fig. 27; für den Gleichstromläufer 311 verwendet man jedoch eine Gleichstromerregung.

Jede der in Fig. 22-27 dargestellten Ausführungsformen ist bei Betrieb in der mechanisch-mechanischen Leistungsübertragungsart als mechanisches Leistungsüber­ tragungsmittel verwendbar, das eine eingespeiste mechanische Leistung bei einer bestimmten Drehzahl/Drehmoment-Kombination in eine Abgabeleistung mit einer anderen Kombination umsetzt. Dies gleicht tatsächlich der Funktion eines herkömmlichen mechanischen Leistungsübertragungsmittels, beispielsweise einem hydraulischen Drehmomentwandler oder einem Generator-Motor-Satz, wie sie in selbstfahrenden oder dieselelektrischen Lokomotiven angewendet werden. Das Verhalten jedoch der erfindungsgemäßen Einrichtung, die in diesen Ausführungsformen beispielhaft dargestellt ist, zeigt bei niedrigen Drehzahlen einen hohen Wirkungsgrad, da der rotierende Kommutator die enthaltenen elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittel darauf beschränkt, in ihrem bestmöglichen Drehzahlbereich zu arbeiten.

Arbeitet man im elektrisch-mechanischen Modus der Leistungsübertragung, so ist jede dieser Ausführungsformen eine neue Version eines Elektromotors, der nach elektromagnetischen Gesetzen arbeitet. Sie sind damit elektrische Maschinen, die man direkt für elektrische Antriebsanwendungen einsetzen kann, ohne dass eine komplizierte Leistungselektronik, beispielsweise eine Pulsbreitenmodulation, erforderlich ist. Jede dieser erfindungsgemäßen Einrichtungen kann trotzdem ein gutes Verhalten bei niedrigen Drehzahlen liefern, da es der rotierende Kommutator erlaubt, dass das enthaltene elektromagnetische Leistungsübertragungs­ mittel, das tatsächlich eine abgewandelte Version der herkömmlichen elektrischen Maschine ist, im bestmöglichen Drehzahlbereich eines herkömmlichen Motors arbeitet.

Arbeitet man im mechanisch-elektrischen Modus der Leistungsübertragung, so ist jede dieser Ausführungsformen eine neue Version eines elektrischen Generators, der nach elektromagnetischen Gesetzen arbeitet. Jede dieser erfindungsgemäßen Einrichtungen kann eine gute elektrische Generatorwirkung bei niedrigen Drehzahlen liefern, da es der rotierende Kommutator erlaubt, dass das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel, das tatsächlich eine abgewandelte Version der herkömmlichen elektrischen Maschine ist, im bestmöglichen Drehzahlbereich eines herkömmlichen Generators arbeitet.

In den mechanisch-elektrischen und elektrisch-mechanischen Leistungsübertragungsarten, die die Ausführungsformen in Fig. 22-27 ausführen, kann man den Phasenwinkel zwischen den beiden Magnetfeldern, die von den beiden wechselwirkenden Bauteile des elektromagneti­ schen Leistungsübertragungsmittels erzeugt werden, als Parameter zum Regeln der Leistungsübertragungsrate verwenden, die die Einrichtung vollzieht. Im allgemeinen eilt das antreibende Magnetfeld der elektromagnetischen Baugruppe 312 dem angetriebenen Magnetfeld des kommutierten Elements 311 um einen Winkel voraus, der der übertragenen Leistung proportional ist. Die übertragene Leistung ist also umso größer, je größer der voreilende Phasenwinkel ist. Wird das ursprünglich führende elektromagnetische Bauteil zum nacheilenden Element, so kehrt sich die Leistungsübertragungsrichtung um, und die Einrichtung arbeitet rückspeisend.

In der mechanisch-mechanischen Übertragungsart der Ausführungsformen stellt sich der Phasenwinkel zwischen den Magnetfeldern auf einen Winkel ein, der durch die Eingangs- und Lastzustände bestimmt ist. Im elektrisch-elektrischen Übertragungsmodus, in dem das kommutierte Bauteil ein Gleichstromläufer ist, kann man den Phasenwinkel zum Regeln der Ausgangsspannung der erzeugten Gleichstromleistung verwenden, wenn man den gedachten Kommutierungsrichtungsvektor so regelt, dass er sich synchron zum Leistungsmagnetfeld der elektromagnetischen Baugruppe dreht. Betreibt man dagegen den Richtungsvektor asynchron zum Leistungsmagnetfeld, dann erzeugt die Einrichtung einfach eine einphasige elektrische Wechselstromleistung. Dabei ist unterstellt, dass der Gleichstromläufer nur ein Paar Kommutatorbürsten bzw. ihr leistungselektronisches Äquivalent aufweist, um die erzeugte elektrische Leistung aufzunehmen. Um eine derartige Phasenwinkelregelung zu erleichtern, kann man geeignete Regelvorrichtungen bereitstellen und in das rotierende Kommutatorsystem integrieren.

Arbeitet man in der elektrisch-elektrischen Leistungsübertragungsart, so ist jede der anwendbaren Ausführungsformen nach Fig. 22-27 tatsächlich ein Frequenzumsetzer, der im wesentlichen als Transformator arbeitet. Die Winkelgeschwindigkeit des gedachten Kommutierungsrichtungsvektors des rotierenden Kommutators 320 kann man als Regelparameter zum Bestimmen der Frequenz der abgegebenen Wechselstromleistung verwenden. Regelt man den Richtungsvektor synchron zur Drehung des antreibenden Magnetfelds des zweiten elektromagnetischen Bauteils 312, so ist die abgegebene elektrische Leistung, die von der elektrischen Zuleitung 332 _E geliefert wird, die über den rotierenden Kommutator 320 angeschlossen ist, eine Wechselstromleistung mit der Wechselfrequenz null, d. h., es ist eine elektrische Gleichstromleistung.

Regelt man den gedachten Kommutierungsrichtungsvektor jedoch so, dass er sich mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht, die entweder schneller oder langsamer ist als das sich drehende Magnetfeld der elektromagnetischen Baugruppe 312, so ist die Frequenz der Wechselstromleistung, die der rotierende Kommutator 320 von dem kommutierten Bauteil 311 aufnimmt, die Differenz der beiden Winkelgeschwindigkeiten. In diesem Fall wird die Einrichtung zu einem mehrphasigen Frequenzumsetzer, der eine mehrphasige elektrische Wechselstromlei­ stung mit einer Eingangsfrequenz in eine andere Wechselstromleistung mit einer Ausgangsfre­ quenz umsetzen kann, die sich von der Eingangsfrequenz unterscheidet.

Betreibt man die in Fig. 21 beispielhaft angegebene Einrichtung, d. h. jede der besonderen Ausführungsformen nach Fig. 22-27 in der mechanisch-mechanischen und der elektrisch-mechanischen Leistungsübertragungsart, so zeigt die Einrichtung eine innewohnende Neigung zur automatischen Beschleunigung, wenn der Eingang der Einrichtung mechanische oder elektrische Leistung aufnimmt. Die von der Einrichtung aufgenommene Leistung wird übertragen und an die äußere mechanische Last geliefert, die entlang des Übersetzungsver­ hältnisdiagramms in Fig. 20 beschleunigt, wenn man voraussetzt dass die äußere Leistungsquelle die Einrichtung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit antreibt. Im Fall der elektrisch-mechanischen Leistungsübertragung ist dies eine vorteilhafte Charakteristik, die sich für Fahrzeuge und industrieelektrische Antriebsanwendungen eignet. Im Fall der mechanisch-me­ chanischen Leistungsübertragung ist diese Tendenz genauso vorteilhaft wie bei der beschriebenen mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrich­ tung.

In den in Fig. 22-27 skizzierten und oben beschriebenen Ausführungsformen kann der rotierende Kommutator, der mit dem elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittel zu einer Einheit verbunden ist, entweder ein mechanischer oder ein leistungselektronischer rotierender Kommutator sein. Der mechanische rotierende Kommutator zeigt einen relativ einfachen Aufbau, den man in das Leistungsübertragungsmittel integrieren kann, und der auch einfach zu betreiben ist. Mechanische rotierende Kommutatoren arbeiten jedoch mit einem Reibungskontakt zwischen den Kohlebürsten und dem Schleifring. Sie erfordern eine regelmäßige Wartung, um Schwierigkeiten durch Kurzschlüsse zu vermeiden oder zu verringern. Dagegen ist ein leistungselektronischer rotierender Kommutator, der auf leistungselektronischen Halbleiterschaltern beruht, komplizierter aufzubauen und in das System zu integrieren. Ein leistungselektronischer rotierender Kommutator ist jedoch einfacher in ein digitales Regelsystem einzubauen, so dass man die Leistungsübertragungseinrichtung digital betreiben kann. Zusätzlich entsteht bei leistungselektronischen rotierenden Kommutatoren keine Schwierigkeit durch den Kohlebürstenverschleiß. Fig. 28 und 29 zeigen jeweils beispielhaft einen mechanischen und einen leistungselektronischen rotierenden Kommutator für die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung.

Fig. 28 erläutert einen mechanischen rotierenden Kommutator, den man in die elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittel aufnehmen kann, die beispielhaft in den Ausführungsformen der Einrichtung nach Fig. 22-27 dargestellt sind. Die perspektivische Darstellung in Fig. 28 zeigt nur die Hauptbestandteile des mechanischen rotierenden Kommutators. Der mechanische rotierende Kommutator 320 _M besteht beispielsweise aus drei Paar Kohlebürsten und einem Bürstenkäfig. In der Zeichnung ist nur ein Bürstenpaar 321 dargestellt, das an der inneren Umfangsfläche des Bürstenkäfigs 322 befestigt ist. Die Anzahl der Kohlebürstenpaare hängt vom Aufbau des Läufers ab, den man als elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe 311 in den Ausführungsformen nach Fig. 22-27 verwendet. Ist der kommutierte Läufer 311 gleichstromerregt, so reicht ein einziges Kohlebürstenpaar. Muss der kommutierte Läufer 311 mit mehrphasigem Wechselstrom erregt werden, so sind mehr als ein Kohlebürstenpaar erforderlich.

