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Elektroantrieb Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektroantrieb
mit einem aus einer batterie o. ä. gespeisten Gleichstrom-Nebenschluß-Fahrmotor,
dessen Drehzahl mittels eines elektronischen Gleichstromstellers regelbar ist.
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Bei einem bekannten Elektroantrieb dieser Art (Automobiltechn.
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Zeitschrift (1972) 9, Seiten 360 bis 365) wird sowohl der Anker als
auch daFeld des Nebenschluß-Fahrmotors mit Hilfe eines Gleichstromstellers geregelt.
Dabei werden zwei Fahrbereiche, der Ankerstellbereich und der Feldstellbereich,
unterschieden.
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Im Ankerstellbereich wird vom Stillstand des Elektroantriebs ausgehend
zunächst unter Beibehaltung eines voll erregten Feldes die am Anker des Nebenschluß-Fahrmotors
anliegende Spannung kontinuierlich erhöht, so daß sich die Drehzahl des Fahrmotors
proportional zur Änkerspannung ebenfalls erhöht. Die Verstellung der Spannung geschieht
mit Hilfe eines zwischen der Batterie und dem Anker angeordneten bekannten Gleichstromstellers,
mit dessen Hilfe der Ankerstrom des Nebenschluß-Fahrmotors geregelt werden kann0
Dies
erfolgt nach Art eines Zweipunktreglers in der Weise, daß der Gleichstromsteller
die im wesentlichen konstante Batteriespannung zerhackt und in Form einer Folge
von Spannungsimpulsen, deren Impulsfolgefrequenz variabel ist, an den Anker des
Motors legt. Durch Veränderung der Impulsfolgefrequenz wird der Mittelwert der an
den Anker gelegten Spannung variiert. Neben dieser Betriebsweise gibt es auch noch
andere bekannte Betriebsweisen des Gleichstromstellers. Wenn der Gleichstromsteller
voll durchgeschaltet ist, wenn also die Batteriespannung in voller Höhe am Anker
des Nebenschluß-Fahrmotors anliegt, kann eine Erhöhung der Drehzahl des Fahrmotors
nur noch dadurch erreicht werden, daß die Erregung der Feldwicklung des Fahrmotors
herabgesetzt, d. h. geschwächt wird. Bei der bekannten Anordnung wiridie Erregung
der Feldwicklung des Fahrmotors ebenfalls mit Hilfe eines bekannten Gleichstromstellers
herabgesetzt.
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Im allgemeinen beträgt der Feldstrom eines Fahrmotors nur einen Bruchteil
seines Ankerstromes. Der Aufwand für den Gleichstromsteller im Ankerstromkreis ist
beträchtlich, weil er den vollen Ankerstrom in schneller Folge ein- bzw. ausschalten
muß. Die Schaltfrequenz kann aber nicht beliebig niedrig gewählt werden, weil die
benötigte Induktivität des Kreises zur Begrenzung des Stromanstieges oder aber der
Stromanstieg selbst zu groß werden würde. Demgegenüber ist die Regelung des Feldstromes
vergleichsweise problemlos, weil er erheblich niedriger ist. Um die hohen Anforderungen
erfüllen zu können, müssen im Gleichstromsteller des Ankerkreises besonders hochwertige
Schaltelemente verwendet werden, die relativ kostspielig sind.
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Ausgehend von einem Elektroantrieb der eingangs genannten Art liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für einen derartigen Elektroantrieb
zu vereinfacEen Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination
folgender Merkmale:
a) die Ankerwicklung des Fahrmotors ist im wesentlichen
direkt mit der Batterie verbunden, b) allein die Feldwicklung des Fahrmotors ist
über den elektronischen Gleichstromsteller mit der Batterie verbunden, c) zwischen
Motorabtrieb und Antriebsachse des Elektroantriebs ist eine Fliehkraftkupplung angeordnet,
wobei die Fliehkwaftkupplung so bemessen ist, daß sie in einem-unteren ersten Drehzahlbereich
des Motors, welcher die Motordrehzahl bei voller Ankerspannung und voller Felderregung
einschließt, völlig außer Eingriff, in einem daran anschließenden zweiten Drehzahlbereich
des Motors, welcher den unteren Feldschwächbereich des Motors umfaßt, nur schleifend
im Eingriff und in einem daran anschließenden, den übrigen Feldschwächbereich umfassenden
dritten Drehzahlbereich voll im Eingriff ist.
