DE3043004C2

DE3043004C2 - Electric single wheel drive in multi-axle vehicles

Info

Publication number: DE3043004C2
Application number: DE3043004A
Authority: DE
Inventors: Reinmar Ing.(Grad.) Hussel; Gerhard Ing.(grad.) 1000 Berlin Kratz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-11-11
Filing date: 1980-11-11
Publication date: 1983-12-08
Also published as: ZA817818B; DE3043004A1; IT1142049B; IT8124887A0

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Einzelradantrieb, wie er im Oberbegriff des Anspruches 1 näher bezeichnet ist. Ein solcher Einzelradantrieb ist zum Beispiel durch die DE-PS 4 71 806 bekanntgeworden. The invention is based on an electric single wheel drive as described in the preamble of the claim 1 is designated in more detail. Such a single wheel drive has become known, for example, from DE-PS 4 71 806.

Damit ergibt sich innerhalb praktisch einzuhaltender Grenzen im Geradeauslauf ein hinreichender Ausgleich der Drehmomente und damit, da die Umlaufzahlen nur wenig verschieden sind, auch der Leistungen.This results in sufficient compensation within the limits that must be adhered to in a straight line the torques and thus, since the numbers of revolutions are only slightly different, also the performance.

Bei Kurvenfahrten treten jedoch verstärkt solche Probleme auf, die aus den unterschiedlichen Raddrehzahlen der äußeren und inneren Räder herrühren und die bislang nur durch spezielle Drehzahlsteuerung der einzelnen Motoren (z.B. US-PS 41 13 045) oder ein mechanisches Differential ausgeglichen werden konnten. When cornering, however, problems such as those from the different wheel speeds occur more frequently originate from the outer and inner wheels and so far only through special speed control of the individual motors (e.g. US-PS 41 13 045) or a mechanical differential could be compensated.

Weiter ist für Kraftfahrzeuge bereits ein Antrieb über Asynchronmotoren und Drehzahlsteuerung mittels einer Stromrichteranordnung bekannt, bei dem die Räder bei Kurvenfahrten mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden (DE-AS 20 10 594). Das wird dadurch erzielt, daß ein Teil der Asynchronmotoren über einen gemeinsamen Stromrichter mit veränderbarer Frequenz und Spannung gespeist wird und im übrigen über eine bei Kurvenfahrten in Tätigkeit gesetzte besondere Regel- und Steuereinrichtung Spannungsstellglieder betätigt werden, die verschiedenen Motoren vorgeschaltet sind, wodurch die Drehmoment-Drehzahlcharakteristiken der Asynchronmotoren unterschiedlich eingestellt werden.Furthermore, a drive via asynchronous motors and speed control is already available for motor vehicles a converter arrangement known in which the wheels when cornering at different speeds operated (DE-AS 20 10 594). This is achieved in that some of the asynchronous motors is fed via a common converter with variable frequency and voltage and im the rest via a special regulating and control device activated when cornering Voltage actuators are operated, the various motors are connected upstream, whereby the torque-speed characteristics the asynchronous motors can be set differently.

Sowohl die speziellen Einzeldrehzahlsteuerungen als auch die sonst üblichen Differentiale sind kosten- und unterbringungsmäßig aufwendig und benötigen erhebli- ^b5 ehe Wartung.Both the special single speed control as well as the usual differentials are costly and placing excessively consuming and require considerable ^b5 before maintenance.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Differential zu schaffen und dabei auf eine komplizierte Einzelsteuerung der Motoren verzichten zu können.The object of the invention is to create an electric differential and thereby to a complicated one To be able to do without individual control of the motors.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung vorteilhaft gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen in Verbindung mit der erläuternden Zeichnung und Beschreibung entnehmbar. Es zeigtAccording to the invention, this object is advantageously achieved in accordance with the characterizing features of the claim 1 solved. Further expedient refinements of the invention are related to the claims with the explanatory drawing and description. It shows

F i g. 1 ein schematisiert dargestelltes Hybridfahrzeug mit Ds-Einzelantrieb der Räder der Mittelachsen,F i g. 1 a schematically represented hybrid vehicle with Ds individual drive of the wheels of the central axles,