Der Bürstenkäfig 322 ist ein Halterahmen, der als Träger für die Kohlebürsten dient. Der Bürstenkäfig 322 ist beispielsweise im wesentlichen in Form eines hohlen Zylinders aufgebaut. Jede der Kohlebürsten 321 ist an der inneren Umfangsfläche des Käfigs an der jeweils bezeichneten Stelle angebracht. Jede der Kohlebürsten 321 ist, z. B. durch Einsetzen in ein Gehäuse 323, am Käfig 322 befestigt. Jedes der Gehäuse 323 hat an der Innenfläche des Käfigs 322 eine Haltevorrichtung für seine zugehörige Kohlebürste 321. Eine Druckvorrichtung, beispielsweise eine Feder, die zwischen der Kohlebürste 321 und der Unterseite des Gehäuses 323 eingebaut ist, drückt die Kontaktfläche der Kohlebürste 321 gegen den Kommutatorring 315 des Läufers 311, wenn man den Käfig in die richtige Stellung im System einbaut. Die Druckvorrichtung ermöglicht es der Kohlebürste 321 auch, sich entlang der radialen Achse des Käfigs 322 nach innen zu bewegen, wenn sie durch längeren Betrieb bei Reibung verschlissen ist.

Der hohle Mittelraum im Bürstenkäfig 322 des rotierenden Kommutators 320 _M nimmt die Welle 332 _M und den Kommutatorring 315 des Läufers 311 auf. Nach dem richtigen Zusammenbau ist jede im Käfig 322 gehaltene Bürste 321 mit der Kommutierungsfläche des Kommutatorrings 315 ausgerichtet und erlaubt den Druckkontakt der Bürste 321 mit dem Kommutatorring 315, und zwar an ihrem jeweiligen Entwurfsort, der mit den Orten der anderen Bürsten jeweils einen Zwischenwinkel einschließt.

Ist eine äußere elektrische Leistungsquelle zum Erregen des Läufers 311 der Einrichtung erforderlich, so kann man jedes der Kohlebürstengehäuse 323 elektrisch mit einem entsprechenden Schleifring 362 verbinden, der am äußeren Umfang des Bürstenkäfigs 322 befestigt ist. Dies ist durch die elektrische Verbindung 364 dargestellt, die die Wand des zylindrischen Körpers des Käfigs 322 durchdringt. Man verwendet die Schleifringe 362, weil sich der rotierende Kommutator 320 _M der erfindungsgemäßen Einrichtung selbst dreht. Anders ausgedrückt dreht sich bei Betrieb der Einrichtung der Bürstenkäfig 322 des rotierenden Kommutators 320 _M gegen das Gestell der Einrichtung. Elektrisch leitfähige Pfade, die aus den jeweiligen Kohlebürstengruppen 321, dem Bürstenkäfiggehäuse 323 und dem Schleifring 362 bestehen, kann man dazu verwenden, die Erregerleistung von der äußeren Erregerlei­ stungsquelle über den Kommutatorring 315 zu den Wicklungen 318 des Läufers 311 zu leiten.

Die Drehzahl des Bürstenkäfigs 322 des rotierenden Kommutators 320 _M steuert man gemäß einem Plan, der vom Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung abhängt. Die Drehzahl hängt auch von der Leistungsübertragungsart und der Art der betroffenen Leistung ab, beispielsweise der Frequenz der Wechselstromleistung. Fordert man, dass sich der rotierende Kommutator 320 _M so dreht, dass sich sein gedachter Kommutierungsrichtungsvektor, der durch eines der Kohlebürstenpaare bestimmt ist, asynchron zum Magnetfeld dreht, das die in Fig. 28 nicht dargestellte elektromagnetische Baugruppe erzeugt, so ist normalerweise ein geregelter Drehantrieb erforderlich, der den Bürstenkäfig 322 für die Drehung gemäß dem Dreh­ zahlregelplan antreibt.

Liegt der Sonderfall vor, dass sich der rotierende Kommutator 320 _M synchron zum physikalischen Körper der elektromagnetischen Baugruppe 312 des nichtkommutierten Elements drehen soll, so kann man den Bürstenkäfig 322 einfach am physikalischen Körper der Baugruppe 312 befestigen, so dass sich die beiden Teile zusammen synchron drehen. Beispielsweise kann man in der Ausführungsform nach Fig. 27, in der Permanentmagnete 316 des nichtkommutierten Bauteils 312 zum Erzeugen des ersten Magnetfelds verwendet werden, den Bürstenkäfig 322 direkt am Gestell des Elements 312 befestigen.

Fig. 29 zeigt den Schaltplan eines leistungselektronischen rotierenden Kommutators, den man in die elektromagnetischen Umsetzungen der Einrichtung aufnehmen kann, die in den Ausführungsformen nach Fig. 22-27 beispielhaft angegeben sind. Der leistungs­ elektronische rotierende Kommutator 320 _E besteht aus einem Halbleiterschalterfeld 325 und einer Steuerlogik 328. Der Halbleiterkommutator 320 _E kann sich auf dem physikalischen Körper des kommutierten Elements 311 in Fig. 22-27 befinden, so dass man seine Halbleiterschalter 325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . . und 325 _NA-325 _ND mit den Wicklungen 319 ₁, 319 ₂, . . . und 319 _N des Elements 311 verbinden kann, die im Schaltplan als Wicklungsfeld 319 angeordnet dargestellt sind, um das zur Erregung erforderliche Schaltschema herzustellen. Dabei wurde vorausgesetzt, dass insgesamt N Wicklungen auf das kommutierte Element 311 gewickelt sind. Das Schalterfeld 325 dient der Zufuhr der elektrischen Erregerleistung zu den Wicklungen 319 ₁, 319 ₂, . . . und 319 _N des kommutierten Bauteils 311. Wird die Erregerleistungsquelle außerhalb der Einrichtung bereitgestellt, kann man ein Schleifringpaar 362 dazu verwenden, die Erregung aus der äußeren Leistungsquelle 381 über ihre entsprechenden Kohlebürsten 361 aufzunehmen.

Das durch das Schalterfeld 325 ausgeführte Schaltschema wird durch die Steuerlogik 328 gesteuert. Die Steuerlogik 328 setzt ihren Steuerplan abhängig von der Winkelgeschwindig­ keit und der Stellung des Magnetfelds um, das die nichtkommutierte elektromagnetische Baugruppe 312 erzeugt. Die Winkellage und die Drehzahl des Magnetfelds, das die Baugruppe 312 aufbaut, kann man mit einer Sensoranordnung 327 erfassen, die man beispielsweise mit einer photoelektrischen Kopplung mit der Steuerlogik 328 verbinden kann, damit diese die erfassten Signale erhält.

Im abgebildeten Schaltungsbeispiel nach Fig. 29 ist der leistungselektronische rotierende Kommutator 320 _E in seiner Funktion einem mechanischen Gegenstück gleichwertig, das ein einzelnes Bürstenpaar aufweist und mit Gleichstrom erregt wird, siehe den Kommutator in Fig. 28. Eine äußere Gleichstrom-Leistungsquelle 381 liefert die elektrische Erregerleistung durch den rotierenden Reibkontakt der Schleifringe 362 und ihrer entsprechenden Kohlebürsten 361. Die Halbleiterschalter in der Schaltergruppe 325 sind in zwei Gruppen gegliedert, nämlich in die positive Gruppe 32 _P und in die negative Gruppe 325 _N, wobei jede Gruppe die Hälfte der Gesamtschalteranzahl enthält. Jede der Wicklungen 319 ₁, 319 ₂, . . . und 319 _N des kommutierten Elements 311 hat zwei Anschlüsse, die man geschaltet an die Erregerlei­ stungsquelle 381 anschließen muss. Jeden der beiden Anschlüsse muss man mit Hilfe des Schaltschemas, das die Steuerlogik 328 überwacht, sowohl an den positiven wie auch an den negativen Anschluss der Erregerleistungsquelle 381 schalten. Setzt man den Gebrauch von SCRs (Silicon-Controlled Rectifier, Siliziumthyristor) als Halbleiterschalterbauteil voraus, so sind für jeden Wicklungsanschluss des kommutierten Bauteils 311 zwei Siliziumthyristoren erforderlich, die mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss der Leistungsquelle 381 verbunden sind, damit ein geschlossener Schaltkreis entsteht und die Erregung erfolgen kann. Für insgesamt N Wicklungen in der Gruppe 319 sind also im beschriebenen Beispiel 4N Siliziumthyristoren im Schalterfeld 325 erforderlich.

