DE3025756A1 - Elektromagnetischer drehmoment-drehzahl-wandler, insbesondere fuer hybridfahrzeuge - Google Patents

Elektromagnetischer drehmoment-drehzahl-wandler, insbesondere fuer hybridfahrzeuge

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Description

  • ELEKTROMAGNETISCHER DREHMOMENT-DREHZAHL-WANDLER
  • INSBESONDERE FORHYBRIDFAHRZEUGE.
  • Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Drehmoment-Drehzahl-Wandler, insbesondere für Hybridfahrzeuge in der Ausgestaltung, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein derartiger Wandler ist beschrieben in der Elektrotechnischen Zeitschrift, ETZ-A Bd. 94 (1973) H.ll, Seite 653 ff. Die Wandlereinheit umfaßt dort ein Schaltgetriebe und ein zusätzliches Differentialgetriebe, welches mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist. Die Verbindungswelle mit dem Verbrennungsmotor ist über ein Zahnradgetriebe mit festem Obersetzungsverhältnis mit einem Schwungrad verbunden. Ein Ausgang des Differential getriebes treibt über ein weiteres Zahnradgetriebe mit festem Obersetzungsverhältnis eine Gleichstrommaschine an, welche an einen Batteriespeicher angeschlossen ist.
  • Ein 2. Ausgang des zusätzlichen Differentialgetriebes ist über das Schaltgetriebe mit dem Differentialgetriebe der Antriebsräder des Fahrzeugs verbunden. Der bekannte Hybridantrieb erfordert aufwendige Getriebeverbindungen; infolge der festgelegten Drehzahlen der Antriebsübertragung zu den Energiespeichern ergibt sich eine unerwünschte enge Abhängigkeit zwischen der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der des Schwungrades. Für die Ladung bzw. Entladung der Batterie ist eine Gleichstrommaschine mit den bekannten Nachteilen erforderlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Drehmoment-Drehzahl-Wandler zu schaffen,-der einen weitgehend verschleißfreien Einsatz, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, und eine Vereinfachung der Antriebsübertragung auf seiten des Hybridfahrzeugs, ermöglicht.
  • Dabei sollen die Energiespeicher weitgehend unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Betriebsart des Fahrzeuges arbeiten können.
  • Diese Aufgabe wird, gemäß dem Vorschlag der Erfindung, durch die Kombination der Merkmale a - f gelöst. Diese Merkmalskombination, welche Bauelemente eines Wandlers umfaßt, ist für sich erfinderisch, d. h. sie kann für Hybridfahrzeuge, aber auch zum Antrieb anderer Fahrzeuge, welche keine Energiespeicher aufweisen, wie Schiffe oder schwere Landfahrzeuge, aber auch bei PKW's, eingesetzt werden.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sämtliche mechanischen Fahrzeuggetriebe ersetzt werden durch eine bestimmte Kombination elektrischer Maschinen, die zum Teil in anderem Zusammenhang bekannt sind.
  • Hierzu zählt beispielsweise der bekannte Doppelständermotor nach Charles Bradley (Archiv für Elektrotechnik, XXVII. Band, 1933, 12.Heft, Seite 813 ff). Diese Maschine besteht aus zwei, nebeneinander angeordneten Ständern und zwei, auf derselben Welle angeordneten Läufern, die eine gemeinsame Kurzschlußwicklung besitzen. Eine Verdrehung des einen Ständers gegenüber dem anderen ermöglicht eine Drehzahlsteuerung bei Drehstromeinspeisung mit fester Frequenz.
  • Schließlich sind Doppelläufermotoren bekannt (Rudolf Richter, Elektrische Maschinen, Bd IV, 1954, Verlag Birkhäuser, Basel/Stuttgart, Seite 332 ff).
  • Es handelt sich um Motoren mit Zwischenläufern, bei denen 2 Motore übereinander angeordnet werden oder mit Tandemanordnung, bei der die beiden Motoren nebeneinander angeordnet werden. Die bekannten Doppelläufermotoren wurden ursprünglich zur Erzeugung hoher Drehzahlen verwendet.