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Erfindungsgemäß wird also im oberen Geschwindigkeitsbereich des Elektroantriebes
die Motorleistung über die Fliehkraftkupplung voll an die Fahrzeugräder übertragen,
während im unteren Geschwindigkeitsbereich nur ein Teil der Motorleistung, nämlich
die um die Verlustleistung der Fliehkraftkupplung (Md . nSchluf ) verminderte Leistung,
an die Fahrzeugräder übertragen wird.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten ausführungsbeispieles
wird die Erfindung erläutert. In der Zeichnung zeigen Figur 1 den erfindungsgemäßen-
Elektroantrieb und Figur 2 ein Drehzahldiagramm.
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Figur 1 zeigt ein Elektrokraftfahrzeug, von dem im wesentlichen nur
die angetriebenen Räder 12 mit den Antriebswellen 11 und einem Differential 10 dargestellt
sind. Das Fahrzeug ist mit einer Fahrzeugbatterie 2 ausgerüstet, aus welcher ein
Gleichstrom-Nebenschluß-Fahrmotor 1 gespeist wird. Die Ankerwicklung la des Fahrmotors
1 ist im Beispiel direkt mit der Batterie 2 verbunden. Üblicherweise vorhandene
Schütze oder Schalter zwischen der Batterie 2 und der Ankerwicklung la sind nicht
besonders dargestellt. Die Feldwicklung 1b des Fahrmotors 1 ist über einen nur symbolisch
dargestellten elektronischen Gleichstromsteller 3 mit der Batterie 2 verbunden.
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Als Gleichstromsteller 3 kann jede bekannte elektronische Einrichtung
verwendet werden, die in der Lage ist, einen Gleichstrom fortlaufend mit hoher Frequenz
ein- und auszuschalten. Geeignet ist für diese Zwecke insbesondere ein unter Zuhilfenahme
von Thyristoren, Dioden und Löschkondensatoren aufgebauter elektronischer Gleichstromschalter,
wie er aus der Leistungselektronik bekannt ist. Da der Feldstrom relativ klein ist,
können im allgemeinen auch bereits Schalttransistoren eingesetzt werden. Im Ausfahrungsbeispiel
ist die Verwendung eines derartigen Schalttransistors angedeutet. Der Motorabtrieb
1c ist über eine Fliehkraftkupplung 5, ein Getriebe 9, eine Kardanwelle 4 und das
Differential 10 mit den Antriebswellen 11 verbunden. Das Getriebe 9 dient zur Anpassung
des Drehzahlniveaus des Fahrmotors 1 an das benötigte Drehzahlniveau der Fahrzeugräder
12. Mitunter kann es vorteilhaft sein, dieses Getriebe als Schaltgetriebe auszuführen,
um dadurch den zur Verfügung stehenden Drehzahlbereich der Fahrzeugräder 12 zu vergrößern.
Wenn das Drehzahlniveau des Fahrzeugmotors 1 in der Größenordnung des benötigten
Drehzahlbereichs der Faurzeugräder 12 liegt, kann auf das Getriebe 9 gegebenenfalls
auch völlig verzichtet werden. Die Fliehkraftkupplung 5 ist so bemessen, daß sie
solange die Drehzahl des Fahrmotors 1 einen bestimmten Wert nicht überschritten
hat, völlig außer Eingriff ist. Dieser Wert liegt etwas über der Motordrehzahl,
welche sich bei voller Ankerspannung und voller Felderregung ergibt. Während dieser
Zeit ist die Drehzahl der Fahrzeugräder 12 trotz des sich drehenden Fahrzeugmotors
1 nu1ei tjberschreiten
des zuvor erwähnten Drehzahlwertes des Fahrmotors
1 beginnt die Fliehkraftkupplung 5, unter Beibehaltung eines Schlupfes,aie Drehzahl
des Fahrmotors 1 auf das Getriebe 9 zu übertragen. Die Fliehkraftkupplung 5 befindet
sich dabei nur schleifend im Eingriff. Mit wachsender Drehzahl des Fahrmotors vergrößert
sich der Eingriff der Fliehkraftkupplung, d. h. der Schlupf wird geringer, so daß
sich die Ausgangsdrehzahl der Fliehkraftkupplung 5 immer mehr der Eingangs drehzahl
der Kupplung nähert. Schließlich ist ein Drehzahlwert erreicht, bei dem sich die
Fliehkraftkupplung 5 voll im Eingriff befindet, so daß die Ausgangsdrehzahl der
Kupplung der Eingangsdrehzahl entspricht.