Man betrachte nun die Wicklung 319 ₁ in der Wicklungsgruppe 319. Einer ihrer beiden Anschlüsse 319 _1A kann über die Siliziumthyristoren 325 _1A bzw. 325 _1D mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss der Erregerleistungsquelle 381 verbunden werden. Der andere Anschluss 319 _1B kann ebenfalls über die Siliziumthyristoren 325 _1B bzw. 325 _1D mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss verbunden werden. Soll der Anschluss 319 _1A der Wicklung 319 ₁ mit dem positiven Anschluss und der Anschluss 319 _1B mit dem negativen Anschluss verbunden werden, so schaltet die Steuerlogik 328 die Siliziumthyristoren 325 _1A bzw. 325 _1D gleichzeitig ein, indem sie über den Triggersignalbus 326 entsprechende Gatesignale an diese beiden Siliziumthyristoren sendet. Soll der Anschluss 319 _1A mit dem negativen Anschluss und der Anschluss 319 _1B mit dem positiven Anschluss verbunden werden, so werden die Siliziumthyris­ toren 325 _1C bzw. 325 _1B gleichzeitig eingeschaltet. Alle anderen Wicklungen 319 ₂-319 _N in der Gruppe 319 werden durch ähnliche Schaltschemas mit ihren jeweiligen Siliziumthyristoren verbunden und gesteuert. Abhängig vom Entwurf können mehr als eine Wicklung in der Gruppe 319 gleichzeitig erregt werden. Unabhängig von der erforderlichen Schaltfolge und dem entsprechenden Steuerplan kann man die Steuerlogik 328 stets geeignet programmieren, so dass sie die passenden Einschalt- und Ausschaltzustände aller Siliziumthyristoren im Schalterfeld 325 steuert.

Ähnlich wie bei der mechanischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung gibt es Fälle, in denen die antreibende und die angetriebene Rolle der beiden elektromagnetischen Bauteile des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels innerhalb der gleichen Anordnung für eine besondere erfindungsgemäße Einrichtung vertauscht sind. Dies erlaubt, verglichen mit dem Fall, in der die Einrichtung in der normalen Leistungsflussrichtung vom Eingang zum Ausgang arbeitet, eine umgekehrte Leistungsflussrichtung. Dies ist aufgrund des gleichen Prinzips wie bei herkömmlichen elektrischen Maschinen möglich, bei denen sich ein Motor leicht in einen Generator verwandelt, wenn die Last die Läuferwelle antreibt, die ursprünglich mechanische Leistung geliefert hat.

Man betrachte nun z. B. den Fall, in dem die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 23 im elektrisch-mechanischen Leistungsüber­ tragungsmodus betrieben wird. In der Einrichtung nach Fig. 23 ist die elektromagnetische Baugruppe 312 eine mehrphasige Wicklung, die auf ihren physikalischen Körper gewickelt ist; dieser ist stationär befestigt. Die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wick­ lungsbaugruppe 311 ist ein Gleichstromläufer, der seine Erregung über den rotierenden Kommutator 320 empfängt. Es sei angenommen, dass der rotierende Kommutator 320 ein mechanischer rotierender Kommutator ist, der ein einziges Kohlebürstenpaar besitzt.

Speist die äußere elektrische Leistungsquelle eine Erregerleistung in die mehrphasige Wicklung der Baugruppe 312 ein, so baut sie ein Magnetfeld mit einer Winkelgeschwindigkeit auf, das durch die Frequenz der äußeren elektrischen Leistungsquelle bestimmt ist. Dieses Magnetfeld treibt das kommutierte Bauteil 311 an durch die Wechselwirkung mit dem anderen Magnetfeld, das das Element 311 aufbaut, dessen Erregung über den rotierenden Kommutator 320 eingespeist wird. Der gedachte Kommutierungsrichtungsvektor des rotierenden Kommutators 320, d. h. in diesem Fall die Durchmesserachse des Bürstenpaars, dreht sich synchron zum Magnetfeld der elektromagnetischen Baugruppe. Anders gesagt dreht er sich mit der Winkelgeschwindigkeit, die aus der Frequenz der äußeren elektrischen Leistungsquelle entsteht. Wie beschrieben kann dadurch die Ausgangswelle 332 _M der Einrichtung, d. h. die Welle des kommutierten Bauteils 311, die äußere mechanische Last mit jeder beliebigen Drehzahl auf der Übersetzungsverhältnisachse in Fig. 20 antreiben.

Wird die mechanische Last zu einer mechanischen Leistungsquelle, die die Drehwelle 332 _M des kommutierten Bauteils 311 antreibt, so kann die mehrphasige Wicklung der elektromagnetischen Baugruppe 312 nun eine mehrphasige Wechselstromleistung erzeugen und eine elektrische Lastantreiben, die mit ihr verbunden ist. Die zurückgewonnene elektrische Wechselstromleistung kann man unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit der mechanischen Leistungsquelle, die nun an der Drehwelle des kommutierten Bauteils 311 vorliegt, auf die Frequenz der ursprünglichen elektrischen Leistungsquelle regeln. Dies läßt sich einfach dadurch erreichen, dass man die Winkelgeschwindigkeit des gedachten Kommutierungsrichtungsvektors auf die besondere Winkelgeschwindigkeit der ursprünglichen elektrischen Leistungsquelle regelt. Man kann die zurückgewonnene Wechselstromleistung auch so regeln, dass sie mit der ursprünglichen äußeren elektrischen Leistungsquelle in Phase ist, und zwar einfach dadurch, dass man den Kommutierungsrichtungsvektor so regelt, dass er einen erforderlichen Phasenwinkel bezüglich des sich drehenden Magnetfelds der ursprünglichen Leistungsquelle aufweist.

Die Fähigkeit, elektrische Wechselstromleistung zurückzugewinnen, ist bei vielen Transport- und Industrieanwendungen nützlich. Man betrachte beispielsweise den Fall, dass die beschriebene elektromagnetische Umsetzung nach Fig. 23 als Antriebsmotor einer Eisenbahnlokomotive verwendet wird, der im normalen elektrisch-mechanischen Lei­ stungsübertragungsmodus arbeitet. Das elektrische System eines solchen Nutzbrem­ sungs-Antriebsmotors ist in Fig. 30 dargestellt.

Man nehme an, dass die mehrphasige Wicklung der elektromagnetischen Baugruppe 312 ein Zweiphasensystem ist, das auf das stationäre Gestell der Einrichtung gewickelt ist. Auf dem Rotor sei ein Gleichstromläufer 311 für die elektromagnetische Magnetisierungsumver­ teilungs-Wicklungsbaugruppe aufgebaut. Die Zeichnung zeigt skizzenhaft, dass der Rotor des Gleichstromläufers 311 über ein Getriebesystem mit den Antriebsrädern des Eisenbahnwagens verbunden ist, der die mechanische Last 382 des Systems darstellt. Die elektrische Leistungsquelle 381 für elektrifizierte Züge, die über einen Scherenstromabnehmer 386 aus der Oberleitung 385 einspeist, ist ein Einphasenwechselstrom. Die zweite Phase mit 90 Grad Phasenverschiebung ist jedoch leicht zu erhalten. Man kann sie aus einem Transformator 387 mit dem Übersetzungsverhältnis eins gewinnen, den man aus der Einphasen-Wechselstromquelle 381 speist. Dieses Eisenbahn-Antriebssystem arbeitet in der oben beschriebenen Weise im elektrisch-mechanischen Leistungsübertragungsmodus, und entnimmt den Einphasen-Netz­ wechselstrom des Energieversorgungsunternehmens zum Antrieb des Zugs oder zum Befahren von Steigungen.

Man betrachte nun den Fall, dass der Zug bremst oder eine Steigung hinunter fährt. Der kommutierte Rotor 311 wird nun von der kinetischen oder potentiellen Energie des Zugs angetrieben. Setzt man das beschriebene Regelverfahren mit Hilfe der Systemsteuerlogik 380 um, so kann man das System nach Fig. 30, das auf der elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung beruht, nun inderumgekehrten Leistungsflussrichtung betreiben. Die mechanische Leistung ist nun nutzbar, und man kann sie über den Oberleitungs-Sche­ renstromabnehmer 386 des Zugs direkt in das Verteilernetz 385 des Energieversor­ gungsunternehmens zurückspeisen. Diese Nutzbremsung ist möglich, da alle Parameter der zurückgewonnenen Wechselstromleistung einschließlich der Frequenz, der Phase und der Spannung so regelbar sind, dass sie zum Wechselstrom des Energieversorgungsunternehmens passen, der im Verteilernetz vorliegt.

Zusätzlich zum Nutzbremsungsantrieb bei elektrifizierten Eisenbahnen kann die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrichtung in ähnlicher Weise wie in Fig. 30 auch für andere Anwendungen geeignet sein, z. B. für die kombinierte Energieer­ zeugung und die Energieerzeugung in Windturbinen.

Sowohl die mechanische Leistung, die in der Dampfturbine einer Anlage zur kombinierten Energieerzeugung erzeugt wird, als auch die in der Windturbine einer Windkraftanlage erzeugte mechanisch Leistung ändert ihre Charakteristik in der gleichen Weise wie die Leistung, die ein Eisenbahnzug beim Bremsen und beim Befahren eines Gefälles erzeugt. Eine gemeinsame Anforderung für diese Anwendungen besteht darin, dass die erzeugte elektrische Wechselstrom­ leistung mit der Leistung im Energieversorgungsnetz verträglich sein muss. Erreicht man dies nicht, so würden hochfrequente Oberschwingungen im Energieversorgungsnetz entstehen, die die nahegelegenen Betriebsmittel und angeschlossenen Anlagen zerstören könnten.

Die elektromagnetischen Umsetzungen der erfindungsgemäßen Einrichtung für die kombinierte Energieerzeugung und die Windkraft-Energieerzeugung arbeiten üblicherweise nur in einer Leistungsflussrichtung, d. h. im mechanisch-elektrischen Übertragungsmodus. Das elektrische System einer elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung, die sich als elektrischer Generator für eine Anlage zur kombinierten Energieerzeugung oder ein Windturbinen-Generatorsystem eignet, ist der in Fig. 30 dargestellten Umsetzung sehr ähnlich. Obwohl sie hier nicht beschrieben sind, gibt es viele weitere Anwendungen, bei denen die einfache Rückgewinnungssteuerung der elektromagneti­ schen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung vorteilhaft ist.