  • Die Erfindung, gemäß Patentanspruch 1, schafft einen Fahrzeugantrieb, der ohne mechanisches Getriebe auskommt. Zudem ist der erfindungsgemäbe Wandler praktisch wartungsfrei, bedingt durch den ausschließlichen Einsatz kollektorloser elektrischer Maschinen. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers besteht darin, daß er eine kontinuierliche Regelung der Antriebsdrehzahl bei beliebigen Drehmomenten, ermöglicht. Dabei kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors konstant gehalten werden, was eine hohe Energieausnutzung bewirkt. Bei einem Hybridfahrzeug können die Energieflüsse zu den Wandler- und Speichereinfieiten auf einfache Weise so gesteuert werden, daß Leistungsüberschüsse auf seiten des Verbrennungsmotors einerseits, die vorhandene Speicherenergie andererseits, optimal ausnutzbar sind , da die Einbindung der Speicher an den Wandler über eine elektrische Verbindung erfolgt. Hinzu kommt die Möglichkeit der Einflußnahme auf die elektrischen Leistungsdaten durch die Anwendung eines Prozeßrechners, welcher den momentanen Leistungsbedarf des Fahrzeuges unter Berücksichtigung des Zustandes der Speicher it den Leistungsdaten des Verbrennungsmotors abstimmt.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 " 6.
  • Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wandlers, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Wandlers, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Wandlers, Fig 4 einen Wandler gemäß Fig. 1 mit weiteren Komponenten für den Antrieb eines Hybridfahrzeugs und Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit mit Prozeßrechner, für ein Hybridfahrzeug.
  • Gemäß Figur 1 sitzen auf einer Antriebswelle 1 zwei Polradläufer PL1, PL2, welche über Schleifringe 3 fremderregt werden. Bei größeren Leistungen kann die Erregung über schleifringlose Erregermaschinen erfolgen. Der erste der beiden Polradläufer PL1 bildet mit einem Ständer STl eine drei- oder mehrphasige Synchronmaschine.
  • Ein mit der Abtriebswelle 2 drehfest verbundener Zwischenläufer ZL besteht im wesentlichen aus zwei Blechpaketen ZL2, ZL3, welche konzentrisch angeordnet sind. Das äußere Blechpaket ZL3 ist mit dem Paket eines weiteren Ständers ST3, das innere Blechpaket ZL2 des Zwischenläufers ZL mit dem zweiten der beiden Polradläufer PL2 magnetisch verkoppelt. Die beiden Blechpakete ZL2 u. ZL3 des Zwischenläufers ZL tragen ein- und dieselbe Kurzschlußwicklung KW . Die Führung der einzelnen Wicklungsstränge erfolgt durch entsprechende, im tragenden Teil des Zwischenläufers ZL vorgesehene Uffnungen 4 Die beiden Ständerwicklungen SW1., SW3sind über eine flexible elektrische Verbindung FV miteinander vorbunden. Voraussetzung dafür ist, daß die Phasenzahl der beiden Wicklungen gleich ist. Für den Betrieb des Wandlers in einem günstigen Betriebsbereich ist es vorteilhaft, daß die beiden Polradläufer PL1, PL2 und die beiden Ständerwicklungen SW2, SW3 alle die gleiche Polzahl aufweisen.
  • Der Ständer ST1 der Synchronmaschine, sowie der weitere Ständer ST3 sind fest angeordnet, können jedoch mittels eines Stellgliedes SM um ihre gemeinsame Achse gegeneinander verdreht werden. Der Verdrehwinkel ist begrenzt, er ist zweckmäßig etwas größer als die Pol teilung der Ständerwicklungen. Das Stellglied umfaßt einen Stellmotor 5 mit einem auf seiner Welle 6 fliegend befestigtem Ritzel 7, welches in zwei Zahnkränze 10 an den jeweiligen Stirnseiten der beiden Ständergehäuse 8, 9 eingreift.
  • Der Wandler gemäß Figur 2 unterscheidet sich von dem der Figur 1 nur durch einen anderen konstruktiven Aufbau. Im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten Ausführung sind hier die beiden Blechpakete ZL2, ZL3 des Zwischenläufers axial gegeneinander versetzt. Dadurch ergibt sich auch ein axialer Versatz zwischen dem zweiten Polradläufer PL2 und dem weiteren Ständer ST3.
  • Diese Ausführungsvariante zeichnet sich durch einen geringeren Durchmesser, bei größerer axialer Länge aus. Die Kurzschlußwicklung KW des Zwischenläufers ZL übernimmt gleichzeitig die mechaniche Übertragung des Drehmomentes zwischen den beiden Blechpaketen ZL2, ZL3 des Zwischenläufers und verleiht diesem die erforderliche Steifigkeit.
  • Im übrigen sind die funktionsgleichen Bauteile wie in Figur 1 bezeichnet.
  • Figur 3 zeigt eine Scheibenläufer-Ausführungsvariante des im übrigen wie oben beschriebenen aufgebauten Wandlers, wobei die Polradläufer PL1, PL2 mit permanentmagnetischer Erregung versehen sind. Die gegenseitige Verdrehung der Ständer ST1, ST3 erfolgt auch bei dieser Ausführungsvariante über ein (in Fig. 3 nicht dargeestelltes) Stellglied, welches die beiden Ständergehäuse 8, 9 gegeneinander um die gemeinsame Achse verdreht.
  • Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil einer kompakten Bauweise, besonders in axialer Richtung.
  • Figur 4 zeigt den in Figur 1 dargestellten Wandler zusammen mit den übrigen Komponenten eines Hybridfahrzeug-Antriebs. Dabei ist die Antriebswelle 1 des Wandlers über eine mechanische Kupplung KU mit der Welle 11 des Verbrennungsmotors VM verbunden. Die Wandler-Abtriebswelle 2 ist mit dem Fahrzeug-Differentialgetriebe DG verbunden, welches seinerseits die Räder AR1 und AR2 des Fahrzeuges antreibt.
  • An die miteinander verbundenen beiden Ständerwicklungen SW1, SW3 des Wandlers sind die Energiespeicher des Hybridfahrzeuges angeschlossen, wobei ein Batteriespeicher BSp über einen statischen Drehstromsteller DS und ein aus einem Schwungrad bestehender Gyrospeicher GSp über eine Synchronmaschine SY und einen Direktumrichter DU angeschlossen sind. Die Fremderregung der beiden Polradläufer des Wandlers erfolgt über Schleifringe 3 und am Batterienetz angeschlossenen Gleichstromstellern GS1, GS2.
  • Figur 5 zeigt eine Steuerungsmöglichkeit des Hybridfahrzeuges mittels eines Prozessrechners. Die vom Fahrer eingegebenen Werte "Stellung Gaspedal", "Stellung Bremspedal" und "Betriebsart" werden zusammen mit den Systemgrößen Drehzahl Verbrennungsmotor", Drehzahl Differentialgetriebe","Ladezustand Batterie" und "Drehzahl Gyrospeicher" in den Rechner eingegeben, der seinerseits die optimalen Werte für die Ausgangsgrößen "Erregung Polradläufer 1", "Erregung Polradläufer 2", "Verstellwinkel zwischen den beiden Ständern", "Treibstsffzufuhr", "Batterie-Strom", "Motorstrom Gyrospeicher","Mechanische Bremse" und "Kupplung" ermittelt.
  • Darüberhinaus können weitere Einflußgrößen berücksichtigt werden.
  • Die Wandlerfunktion stimmt für die in den Fig. 1 u. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiele überein; für Fig. 3 ergibt sich die Abweichung, daß anstelle der steuerbaren Fremderregung der Polradläufer PL1, PL2, deren Erregung durch Permanentmagnete tritt.
  • Das Abtriebsmoment setzt sich aus den beiden Drehmomenten der Zwischenläufer-Blechpakete ZL3, ZL2 zusammen. Jedes dieser Drehmomente ist proportional dem Produkt Feldstärke x Strom. Die Feldstärke im Luftspalt 12 zwischen Ständer ST3 und dem Zwischenläufer ZL kann durch die Höhe der Spannung der Ständerwicklung SW3, d. h. durch die Erregung des ersten Polradläufers PL1 gesteuert werden. Die Feldstärke im Luftspalt 13 zwischen dem zweiten Polradläufer PL2 und dem Zwischenläufer ZL kann durch die Erregung des zweiten Polradläufers PL2 gesteuert werden. In den beiden Luftspalten 12, 13 laufen zwei Drehfelder gleicher Polzahl mit der gleichen Drehzahl, entsprechend der Antriebsdrehzahl, um. Diese Drehfelder erzeugen in der gemeinsamen Zwischenläufer-Kurzschlußwicklung KW jeweils eine Wechselspannung. Durch Verdrehen der beiden Ständer wird die Position der beiden Drehfelder zueinander verstellt und damit die Phasenlage der beiden in der Kurzschlußwicklung KW induzierten Wechselspannungen. Der Strom in der Kurzschlußwicklung KW wird durch die vektorielle Summe der beiden Wechselspannungen bestimmt.
  • Durch Verdrehen der beiden Ständer zueinander kann demnach der Strom im Zwischenläufer verändert werden. Das Abtriebsdrehmoment kann demnach durch geeignetes Verändern der drei Größen - Erregung des Polradläufers PL1 - Erregung des Polradläufers PL2 und - Verstellwinkel zwischen den beiden Ständern ST1, ST3 so gesteuert werden, daß der Strom in der Kurzschlußwicklung KW einen bestimmten Maximalwert nie überschreitet und die Verluste der Maschine den kleinsten ert annehmen.