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Die vom Motor abgegebene Leistung wird dann voll auf das Getriebe
9 übertragen.
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Nur angedeutet ist im Ausführungsobeispiel die Steuerung des Gleichstromstellers
3. Dieser wird mittels einer nur schematisch dargestellten Regeleinrichtung 7 in
Abhängigkeit vom Ankerstrom des Gleichstrom-Nebenschluß-Fahrmotors 1 geregelt. Zu
diesem Zweck wird der im Ankerstromkreis erfaßte Ankerstrom-ist-Wert 1rist mit einem
vom Fahrpedal 8 vorgegebenen Ankerstrom-soll-Vert soll verglichen und die Regelabweichung
der Regeleinrichtung 7 zugeführt. Nach Maßgabe dieser Regelabweichung wird der Gleichstromsteller
3 leitend oder nicht leitend, so daß der durch die Feadwicklung lb fließende Erregerstrom
größer oder kleiner wird, Grundsätzlich kann dem dargestellten Regelkreis in bekannter
Weise eine Drehzahlregelung überlagert werden. Zu diesem Zwecke müßte der Drehzahl-ist-Wert
erfaßt werden und zusammen mit einem vom Fahrpedal vorgegebenen Drehzhal-soll-Wert
einem Drehzahlregler zugeführt werden, dessen Ausgangswert als Sollwert für den
im Ausführungsbeispiel dargestellten Regler benutzt werden könnte.
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In einfacher Weise könnte dabei eine Begrenzung der Drehzahl oder
des Ankerstromes dadurch erzielt werden, daß der vom übeklagerten Drehzahlregler
abgegebener Ausgangswert begrenzt wird.
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Anhand der Figur 2 sei die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Elektroantriebes
kurz erläutert. Dargestellt ist in Figur 2 die auf die Eingangsdrehzahl nE der Fliehkraftkupplung
5 bezogene Ausgangsdrehzhal nA der Fliehkraftkupplung als Funktion der Eingangsdrehzahl
nE der Fliehkraftkupplung. Die Eingangsdrehzahl nB der Fliehkraftkupplung ist natürlch
identisch mit der Drehzahl des Motorabtriebs 1c. In Figur 2 sind drei Drehzahlbereiche
zu unterscheiden. Der erste untere Drehzahlbereich umfaßt die Drehzahlen von 0 bis
n1 , der daran anschließende zweite Drehzahlbereich umfaßt die Drehzahlen von n1
bis n2 und der daran anschließende dritte Drehzahlbereich die Drehzahlen oberhalb
n2. Soll das Elektron kraftfahrzeug in Betrieb genommen werden, dann wird der Fahrmotor
1 zunächst über nicht dargestellte Schalter bzw. Schütze mit der Batterie 2 verbunden
und die Erregung der Feldwicklung 1b auf den vollen Erregerwert hochgefahren. Die
Drehzahl des Gleichstrom-Nebenschluß-Fahrmotors 1 läuft dabei auf der natürlichen
Motorkennlinie hoch, bis sie den Wert n0 ereicht hat. Das ist der Wert, der sich
bei voller Ankerspannung und voller Erregung ergibt. Ein Drehmoment wird von der
Fliehkraftkupplung dabei zunächst noch nicht übertragen, so daß die Ausgangsdrehzahl
nA der Fliehkraftkupplung 0 bleibt. Das Elektrokraftfahrzeug bewegt sich also noch
nicht. Erst wenn durch Betätigung des Fahrpedals 8 ein entsprechender Sollwert vorgegeben
wird, wird der Gleichstromsteller 3 in Richtung auf eine Feldschwächung ausgesteuert,
so daß sich die Drehzahl des Fahrmotors 1 erhöht. Sowie die Drehzahl des Motors
1 einen bestimmten Wert, in Figur 2 ist das der Drehzahlwert n1, überschreitet,
kommt die Fliehkraftkupplung 5 schleifend in Eingriff und überträgt ein Drehmoment.