F! g. 2 die Drehmomentenkurve eines Ds-Motors,F! G. 2 the torque curve of a Ds motor,

F i g. 3 die Drehzahl/Drehmomentenkurve zweier in Reihe geschalteter Ds-Motoren über der Schlupffrequenz, F i g. 3 the speed / torque curve of two Ds motors connected in series over the slip frequency,

F i g. 4 Motorkennlinien für Fahrbetrieb,F i g. 4 engine characteristics for driving operation,

F i g. 5 Motorkennlinien für Bremsbetrieb,F i g. 5 motor characteristics for braking operation,

F i g. 6 Diagramm eines Spannungsstellbereiches bei einem spannungsgeführten Umrichter.F i g. 6 Diagram of a voltage setting range for a voltage-controlled converter.

F i g. 1 zeigt ein schematisch dargestelltes, dreiachsiges Hybridfahrzeug, z. B. einen sogenannten Duobus, bei dem die Erfindung vorteilhaft einsetzbar ist Andere Anwendungen, auch bei Obussen und Privatfahrzeugen mit Akkuantrieb sind denkbar.F i g. 1 shows a schematically illustrated, three-axle hybrid vehicle, e.g. B. a so-called Duobus, in which the invention can advantageously be used. Other applications, including in trolleybuses and private vehicles with battery drive are conceivable.

Vorn befindet sich eine lenkbare Laufachse 1, hinten eine über einen Verbrennungsmotor 3 und ein mechanisches Differential 4 angetriebene Antriebsachse 2. Die ursprünglich zwei mittleren Lautachsen sind zum Antrieb umfunktioniert und bestehen jetzt aus Radsätzen 5 und 6, die mit Einzelantrieb über Drehstrommotoren 7 bis 10 ausgerüstet sind. Die Räder sind mit 11 bezeichnet.At the front there is a steerable running axle 1, at the rear a drive axle driven by an internal combustion engine 3 and a mechanical differential 4 2. The originally two middle sound axes have been converted to drive and now consist of Wheelsets 5 and 6, which are equipped with individual drives via three-phase motors 7 to 10. The wheels are denoted by 11.

F i g. 2 zeigt die grundsätzliche Kennlinie eines Drehstrommotors für eine konstante Frequenz. Aufgetragen ist das abgegebene Drehmoment Md über der Drehzahl η und zeigt den steilen Arbeitsbereich A-Bder Maschine. Erkennbar wird, daß abhängig von der Steilheit der Kurve bereits relativ kleine Drehzahländerungen große Drehmomentenänderungen mit sich bringen und sogar in den Generatorbetrieb übergegangen werden kann. Bei Kurvenfahrten mit gleicher mittlerer Fahrzeuggeschwindigkeit wird — wegen der unterschiedlichen Kurvenradien — das äußere Rad schneller drehen als das innere. Das heißt, bei parallel geschalteten Motoren wird der außen laufende, die größere Drehzahl annehmende Motor eines Radsatzes z. B. von Radsatz 5 bei einer Rechtskurve der Motor 7 bei Punkt B liegen und der Motor 8 bei Punkt A. Dabei würde der innen laufende Motor 8 ein wesentlich größeres Drehmoment aufweisen und entgegengesetzt der gewünschten Fahrtrichtung das Fahrzeug aus der Kurve drücken wollen. Das ist unerwünscht und traktionstechnisch auch falsch. Abhilfe ist bisher nur möglich gewesen, indem entweder der eine, hier innere Motor 8 dann während der Kurvenfahrt beschaltet oder abgeschaltet wurde und dann praktisch nur mit dem Moment des Motors 7 gefahren wurde. Es besteht auch die Möglichkeit, beide Motoren über getrennte, steuerbare Umrichter entsprechend zu speisen.F i g. 2 shows the basic characteristic of a three-phase motor for a constant frequency. The output torque Md is plotted against the speed η and shows the steep working range A-B of the machine. It can be seen that, depending on the steepness of the curve, even relatively small changes in speed result in large changes in torque and it is even possible to switch to generator mode. When cornering with the same average vehicle speed - because of the different curve radii - the outer wheel will turn faster than the inner one. That is, with motors connected in parallel, the outside running motor of a wheelset that takes on the higher speed z. B. of wheelset 5 in a right turn, the motor 7 are at point B and the motor 8 at point A. The internal motor 8 would have a much greater torque and want to push the vehicle out of the curve opposite to the desired direction of travel. This is undesirable and also wrong in terms of traction. Up to now, a remedy has only been possible in that either the one motor 8, here the internal one, was then switched on or switched off during cornering and then practically only driven with the torque of the motor 7. It is also possible to feed both motors accordingly via separate, controllable converters.