  • Für den Anwendungsfall "Hybridantriebe" kann über die elektrische Verbindung FV elektrische Leistung zusätzlich entnommen oder eingespeist werden und können ein oder mehrere geeignete Energiespeicher betrieben werden. Infolge ihrer Anbindung an die Ständerwicklungen und der hohen Drehzahl des Verbrennungsmotors VM fließt in der Leitung FV ein Strom mit hoher und relativ konstanter Frequenz. Dies ermöglicht die Auswahl und begünstigt die Auslegung des Direktumrichters DU für den Gyrospeicher GSp und dessen Betrieb über eine kollektorlose Synchronmaschine SY, sowie des Drehstromstelier DS für den Batteriespeicher BSp.
  • Wird die Kupplung KU gelöst 3 so kann der Verbrennungsmotor abgestellt werden und das Fahrzeug über die Speicher emissionsfrei betrieben werden.
  • Wird das Fahrzeug abgebremst oder der Verbrennungsmotor auf einem im Vergleich zur momentanen Betriebsart höheren Leistungsniveau betrieben, so kann die nicht gebrauchte Leistung zum Laden der Speicher verwendet werden. Zur Optimierung dieser Energieflüsse ist der Einsatz eines Rechners zweckmaßig.
  • Leerseite

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1. Elektromagnetischer Drehmoment-Drehzahl-Wandler, insbesondere für Hybridfahrzeuge, welcher zwischen einer mechanischen Antriebsverbindung zu einem Verbrennungsmotor und einer mechanischen Abtri.ebsverbindung zu den anzutreibenden Rädern des Fahrzeuges angeordnet ist und eine Verbindung zu einem oder mehreren Energiespeichern, wie ein Batteriespeicher oder ein elektrisch angetriebener Schwungradspeicher, aufweist, wobei der Wandler durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet ist: a) Drehstrom-Synchronmaschine mit einem auf der Antriebswelle (1) drehfest angeordneten ersten Polradläufer (PL1) und einem Ständer (ST1) mit drei- oder mehrphasiger Ständerwicklung (SW1); b) zweiter auf der Antriebswelle (1) drehfest angeordneter Polradläufer (PL2), dessen Polzahl mit der des ersten Polradläufers (PL1) übereinstimmt; c) weiterer Ständer (ST3) mit drei- oder mehrphasiger Ständerwicklung (SW3), der hinsichtlich Phasenzahl und Polzahl mit dem Ständer (ST1) der Drehstrom-Synchronmaschine (Merkmal a) übereinstimmt; d) mit der Abtriebswelle (2) drehfest verbundener Zwischenläufer (ZL), bestehend im wesentlichen aus zwei Blechpaketen (ZL2, ZL3) mit einer gemeinsamen Kurzschlußwicklung (KW), wobei eines der Blechpakete (ZL3) mit dem weiteren Ständer (ST3), das andere (ZL2) mit dem zweiten Polradläufer (PL2) magnetisch verkoppelt ist; e) mit den Wicklungen (SW1, SW3) der beiden Ständer (ST1, ST3) verschaltete drei- oder mehrphasige flexible elektrische Verbindung (FV); f) die beiden Ständer (ST1, ST3) sind, zum Zwecke der Steuerung des auf die Abtriebswelle (2) zu übertragenden Drehmomentes mittels eines Stellgliedes (SM) um ihre gemeinsame Achse, gegenseitig begrenzt verdrehbar.
  2. 2. Elektromagnetischer Drehmoment-Drehzahl-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Polradläufer (PL1, PL2) fremderregt sind und deren Erregung in Abstimmung mit der gegenseitigen Verdrehung der beiden Ständer (ST1, ST3) zur Steuerung des Drehmomentes der Abtriebswelle veränderbar sind.
  3. 3. Elektromagnetischer Drehmoment-Drehzahl-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Polradläufer (PL1, PL2) eine permanentmagnetische Erregung aufweisen.
  4. 4. Elektromagnetischer Drehmoment-Drehzahl-Wandler nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der elektrischen Verbindung (FV) der beiden Ständerwicklungen (SWl, SW3) der oder die energieaufnehmenden oder an den Wandler abgebenden Energiespeicher angeschlossen sind.
  5. 5. Elektromagnetischer Drehmoment-Drehzahl-Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Batteriespeicher (BSp) über einen statischen Drehstromsteller (DS) angeschlossen ist.
  6. 6. Elektromagnetischer Drehmoment-Drehzahl-Wandler nach Anspruch 4, daduch gekennzeichnet, daß ein Schwungrad (GSp) mit einer drei- oder mehrphasigen Synchronmaschine (SY) direkt mechanisch gekoppelt ist, welche über einen Direktumrichter (DU) an die elektrische Verbindung (FV) angeschlossen ist.
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