Die Ausgangsdrehzahl der Fliehkraftkupplung und damit die Drehzahl der Fahrzeugräder
12 wird ausgehend von 0 erhöht. Beim Eingriff der fliehkraftkupplung 5 sinkt das
Feld etwas ab und wird in Abhängigkeit vom Ankerstrom geregelt. Bei Erhöhung des
Sollwertes durch das Fahrpedal 8 steigt die Drehzahl des Motorabtriebs 1c, das ist
die Eingangs drehzahl nE der Fliehkraftkupplung, weiter an. Mit wachsender Drehzahl
verringert sich der Schlupf der Fliehkraftkupplung 5, so daß sich die Ausgangsdrehzahl
nA immer mehr der Eingangsdrehzahl
nE nähert. Wenn eine bestimmte
Drehzahl des Motors erreicht ist, in Figur 2 ist dies die Drehzahl n2 , ist d7o
Fliehkraftkupplung 5 voll eingekuppelt. Das bedeutet, daß die Ausgangsdrehzahl nA
der Eingangsdrehzahl nE entspricht. Weitere Drehzahlerhöhungen des Motorabtriebs
1c werden danach über die Fliehkraftkupplung 5 in voller Höhe an das Getriebe gund
die Fahrzeugräder 12 weitergegeben. In Figur 2 repräsentiert der Drehzahlbereich
0 bis n0 den Drehzahlbereich des Fahrmotors 1, in dem beim bekannten Elektroantrieb
ohne Fliehkraftkupplung die Geschwindigkeit des Elektrokraftfabrzeuges durch die
Regelung der Motordrehzahl mittels einer Ankerspannungsverstellung eingestellt wurde.
Beim erfindungsgemäßen Elektroantrieb wird dieser Drehzahlbereich des. Motors dagegen
nicht zur Änderung der Geschwindigkeit des Elektrokraftfahrzeuges ausgenutzt. Eine
Ankerspannungsverstellung findet nicht statt, denn ein entsprechender Gleichstromsteller
ist dafür nicht vorgesehen. Der Fahrmotor 1 durchläuft diesen Drehzahlbereich im
Leerlauf auf der natürlichen Motorkennlinie. Zur Veränderung der Geschwindigkeit
des Elektrokraftfahrzeuges wird beim erfindungsgemäßen Elektroantrieb aus-Schließlich
der Feldschwächbereich des Fahrmotors 1 verwendet.
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Figur 2 läßt erkennen, daß sich das Elektrokraftfahrzeug erst dann
in Bewegung setzt, wenn die Drehzahl des Fahrmotors 1 durch Schwächung des Feldes
über die Drehzahl ng, die sich bei voller Ankerspannung und voller Erregung einstellt,
auf einen Drehzahlwert n1 gesteigert wird. Die Drehzahldifferenz zwischen dem sich
bereits drehenden Fahrmotor 1 und den Fahrzeugrädern 12,welche sich ausgehend von
der Drehzahl 0 erst langsam zu drehen beginnen, übernimmt die Fliehkraftkupplung
5. Figur 2 soll nur den prizipiellen Verlauf der Drehzahlkennlinie des erfindungsgemäßen
Elektroantriebes deutlich machen, so daß Rückschlüsse auf die tatsächliche Größe
der Drehzahlen oder der Drehzahlverhältnisse nicht möglich sind.
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Die Größe des Drehzahlbereiches n1 bis n2 hängt von der Ausbildung
der Yliehkraftkupplung 5 ab. Zwedcmäßigerweise wird dieser Drehzahlbereich etwa
10 bis 20 Vo des zur Verfügung stehenden Feldstellbereiches ausmachen. Der erfindungsgemäße
Elektroantrieb kann insbesondere
für Elektrokraftfahrzeuge Verwendung
finden. Das Betriebsverhalten eines solchen Elektrokraftfahrzeuges entspräche weitgehend
dem der bisher bekannten Kraftfahrzeuge. Insbesondere hätte es die Eigenschaft,
daß der Fahrmotor des Fahrzeuges auch bei stehendem Fahrzeug init einer Grunddrehzahl
umläuft.