Für praktische Belange kann man die Erregerleistungsquelle, die für eines der elektromagnetischen Wechselwirkungsbauteile (oder für beide Bauteile) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels in unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung erforderlich ist, direkt in die Einrichtung selbst aufnehmen. Beispielsweise kann man die Gleichstromer­ regungs-Leistungsquelle, deren Nennleistung bezogen auf die Hauptleistungsquelle wesentlich kleiner ist, durch einen Gleichstromgenerator erzeugen, der direkt in die Einrichtung integriert ist.

Ähnlich wie bei herkömmlichen elektrischen Maschinen baut man die elektromagnetische Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung bevorzugt als Gerät auf, das ein hohles Gestellbauteil und ein zylindrisches Rotorelement besitzt. Beim Zusammenbau kann man das zylindrische Rotorelement in den Hohlraum des Gestellbauteils einsetzen. Damit kann in der elektromagnetischen Umsetzung der Einrichtung nach Fig. 21 die elektromagnetische Baugruppe 312 als zylindrisches Hohlgestellbauteil ausgeführt sein, und die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe 311 kann als zylindrisches Rotorelement ausgebildet sein. Beide Bauteile können so gehalten werden, dass ihre jeweiligen symmetrischen Längsachsen miteinander zusammenfallen. Das Rotorelement ordnet man innerhalb des Hohlraums des Gestellbauteils so an, dass sich sowohl der Rotor als auch das Gestell bezüglich der zusammenfallenden Achsen und gegeneinander drehen können. Dies ist eine bevorzugte Anordnung für diejenigen erfindungsgemäßen Einrichtungen, bei denen ein mechanischer rotierender Kommutator zum Einsatz kommt.

Es ist dagegen auch möglich, eine Einrichtung zu konstruieren, bei der die Bauweise bezüglich der Anordnung nach Fig. 21 umgekehrt ist. In einer derartigen Bauweise baut man die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe 311 als zylindrisches Hohlgestellbauteil auf, und die elektromagnetische Baugruppe 312 bildet man als zylindrisches Rotorelement aus. Anders ausgedrückt wird das Gestellbauteil zu dem Element, das der rotierende Kommutator kommutiert. Diese Anordnung kann sich für elektromagnetische Umsetzungen der Erfindung eignen, bei denen man einen leistungselektronischen rotierenden Kommutator verwendet.

Obwohl die Erfindung sehr ausführlich mit Bezug auf gewisse bevorzugte Versionen beschrieben wurde, sind andere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise kann in der elektromagnetischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungseinrichtung das verwendete elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel einen Scheibenläuferaufbau verwenden, bei dem die Wechselwirkung zwischen den beiden elektromagnetischen Bauteilen entlang der Scheibenoberflächen erfolgt und nicht entlang des zylindrischen Umfangs wie bei der Hohlzylinderanordnung. Zudem kann man für die mechanische Umsetzung der Leistungsübertragungseinrichtung mit parallelachsiger Anordnung eine Kopplung mit festem Verhältnis dazu verwenden, das Leistungsübertragungsmittel mit veränderlicher Drehzahl zu ersetzen, das in das Epizykloidengetriebe integriert ist. Wählt man das Übersetzungsverhältnis dieser Kopplung mit festem Verhältnis nahe am Punkt C auf der Drehzahllinie 103 des angetriebenen Bauteils in Fig. 5-7 und 8-10, so wird die entstehende Leistungsübertragungs­ einrichtung ein Getriebe mit großem Übersetzungsverhältnis. Ein derartiges Getriebe mit großem Übersetzungsverhältnis ist einfach aufzubauen und kann große Leistungen übertragen. Daher sollte der Bereich der beigefügten Ansprüche nicht auf die hier enthaltene Beschreibung der bevorzugten Versionen beschränkt werden.

Claims (58)

1. Leistungsübertragungseinrichtung (100, 200, 300) zum Übertragen von Leistung, wobei die Einrichtung einen Eingang (131, 231, 331) hat, über den sie Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und einen Ausgang (132, 232, 332), über den sie Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, umfassend:
ein Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310), das ein erstes Übertragungs-Wech­ selwirkungsbauteil (111, 211, 311) und ein zweites Übertragungs-Wechsel­ wirkungsbauteil (112, 212, 312) enthält, wobei das Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310) an den Eingang (131, 231, 331) angeschlossen ist und die äußere Leistung mit einer Eingangswinkelgeschwindigkeit aufnimmt, und das erste (111, 211, 311) und das zweite (112, 212, 312) Übertragungs-Wechselwirkungsbauteil jeweils bei einer ersten und einer zweiten Winkelgeschwindigkeit arbeitet, um Leistung durch die Wechselwirkung zwischen dem ersten (111, 211, 311) und dem zweiten (112, 212, 312) Lei­ stungsübertragungs-Wechselwirkungsbauteil zu übertragen; und
eine Übertragungs-Wechselwirkungs-Umverteilungsvorrichtung (120, 220, 320), die mit dem Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310) und dem Ausgang (132, 232, 332) zu einer Einheit verbunden ist, wobei die Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310), das bei der ersten und bei der zweiten Winkelgeschwindigkeit arbeitet, von der Übertragungs-Wechselwirkungs-Umver­ teilungsvorrichtung (120, 220, 320) auf den Ausgang (132, 232, 332) umverteilt wird, und der Ausgang (132, 232, 332) die Leistung mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert.

2. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Eingang (131, 231, 331) eine sich drehende Welle ist, die von der äußeren Leistungsquelle (181, 381) eingegebene mechanische Leistung aufnimmt, und der Ausgang (132, 232, 332) eine sich drehende Welle ist, die mechanische Leistung an die äußere Last (182, 382) liefert.

3. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Eingang (331) eine elektrische Zuleitung ist, die von der äußeren Leistungsquelle (381) eingegebene elektrische Leistung aufnimmt, und der Ausgang (132, 232, 332) eine sich drehende Welle ist, die mechanische Leistung an die äußere Last (182, 382) liefert.

4. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Eingang (131, 231, 331) eine sich drehende Welle ist, die von der äußeren Leistungsquelle (181, 381) eingegebene mechanische Leistung aufnimmt, und der Ausgang (332) eine elektrische Zuleitung ist, die elektrische Leistung an die äußere Last (382) liefert.

5. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Eingang (331) eine elektrische Zuleitung ist, die von der äußeren Leistungsquelle (381) eingegebene elektrische Leistung aufnimmt, und der Ausgang (332) eine elektrische Zuleitung ist, die elektrische Leistung an die äußere Last (382) liefert.

6. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Übertragungs-Wech­ selwirkungs-Umverteilungsvorrichtung (120, 220) ein mechanisches Mittel zum mechanischen Umverteilen der Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des Leistungsübertragungsmittels (110, 210) auf den Ausgang (132, 232) ist, und ein ausgewählter Abschnitt des Arbeitsdrehzahlbereichs des Leistungsübertragungsmittels (110, 210) auf den vollen Drehzahlbereich der Einrichtung einschließlich des Stillstands abgebildet wird.

7. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Übertragungs-Wech­ selwirkungs-Umverteilungsvorrichtung (320) ein elektrisches Mittel zum elektrischen Umverteilen der Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des Leistungsübertragungsmit­ tels (310) auf den Ausgang (332) ist, und ein ausgewählter Abschnitt des Arbeitsdreh­ zahlbereichs des Leistungsübertragungsmittels (310) auf den vollen Drehzahlbereich der Einrichtung einschließlich des Stillstands abgebildet wird.

8. Leistungsübertragungseinrichtung (100, 200, 300) zum Übertragen von Leistung, wobei die Einrichtung eine Eingangswelle (131, 232, 331) hat, über die sie Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und eine Ausgangswelle (132, 232, 332), über die sie Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, umfassend:
ein Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310), das ein antreibendes Bauteil (111, 211, 311) und ein angetriebenes Bauteil (112, 212, 312) enthält, wobei das Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310) an die Eingangswelle (131, 231, 331) angeschlossen ist und die äußere mechanische Leistung mit einer Eingangswinkel­ geschwindigkeit aufnimmt, und das antreibende (111, 211, 311) und das angetriebene Bauteil (112, 212, 312) jeweils mit einer antreibenden und einer angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeiten und die mechanische Leistung durch die Wechselwirkung zwischen dem antreibenden (111, 211, 311) und dem angetriebenen (112, 212, 312) Bauteil übertragen; und
ein Epizykloidengetriebe (220), dasein erstes Zahnrad (221), ein zweites Zahnrad (222) und ein drittes Zahnrad (223) enthält, wobei sich das zweite Zahnrad (222) in der gleichen Drehrichtung dreht wie das dritte Zahnrad (223) und mit einer kleineren Winkelgeschwindigkeit als das dritte Zahnrad (223), wenn das dritte Zahnrad (223) angetrieben und das erste Zahnrad (221) stationär gehalten wird, und das dritte Zahnrad (223) mit dem antreibenden Bauteil (111, 211, 311) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist, und das erste Zahnrad (221) mit der Ausgangswelle (132, 232, 332) verbunden ist, und die Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310), das bei der antreibenden und bei der angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeitet, durch das Epizykloidengetriebe (220) auf die Ausgangswelle (132, 232, 332) umverteilt wird, und die Ausgangswelle (132, 232, 332) die mechanische Leistung mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert.

9. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Epizykloidengetriebe (220) ein Planetengetriebe ist.

10. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Epizykloidengetriebe (220) ein Stirnrad-Planetengetriebe ist.

11. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Epizykloidengetriebe (220) ein Differentialgetriebe ist.

12. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Epizykloidengetriebe (220) ein Planetengetriebe ist, umfassend ein Sonnenrad, ein Trägerrad, das eine Anzahl Ritzel trägt, und ein Ringrad, und das erste (221), zweite (222) und dritte (223) Zahnrad des Epizykloidengetriebes (220) jeweils das Sonnenrad, das Trägerrad und das Ringrad des Planetengetriebes sind.

13. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Epizykloidengetriebe (220) ein Planetengetriebe ist, umfassend ein Sonnenrad, ein Trägerrad, das eine Anzahl Ritzel trägt, und ein Ringrad, und das erste (221), zweite (222) und dritte (223) Zahnrad des Epizykloidengetriebes (220) jeweils das Ringrad, das Trägerrad und das Sonnenrad des Planetengetriebes sind.

14. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Epizykloidengetriebe (220) ein Stirnrad-Planetengetriebe ist, umfassend ein erstes Sonnenrad, ein Trägerrad, das eine Anzahl Ritzel trägt, und ein zweites Sonnenrad, und das erste Sonnenrad kleiner ist als das zweite Sonnenrad, und das erste (221), zweite (222) und dritte (223) Zahnrad des Epizykloidengetriebes (220) jeweils das erste Sonnenrad, das zweite Sonnenrad und das Trägerrad des Stirnrad-Planetengetriebes sind.

15. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Epizykloidengetriebe (220) ein Stirnrad-Planetengetriebe ist, umfassend ein erstes Sonnenrad, ein Trägerrad, das eine Anzahl Ritzel trägt, und ein zweites Sonnenrad, und das erste Sonnenrad kleiner ist als das zweite Sonnenrad, und das erste (221), zweite (222) und dritte (223) Zahnrad des Epizykloidengetriebes (220) jeweils das Trägerrad, das zweite Sonnenrad und das erste Sonnenrad des Stirnrad-Planetengetriebes sind.

16. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Epizykloidengetriebe (220) ein Differentialgetriebe ist, umfassend ein erstes Kegelrad, ein zweites Kegelrad und ein Trägerrad, das eine Anzahl Kegelritzel trägt, und das erste (221), zweite (222) und dritte Zahnrad (223) des Epizykloidengetriebes (220) jeweils das erste Kegelrad, das Trägerrad und das zweite Kegelrad des Differentialgetriebes sind.

17. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das dritte Zahnrad (223) des Epizykloidengetriebes (220) für eine synchrone Drehung mit dem antreibenden Bauteil (111, 211, 311) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist, und das zweite Zahnrad (222) des Epizykloidengetriebes (220) für eine synchrone Drehung mit dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist.

18. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das dritte Zahnrad (223) des Epizykloidengetriebes (220) für eine synchrone Drehung koaxial und direkt mit dem antreibenden Bauteil (111, 211, 311) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist, und das zweite Zahnrad (222) des Epizykloidengetriebes (220) für eine synchrone Drehung koaxial und direkt mit dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist.

19. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das dritte Zahnrad (223) und das zweite Zahnrad (222) des Epizykloidengetriebes (220) jeweils über eine erste und eine zweite Zahnradverbindung mit dem antreibenden Bauteil (111, 211, 311) und mit dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden sind.

20. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 19, wobei die erste und die zweite Zahnradverbindung das gleiche Zahnradverbindungs-Drehzahlverhältnis und die gleiche Zahnradverbindungs-Drehrichtung haben.

21. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das dritte Zahnrad (223) und das zweite Zahnrad (222) des Epizykloidengetriebes (220) jeweils über einen ersten und einen zweiten Riemenantrieb (240) mit dem antreibenden Bauteil (111, 211, 311) und mit dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden sind.

22. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 21, wobei der erste und der zweite Riemenantrieb (240) das gleiche Drehzahlverhältnis und die gleiche Drehrichtung aufweisen.

23. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei für eine Eingangswellen-Win­ kelgeschwindigkeit und eine entsprechende Ausgangswellen-Winkelgeschwindigkeit, die durch die an die Eingangswelle (131, 231, 331) gelieferte Leistung und den Lastzustand bestimmt sind, und zwar in einem Bereich, der im Stillstand beginnt und bis zu einem besonderen Prozentsatz der Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit in der gleichen Drehrichtung reicht, sowohl das antreibende Bauteil (111, 211, 311) als auch das angetriebene Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) bei Winkelgeschwindigkeiten arbeiten, die den Stillstand nicht enthalten.

24. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Eingangswelle (131, 231, 331) mit dem antreibenden Bauteil (111, 211, 311) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist.

25. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Eingangswelle (131, 231, 331) mit dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmit­ tels (110, 210, 310) verbunden ist.

26. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Leistungsübertragungsmit­ tel (110, 210, 310) ein Flüssigkeitskoppler ist.

27. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Leistungsübertragungsmit­ tel (110, 210, 310) ein Drehmomentwandler ist.

28. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Leistungsübertragungsmit­ tel (110, 210, 310) ein Generator-Motor-Satz ist, der einen elektrischen Generator und einen elektrischen Motor umfasst, wobei das antreibende Bauteil (111, 211, 311) der Generator und das angetriebene Bauteil (112, 212, 312) der Motor ist.

29. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Leistungsübertragungsmit­ tel (110, 210, 310) eine Induktionsmaschine ist, die eine Permanent­ magnet-Feldbaugruppe aufweist und einen Käfigläuferrotor.

30. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Leistungsübertragungsmit­ tel (110, 210, 310) eine Induktionsmaschine ist, die eine Käfigläufer-Feldbaugruppe aufweist und einen Permanentmagnetrotor.

31. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Leistungsübertragungsmit­ tel (110, 210, 310) ein Wirbelstromkoppler ist.

32. Leistungsübertragungseinrichtung (100, 200, 300) zum Übertragen von Leistung, wobei die Einrichtung eine Eingangswelle (131, 231, 331) hat, über die sie mechanische Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und eine Ausgangswelle (132, 232, 332), über die sie mechanische Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, und für eine Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit die Ausgangswelle (132, 232, 332) mit einer entsprechenden Winkelgeschwindigkeit arbeitet, und in einem Bereich, der im Stillstand beginnt und bis zu einem besonderen Prozentsatz der Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit in dergleichen Drehrichtung geht, umfassend:
ein Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310), das ein antreibendes Bauteil (111, 211, 311) und ein angetriebenes Bauteil (112, 212, 312) enthält, wobei das Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310) für eine synchrone Drehung an die Eingangswelle (131, 231, 331) angeschlossen ist und die äußere mechanische Leistung mit einer Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit aufnimmt, und das antreibende (111, 211, 311) und das angetriebene Bauteil (112, 212, 312) jeweils mit einer antreibenden und einer angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeiten und die mechanische Leistung durch die Wechselwirkung zwischen dem antreibenden (111, 211, 311) und dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) übertragen; und
ein Planetengetriebe, das ein Ringrad, ein Sonnenrad und ein Trägerrad umfasst, das eine Anzahl Ritzel trägt, wobei das Ringrad für eine synchrone Drehung mit dem antreibenden Bauteil (111, 211, 311) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist, das Trägerrad für eine synchrone Drehung mit dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist, und das Sonnenrad mit der Ausgangswelle (132, 232, 332) verbunden ist, wobei die Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310), das bei der antreibenden und bei der angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeitet, durch das Planetengetriebe (220) auf die Ausgangswelle (132, 232, 332) umverteilt wird, und die Ausgangswelle (132, 232, 332) die mechanische Leistung mit einer Ausgangswellen-Winkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert, und für die Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit und die entsprechende Ausgangswellen-Win­ kelgeschwindigkeit, die durch die Leistung an der Eingangswelle (131, 231, 331) und den Lastzustand im Drehzahlbereich bestimmt sind, sowohl das antreibende Bauteil (111, 211, 311) als auch das angetriebene Bauteil (112, 212, 312) des Lei­ stungsübertragungsmittels (110, 210, 310) bei Winkelgeschwindigkeiten arbeiten, die den Stillstand nicht enthalten.

33. Leistungsübertragungseinrichtung (100, 200, 300) zum Übertragen von Leistung, wobei die Einrichtung eine Eingangswelle (131, 231, 331) hat, über die sie mechanische Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und eine Ausgangswelle (132, 232, 332), über die sie mechanische Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, und für eine Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit die Ausgangswelle (132, 232, 332) mit einer entsprechenden Winkelgeschwindigkeit arbeitet, und in einem Bereich, der im Stillstand beginnt und bis zu einem besonderen Prozentsatz der Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit in der gleichen Drehrichtung reicht, umfassend:
ein Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310), dasein antreibendes Bauteil (111, 211, 311) und ein angetriebenes Bauteil (112, 212, 312) enthält, wobei das Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310) für eine synchrone Drehung an die Eingangswelle (131, 231, 331) angeschlossen ist und die äußere mechanische Leistung mit einer Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit aufnimmt, und das antreibende (111, 211, 311) und das angetriebene (112, 212, 312) Bauteil jeweils mit einer antreibenden und einer angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeiten und die mechanische Leistung durch die Wechselwirkung zwischen dem antreibenden (111, 211, 311) und dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) übertragen; und
ein Stirnrad-Planetengetriebe, das ein erstes Sonnenrad, ein Trägerrad, das eine Anzahl Ritzel trägt, und ein zweites Sonnenrad umfasst, wobei das erste Sonnenrad kleiner ist als das zweite Sonnenrad, und das Trägerrad mit dem antreibenden Bauteil (111, 211, 311) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) für eine synchrone Drehung verbunden ist, das zweite Sonnenrad mit dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) für eine synchrone Drehung verbunden ist, und das erste Sonnenrad mit der Ausgangswelle (132, 232, 332) verbunden ist, wobei die Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des Leistungsüber­ tragungsmittels (110, 210, 310), das bei der antreibenden und bei derangetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeitet, durch das Stirnrad-Planetengetriebe auf die Ausgangswelle (132, 232, 332) umverteilt wird, und die Ausgangswelle (132, 232, 332) die mechanische Leistung mit einer Ausgangswellen-Winkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert, und für die Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit und die entsprechende Ausgangswellen-Winkelgeschwindigkeit, die durch die Leistung an der Eingangswelle (131, 231, 331) und den Lastzustand im Drehzahlbereich bestimmt sind, sowohl das antreibende Bauteil (111, 211, 311) als auch das angetriebene Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) bei Winkelgeschwindigkeiten arbeiten, die den Stillstand nicht enthalten.

34. Leistungsübertragungseinrichtung (100, 200, 300) zum Übertragen von Leistung, wobei die Einrichtung eine Eingangswelle (131, 231, 331) hat, über die sie mechanische Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und eine Ausgangswelle (132, 232, 332), über die sie mechanische Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, und für eine Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit die Ausgangswelle (132, 232, 332) mit einer entsprechenden Winkelgeschwindigkeit arbeitet, und in einem Bereich, der im Stillstand beginnt und bis zu einem besonderen Prozentsatz der Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit in der gleichen Drehrichtung reicht, umfassend:
ein Leistungsübertragungsmittel (110, 210, 310), das ein antreibendes Bauteil (111, 211, 311) und ein angetriebenes Bauteil (112, 212, 312) enthält, wobei das Leistungsübertragungsmittel für eine synchrone Drehung an die Eingangswelle (131, 231, 331) angeschlossen ist und die äußere mechanische Leistung mit einer Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit aufnimmt, und das antreibende (111, 211, 311) und das angetriebene Bauteil (112, 212, 312) jeweils mit einer antreibenden und einer angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeiten und die mechanische Leistung durch die Wechselwirkung zwischen dem antreibenden (111, 211, 311) und dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) übertragen; und
ein Differentialgetriebe, das ein erstes Kegelrad, ein zweites Kegelrad und ein Trägerrad umfasst, das eine Anzahl Ritzel trägt, wobei das zweite Kegelrad für eine synchrone Drehung mit dem antreibenden Bauteil (111, 211, 311) des Leistungsüber­ tragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist, das Trägerrad für eine synchrone Drehung mit dem angetriebenen Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) verbunden ist, und das erste Kegelrad mit der Ausgangswelle (132, 232, 332) verbunden ist, wobei die Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des Leistungsüber­ tragungsmittels (110, 210, 310), das bei der antreibenden (111, 211, 311) und bei der angetriebenen Winkelgeschwindigkeit arbeitet, durch das Differentialgetriebe auf die Ausgangswelle (132, 232, 332) umverteilt wird, und die Ausgangswelle (132, 232, 332) die mechanische Leistung mit einerAusgangswellen-Winkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert, und für die Eingangswellen-Winkelgeschwindigkeit und die entsprechende Ausgangswellen-Winkelgeschwindigkeit, die durch die Leistung an der Eingangswelle (131, 231, 331) und den Lastzustand im Drehzahlbereich bestimmt sind, sowohl das antreibende Bauteil (111, 211, 311) als auch das angetriebene Bauteil (112, 212, 312) des Leistungsübertragungsmittels (110, 210, 310) bei Winkelgeschwindigkeiten arbeiten, die den Stillstand nicht enthalten.

35. Leistungsübertragungseinrichtung (100, 200, 300) zum Übertragen von Leistung, wobei die Einrichtung einen Eingang (131, 231, 331) hat, über den sie Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und einen Ausgang, über den sie Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, umfassend:
ein elektromagnetisches Leistungsübertragungsmittel (310), das ein erstes elektromagnetisches Bauteil (311) und ein zweites elektromagnetisches Bauteil (312) enthält, wobei das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel (310) die äußere Leistung mit einer Eingangswinkelgeschwindigkeit aufnimmt und das erste (311) und das zweite (312) elektromagnetische Bauteil jeweils mit einer ersten und einer zweiten Winkelgeschwindigkeit arbeiten und Leistung über die elektromagnetische Wechsel­ wirkung zwischen den Magnetfeldern übertragen, die jeweils das erste (311) und das zweite elektromagnetische (312) Bauteil aufbauen; und
einen rotierenden Kommutator (320) zum Magnetisieren des ersten elektromagnetischen Bauteils (311), wobei der rotierende Kommutator (320) mit dem ersten (311) und zweiten (312) elektromagnetischen Bauteil des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) zu einer Einheit verbunden ist, in der der rotierende Kommutator (320) zum Magnetisieren des ersten elektromagnetis­ chen Bauteils (311) mit einer Kommutierungswinkelgeschwindigkeit arbeitet und im ersten elektromagnetischen Bauteil (311) ein erstes sich drehendes Magnetfeld aufbaut, das sich mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht, die synchron zur Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das zweite elektromagnetische Bauteil (312) aufbaut, und die elektromagnetische Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310), das mit der synchronen Winkelgeschwindigkeit des ersten und des zweiten sich drehenden Magnetfelds arbeitet, durch den rotierenden Kommutator (320) auf den Ausgang umverteilt wird, und der Ausgang die Leistung aus dem elektromagnetischen Leistungsübertrogungsmittel (310) mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert.

36. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 35, worin
das erste elektromagnetische Bauteil (311) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) eine elektromagnetische Magnetisierungsumver­ teilungs-Wicklungsbaugruppe ist, die der rotierende Kommutator (320) zum Aufbauen des ersten sich drehenden Magnetfelds erregen kann; und
das zweite elektromagnetische Bauteil (312) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) eine elektromagnetische Baugruppe ist, die zum Aufbauen des zweiten sich drehenden Magnetfelds erregt werden kann.

37. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 36, wobei
die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe (311) ein Wechselstromläufer ist, der eine Anzahl elektrisch schaltbarer Wechselstromwicklun­ gen (318) enthält, und jede der elektrisch schaltbaren Wechselstromwicklungen (318) durch einen mehrphasigen Wechselstrom erregbar ist, den der rotierende Kommutator (320) in geordneter Weise liefert, um das erste sich drehende Magnetfeld aufzubauen,
die elektromagnetische Baugruppe (312) eine mehrphasige Wicklung ist, die durch einen mehrphasigen Wechselstrom erregt werden kann, um das zweite sich drehende Magnetfeld aufzubauen; und
die Kommutierungswinkelgeschwindigkeit des rotierenden Kommutators (320) asynchron zur Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das zweite elektromagnetische Bauteil (312) aufbaut, und die Kommutierungswinkel­ geschwindigkeit gleich der Differenz zwischen der Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds und der Winkelgeschwindigkeit des mehrphasigen Wechselstroms ist, den der rotierende Kommutator (320) in das erste elektromagnetische Bauteil (311) einspeist.

38. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 36, wobei
die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe (311) ein Gleichstromläufer ist, der eine Anzahl elektrisch schaltbarer Gleichstromwicklungen (319) enthält, und jede der elektrisch schaltbaren Gleichstromwicklungen (319) durch einen Gleichstrom erregbar ist, den der rotierende Kommutator (320) in geordneter Weise liefert, um das erste sich drehende Magnetfeld aufzubauen,
die elektromagnetische Baugruppe (312) eine mehrphasige Wicklung ist, die durch einen mehrphasigen Wechselstrom erregt werden kann, um das zweite sich drehende Magnetfeld aufzubauen; und
die Kommutierungswinkelgeschwindigkeit des rotierenden Kommutators (320) synchron zur Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das zweite elektromagnetische Bauteil (312) aufbaut.

39. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 36, wobei
die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe (311) ein Wechselstromläufer ist, der eine Anzahl elektrisch schaltbarer Wechselstromwicklun­ gen (318) enthält, und jede der elektrisch schaltbaren Wechselstromwicklungen (318) durch einen mehrphasigen Wechselstrom erregbar ist, den der rotierende Kommutator (320) in geordneter Weise liefert, um das erste sich drehende Magnetfeld aufzubauen,
die elektromagnetische Baugruppe (312) eine elektromagnetische Wicklung ist, die durch einen Gleichstrom erregt werden kann, um das zweite sich drehende Magnetfeld aufzubauen; und
die Kommutierungswinkelgeschwindigkeit des rotierenden Kommutators (320) asynchron zur Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das zweite elektromagnetische Bauteil (312) aufbaut, und die Kommutierungswinkel­ geschwindigkeit gleich der Differenz zwischen der Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds und der Winkelgeschwindigkeit des mehrphasigen Wechselstroms ist, den der rotierende Kommutator (320) in das erste elektromagnetische Bauteil (311) einspeist.

40. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 36, wobei
die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe (311) ein Gleichstromläufer ist, der eine Anzahl elektrisch schaltbarer Gleichstromwicklungen (319) enthält, und jede der elektrisch schaltbaren Gleichstromwicklungen (319) durch einen Gleichstrom erregbar ist, den der rotierende Kommutator (320) in geordneter Weise liefert, um das erste sich drehende Magnetfeld aufzubauen,
die elektromagnetische Baugruppe (312) eine elektromagnetische Wicklung ist, die durch einen Gleichstrom erregt werden kann, um das zweite sich drehende Magnetfeld aufzubauen; und
die Kommutierungswinkelgeschwindigkeit des rotierenden Kommutators (320) synchron zur Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das zweite elektromagnetische Bauteil (312) aufbaut.

41. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 36, wobei die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe (311) ein Wechselstromläufer ist, der eine Anzahl elektrisch schaltbarer Wechselstromwicklun­ gen (318) enthält, und jede der elektrisch schaltbaren Wechselstromwicklungen (318) durch einen mehrphasigen Wechselstrom erregbar ist, den der rotierende Kommutator (320) in geordneter Weise liefert, um das erste sich drehende Magnetfeld aufzubauen,
die elektromagnetische Baugruppe (312) eine Permanentmagnetbaugruppe ist, die ein zweites sich drehendes Magnetfeld aufbaut, wenn sie drehend angetrieben wird; und
die Kommutierungswinkelgeschwindigkeit des rotierenden Kommutators (320) asynchron zur Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das zweite elektromagnetische Bauteil (312) aufbaut, und die Kommutierungswinkel­ geschwindigkeit gleich der Differenz zwischen der Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds und der Winkelgeschwindigkeit des mehrphasigen Wechselstroms ist, den der rotierende Kommutator (320) in das erste elektromagnetische Bauteil (311) einspeist.

42. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 36, wobei
die elektromagnetische Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe (311) ein Gleichstromläufer ist, der eine Anzahl elektrisch schaltbarer Gleichstromwicklungen (319) enthält, und jede der elektrisch schaltbaren Gleichstromwicklungen (319) durch einen Gleichstrom erregbar ist, den der rotierende Kommutator (320) in geordneter Weise liefert, um das erste sich drehende Magnetfeld aufzubauen,
die elektromagnetische Baugruppe (312) eine Permanentmagnetbaugruppe ist, die ein zweites sich drehendes Magnetfeld aufbaut, wenn sie drehend angetrieben wird; und
die Kommutierungswinkelgeschwindigkeit des rotierenden Kommutators (320) synchron zur Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das zweite elektromagnetische Bauteil (312) aufbaut.

43. Leistungsübertragungseinrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 37 bis 42, wobei
der rotierende Kommutator (320) ein mechanischer rotierender Kommutator (320) ist, der einen Kommutatorbürstenkäfig (322) enthält und eine Anzahl Kommutatorbürsten­ paare (321), die der Kommutatorbürstenkäfig (322) hält, und
der Kommutatorbürstenkäfig (322) mit dem zweiten elektromagnetischen Bauteil (312) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) gekoppelt ist und die Anzahl Bürstenpaare (321) angetrieben wird, so dass sie sich mit der Kom­ mutierungswinkelgeschwindigkeit drehen, und sich das erste sich drehende Magnetfeld in der elektromagnetischen Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe des ersten elektromagnetischen Bauteils (311), das durch die elektrisch geschaltete Erregung aufgebaut wird, synchron zur Drehung des zweiten sich drehenden Magnetfelds dreht, das das zweite elektromagnetische Bauteil (312) aufbaut.

44. Leistungsübertragungseinrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 37 bis 42, wobei
der rotierende Kommutator (320) ein leistungselektronischer rotierender Halbleiterkom­ mutator (320 _E) ist, der einen Magnetfeld-Winkellagesensor (327) und ein lei­ stungselektronisches Schaltnetzwerk umfasst, das eine Anzahl Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) aufweist, und jeder Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) mit einer entsprechenden Wicklung (319 ₁, 319 ₂, 319 _N) der elektromagnetischen Magnetisierungsumverteilungs-Wicklungsbaugruppe des ersten elektromagnetischen Bauteils (311) verbunden ist, und
der Magnetfeld-Winkellagesensor (327) mit dem zweiten elektromagnetischen Bauteil des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) verbunden ist und die Winkellage des zweiten sich drehenden, aufgebauten Magnetfelds erfasst, und jeder der Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) des lei­ stungselektronischen Schaltnetzwerks elektrisch mit einer entsprechenden Wicklung (319 ₁, 319 ₂, . . ., 319 _N) der elektromagnetischen Magnetisierungsumverteilungs-Wick­ lungsbaugruppe verbunden ist, und das erfasste Signal, das die erfasste Winkellage des zweiten sich drehenden Magnetfelds darstellt, den Einschalt- bzw. Ausschaltzustand der Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) im Netzwerk einleitet und das erste sich drehende Magnetfeld synchron zur Drehung des zweiten sich drehenden Magnetfelds aufbaut, das das zweite elektromagnetische Bauteil (312) erzeugt.

45. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 35, wobei
das erste elektromagnetische Bauteil (311) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) mit dem Eingang (331) der Einrichtung verbunden ist; und
das zweite elektromagnetische Bauteil (312) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) mit dem Ausgang (332) der Einrichtung verbunden ist.

46. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 45, wobei die Einrichtung die umgekehrte Leistungsflussrichtung überträgt, wenn die äußere Last (182, 382) zu einer Leistungsquelle wird, und ein energienutzendes Mittel antreibt, das mit dem Eingang (131, 231, 331) der Einrichtung verbunden ist, um Energie aus der äußeren Last (182, 382) zurückzugewinnen.

47. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 35, wobei
das zweite elektromagnetische Bauteil (312) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) mit dem Eingang der Einrichtung (311) verbunden ist; und
das erste elektromagnetische Bauteil (311) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) mit dem Ausgang (312) der Einrichtung verbunden ist.

48. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 47, wobei die Einrichtung die umgekehrte Leistungsflussrichtung überträgt wenn die äußere Last (182, 382) zu einer Leistungsquelle wird, und ein energienutzendes Mittel antreibt, das mit dem Eingang (131, 231, 331) der Einrichtung verbunden ist, um Energie aus der äußeren Last (182, 382) zurückzugewinnen.

49. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 35, wobei
das erste elektromagnetische Bauteil (311) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) im wesentlichen die Form eines zylindrischen Rotors hat; und
das zweite elektromagnetische Bauteil (312) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels im wesentlichen die Form eines hohlzylindrischen Gestells hat, und
das erste (311) und das zweite (312) elektromagnetische Bauteil so gehalten sind, dass die symmetrischen Längsachsen der beiden Bauteile miteinander zusammenfallen und der Rotor innerhalb des Hohlraums des Gestells angeordnet ist, so dass sich sowohl der Rotor als auch das Gestell bezüglich der zusammenfallenden Achsen und gegeneinander drehen können.

50. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 35, wobei
das zweite elektromagnetische Bauteil (312) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) im wesentlichen die Form eines zylindrischen Rotors hat; und
das erste elektromagnetische Bauteil (311) des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310) im wesentlichen die Form eines hohlzylindrischen Gestells hat, und
das erste (311) und das zweite (312) elektromagnetische Bauteil so gehalten sind, dass die symmetrischen Längsachsen der beiden Bauteile miteinander zusammenfallen und der Rotor innerhalb des Hohlraums des Gestells angeordnet ist, so dass sich sowohl der Rotor als auch das Gestell bezüglich der zusammenfallenden Achsen und gegeneinander drehen können.

51. Leistungsübertragungseinrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 37 bis 42, wobei
der Eingang eine Drehwelle (331 _M) ist, die mit dem ersten elektromagnetischen Bauteil (311) verbunden ist und mechanische Leistung aufnimmt, die die äußere Leistungsquelle (181, 381) eingibt; und
der Ausgang eine Drehwelle (332 _M) ist, die mit dem zweiten elektromagnetischen Bauteil (312) verbunden ist und mechanische Leistung an die äußere Last (182, 382) abgibt.

52. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 37 oder 38, wobei
der Eingang eine elektrische Zuleitung (331 _E) ist, die mit dem ersten elektromagnetischen Bauteil (311) verbunden ist und elektrische Leistung aufnimmt, die die äußere Leistungsquelle (381) eingibt; und
der Ausgang eine Drehwelle (332 _M) ist, die mit dem zweiten elektromagnetischen Bauteil (312) verbunden ist und mechanische Leistung an die äußere Last (182, 382) abgibt.

53. Leistungsübertragungseinrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 37 bis 42, wobei
der Eingang eine Drehwelle (331 _M) ist, die mit dem ersten elektromagnetischen Bauteil (311) verbunden ist und mechanische Leistung aufnimmt, die die äußere Leistungsquelle (181, 381) eingibt; und
der Ausgang eine elektrische Zuleitung (332 _E) ist, die mit dem zweiten elektromagnetischen Bauteil (312) verbunden ist und elektrische Leistung an die äußere Last (382) abgibt.

54. Leistungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 37 oder 38, wobei
der Eingang eine elektrische Zuleitung (331 _E) ist, die mit dem ersten elektromagnetischen Bauteil (311) verbunden ist und elektrische Leistung aufnimmt, die die äußere Leistungsquelle (381) eingibt; und
der Ausgang eine elektrische Zuleitung (332 _E) ist, die mit dem zweiten elektromagnetischen Bauteil (312) verbunden ist und elektrische Leistung an die äußere Last (382) abgibt.

55. Mechanische Leistungsübertragungseinrichtung (200) zum Übertragen von mechanischer Leistung, wobei die Einrichtung eine Eingangswelle (131, 231, 331) hat, über die sie mechanische Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und eine Ausgangswelle (132, 232, 332), über die sie mechanische Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, umfassend:
ein elektromagnetisches Leistungsübertragungsmittel (310), das den Läufer einer elektrischen Gleichstrommaschine enthält und ein Permanentmagnet-Feldgestell, wobei der Läufer eine Anzahl Wicklungen (319) aufweist und einen Kommutatorring (315), und das Permanentmagnet-Feldgestell eine Anzahl Permanentmagnete (316) besitzt, die innerhalb des inneren Rands des Gestells befestigt sind und ein Magnetfeld aufbauen, und das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel (310) die äußere Leistung mit einer Eingangswinkelgeschwindigkeit empfängt, und der Läufer und das Permanentmagnet-Feldgestell jeweils bei einer ersten und einer zweiten Winkelgeschwin­ digkeit arbeiten, um Leistung durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern zu übertragen, die der Läufer bzw. das Permanentmagnet-Feldgestell aufbauen; und
einen rotierenden Kommutator (320) zum Magnetisieren des Läufers, wobei der Kommutator einen Kommutatorbürstenkäfig (322) und ein Paar Kommutatorbürsten (321) enthält, die der Kommutatorbürstenkäfig (322) trägt und der Kommutator­ bürstenkäfig (322) mit dem Permanentmagnet-Feldgestell verbunden ist, und das Bürstenpaar (321) den Kommutatorring (315) berührt und angetrieben wird, damit es sich dreht und ein erstes sich drehendes Magnetfeld in der Anzahl Wicklungen (319) des Läufers aufbaut, und sich das erste sich drehende Magnetfeld mit einer ersten Winkelgeschwindigkeit dreht, die synchron zur zweiten Winkelgeschwindigkeit eines zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das Permanentmagnet-Feldgestell aufbaut, und das Bürstenpaar (321) so angetrieben wird, dass es sich synchron zur Drehung des zweiten Magnetfelds dreht, und die elektromagnetische Leistungsübertragungs-Wech­ selwirkung deselektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310), das bei der synchronen Winkelgeschwindigkeit des ersten und des zweiten sich drehenden Magnetfelds arbeitet, vom rotierenden Kommutator (320) auf den Ausgang übertragen wird, und der Ausgang die Leistung aus dem elektromagnetischen Leistungsüber­ tragungsmittel (310) mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert.

56. Mechanische Leistungsübertragungseinrichtung (200) zum Übertragen von mechanischer Leistung, wobei die Einrichtung eine Eingangswelle (131, 231, 331) hat, über die sie mechanische Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und eine Ausgangswelle (132, 232, 332), über die sie mechanische Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, umfassend:
ein elektromagnetisches Leistungsübertragungsmittel (310), das einen magnetisierbaren Rotor enthält und ein Permanentmagnet-Feldgestell, wobei der magnetisierbare Rotor die Wicklungsbaugruppe eines Läufers einer elektrischen Gleichstrommaschine enthält und eine Anzahl Wicklungen (319) aufweist, und das Permanentmagnet-Feldgestell eine Anzahl Permanentmagnete (316) besitzt, die innerhalb des inneren Rands des Gestells befestigt sind und ein Magnetfeld aufbauen, und das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel (310) die äußere Leistung mit einer Eingangswinkelgeschwindigkeit empfängt, und der magnetisierbare Rotor und das Permanentmagnet-Feldgestell jeweils bei einer ersten und einer zweiten Winkelgeschwin­ digkeit arbeiten, um Leistung durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern zu übertragen, die der magnetisierbare Rotor bzw. das Per­ manentmagnet-Feldgestell aufbauen; und
einen leistungselektronischen Halbleiterkommutator (320 _E), der einen Magnetfeld-Win­ kellagesensor (327) und ein leistungselektronisches Schaltnetzwerk umfasst, das eine Anzahl Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) zum Magnetisieren des magnetisierbaren Rotors aufweist, wobei der Magnetfeld-Win­ kellagesensor (327) mit dem Permanentmagnet-Feldgestell gekoppelt ist und die Winkellage des aufgebauten Magnetfelds erfasst, und jeder der Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) des leistungselektronischen Schaltnetzwerks elektrisch mit den entsprechenden Wicklungen (319 ₁, 319 ₂, . . ., 319 _N) des magnetisier­ baren Rotors verbunden ist, und das erfasste Signal, das die erfasste Winkellage des Magnetfelds darstellt, den Einschalt- bzw. Ausschaltzustand der Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) im Netzwerk einleitet und das erste sich drehende Magnetfeld in der Wicklung des magnetisierbaren Rotors aufbaut, und sich das erste sich drehende Magnetfeld mit der ersten Winkelgeschwindigkeit dreht, die synchron zur zweiten Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das Permanentmagnet-Feldgestell aufbaut, und die elektromagnetische Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des elektromagnetischen Leistungsüber­ tragungsmittels (310), das bei der synchronen Winkelgeschwindigkeit des ersten und des zweiten sich drehenden Magnetfelds arbeitet, vom leistungselektronischen Halbleiterkommutator (320 _E) auf den Ausgang umverteilt wird, und der Ausgang die Leistung aus dem elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittel (310) mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert.

57. Mechanische Leistungsübertragungseinrichtung (200) zum Übertragen von mechanischer Leistung, wobei die Einrichtung eine Eingangswelle hat, über die sie mechanische Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und eine Ausgangswelle (132, 232, 332), über die sie mechanische Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, umfassend:
ein elektromagnetisches Leistungsübertragungsmittel (310), das den Läufer einer elektrischen Gleichstrommaschine enthält und ein elektromagnetisches Feldgestell, wobei der Läufer eine Anzahl Wicklungen (319) aufweist und einen Kommutatorring (315), und das elektromagnetische Feldgestell eine mehrphasige Wechselstromwicklung besitzt und eine elektrische Wechselstrommaschine, die einen Rotor und eine Feldwicklung aufweist, und ein mehrphasiger Wechselstrom, der sich in der verbundenen Wicklungsbaugruppe der Feldwicklung und der mehrphasigen Wechselstromwicklung aufbaut, ein Magnetfeld erzeugt, und das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel (310) die äußere Leistung mit einer Eingangswinkelgeschwindigkeit empfängt, und der Läufer und das elektromagnetische Feldgestell jeweils bei einer ersten und einer zweiten Winkelgeschwindigkeit arbeiten, um Leistung durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern zu übertragen, die der Läufer bzw. das elektromagnetische Feldgestell aufbauen; und
einen rotierenden Kommutator (320) zum Magnetisieren des Läufers, wobei der Kommutator einen Kommutatorbürstenkäfig (322) und ein Paar Kommutatorbürsten (321) enthält, die der Kommutatorbürstenkäfig (322) trägt, und der Kommutator­ bürstenkäfig (322) mit dem elektromagnetischen Feldgestell verbunden ist, und das Bürstenpaar (321) den Kommutatorring (315) berührt und angetrieben wird, damit es sich dreht und ein erstes sich drehendes Magnetfeld in der Anzahl Wicklungen des Läufers aufbaut, und sich das erste sich drehende Magnetfeld mit einer ersten Winkelgeschwindigkeit dreht, die synchron zur zweiten Winkelgeschwindigkeit eines zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das elektromagnetische Feldgestell aufbaut, und das Bürstenpaar (321) so angetrieben wird, dass es sich synchron zur Drehung des zweiten Magnetfelds dreht, und die elektromagnetische Leistungsübertragungs-Wech­ selwirkung des elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittels (310), das bei der synchronen Winkelgeschwindigkeit des ersten und des zweiten sich drehenden Magnetfelds arbeitet, vom rotierenden Kommutator (320) auf den Ausgang übertragen wird, und der Ausgang die Leistung aus dem elektromagnetischen Leistungs­ übertragungsmittel (310) mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert.

58. Mechanische Leistungsübertragungseinrichtung (200) zum Übertragen von mechanischer Leistung, wobei die Einrichtung eine Eingangswelle (131, 231, 331) hat, über die sie mechanische Leistung aus einer äußeren Leistungsquelle (181, 381) aufnimmt, und eine Ausgangswelle (132, 232, 332), über die sie mechanische Leistung an eine äußere Last (182, 382) liefert, umfassend:
ein elektromagnetisches Leistungsübertragungsmittel (310), das einen magnetisierbaren Rotor enthält und ein elektromagnetisches Feldgestell, wobei der magnetisierbare Rotor die Wicklungsbaugruppe eines Läufers einer elektrischen Gleichstrommaschine enthält und eine Anzahl Wicklungen (319) aufweist, und das elektromagnetische Feldgestell eine mehrphasige Wechselstromwicklung besitzt und eine elektrische Wechselstrommaschine, die einen Rotor und eine Feldwicklung aufweist, und ein mehrphasiger Wechselstrom, der sich in der verbundenen Wicklungsbaugruppe der Feldwicklung und der mehrphasigen Wechselstromwicklung aufbaut, ein Magnetfeld erzeugt, und das elektromagnetische Leistungsübertragungsmittel (310) die äußere Leistung mit einer Eingangswinkelgeschwindigkeit empfängt, und der magnetisierbare Rotor und das elektromagnetische Feldgestell jeweils bei einer ersten und einer zweiten Winkelgeschwindigkeit arbeiten, um Leistung durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern zu übertragen, die der magnetisierbare Rotor bzw. das elektromagnetische Feldgestell aufbauen; und
einen leistungselektronischen Halbleiterkommutator (320 _E), der einen Magnetfeld-Win­ kellagesensor (327) und ein leistungselektronisches Schaltnetzwerk umfasst, das eine Anzahl Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) zum Magnetisieren des magnetisierbaren Rotors aufweist, wobei der Magnetfeld-Win­ kellagesensor (327) mit dem elektromagnetischen Feldgestell gekoppelt ist und die Winkellage des aufgebauten Magnetfelds erfasst, und jeder der Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) des leistungselektronischen Schaltnetzwerks elektrisch mit den entsprechenden Wicklungen (319 ₁, 319 ₂, . . ., 319 _N) des magnetisierbaren Rotors verbunden ist, und das erfasste Signal, das die erfasste Winkellage des Magnetfelds darstellt, den Einschalt- bzw. Ausschaltzustand der Halbleiterschalter (325 _1A-325 _1D, 325 _2A-325 _2D, . . ., 325 _NA-325 _ND) im Netzwerk einleitet und das erste sich drehende Magnetfeld in der Wicklung des magnetisierbaren Rotors aufbaut, und sich das erste sich drehende Magnetfeld mit der ersten Winkelgeschwindig­ keit dreht, die synchron zur zweiten Winkelgeschwindigkeit des zweiten sich drehenden Magnetfelds ist, das das elektromagnetische Feldgestell aufbaut, und die elektromag­ netische Leistungsübertragungs-Wechselwirkung des elektromagnetischen Lei­ stungsübertragungsmittels (310), das bei der synchronen Winkelgeschwindigkeit des ersten und des zweiten sich drehenden Magnetfelds arbeitet, vom leistungselektronischen Halbleiterkommutator (320 _E) auf den Ausgang übertragen wird, und der Ausgang die Leistung aus dem elektromagnetischen Leistungsübertragungsmittel (310) mit einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit an die äußere Last (182, 382) liefert.