Die Ds-Motoren 7 und 8 sowie 9 und 10 — Asynchronmotoren mit Käfigwicklung im Läufer — bilden jeweils Gruppen, in denen die Motoren ständermäßig in Reihe geschaltet sind. Beide Gruppen sind parallel geschaltet, und von beiden Motoren einer Gruppe wird nun abhängig von den Kriterien Kurvenrichtung und Fahr- oder Bremsbetrieb jeweils nur der eine (z. B. 7) von einer Drehzahlregelung geführt, während der andere (z. B. 8) einer freien Drehzahleinstellung über seine Motorkennlinie überlassen bleibt. Bei Geradeausfahrt mit dem RadiusThe Ds motors 7 and 8 as well as 9 and 10 - asynchronous motors with cage winding in the rotor - each form groups in which the motors are connected in series. Both groups are connected in parallel, and of both motors in a group is now dependent on the criteria Cornering direction and driving or braking operation only one (e.g. 7) from one speed control while the other (e.g. 8) allows the speed to be set freely via its motor characteristic remain. When driving straight ahead with the radius

unendlich hat dann jedes Rad 11 die gleiche Drehzahl und jeder Motor gibt bei gleichem Strom gleiches Drehmoment ab. Bei Kurvenfahrt kann nun das natürliche Verhalten der reihengeschalteten Motore für eine sinnvolle Fahrzeugführung ausgenutzt werden.infinitely then each wheel 11 has the same speed and every motor delivers the same torque with the same current. This can now be done when cornering The natural behavior of the series-connected motors can be used for meaningful vehicle guidance.

Es wird nun für Fahrbetrieb allein der äußere und schnellere Motor, um beim Beispiel der Rechtskurve zu bleiben, der Motor 7 regelungstechnisch über einen Umrichter mit Stromeinprägung gesteuert und geführt Dieser Motor 7 gibt dabei das maximale Drehmoment ab. Der innere, langsamere Motor 8 führt denselben Strom und stellt sich frei ein bei konstantem Primärstrom und konstanter Frequenz /i nach einer natürlichen Kennlinie für zwei reihengeschaltete Ds-Motoren gemäß F i g. 3. In F i g. 3 sind Drehmoment und Fluß über der Schlupffrequenz f₂ aufgetragen. Ersichtlich wird, daß der Motor 8 bei festliegender Frequenz und geringerer Drehzahl stärker schlüpft, was bei gleichem Motorstrom eine Flußreduzierung und damit Verringerung des Drehmomentes bedeutet Die Drehmomente und Flüsse für die Motoren 7 und 8 sind in F i g. 3 schematisch eingetragen.Only the outer and faster motor is now used for driving operation, to stay with the example of the right-hand bend, the motor 7 is controlled and guided in terms of control technology via a converter with current injection. This motor 7 emits the maximum torque. The inner, slower motor 8 carries the same current and adjusts itself freely with a constant primary current and constant frequency / i according to a natural characteristic curve for two series-connected Ds motors according to FIG. 3. In Fig. 3 torque and flux are plotted against the slip frequency f _2. It can be seen that the motor 8 slips more strongly at a fixed frequency and lower speed, which means a flux reduction and thus a reduction in torque for the same motor current. The torques and fluxes for the motors 7 and 8 are shown in FIG. 3 entered schematically.

Für Radsatz 6 mit der Moxorgruppe 9/10 gilt analog das gleiche. Welcher Motor jeder Gruppe jeweils der schnellere ist, kann theoretisch angenommen oder über eine sowieso vorhandene Ist-Drehzahlerfassung leicht festgestellt und entsprechend ausgewertet werden. Auch ein Umschalten über den Lenkungseinschlag ist denkbar. Das Fahrzeug wird damit betriebsmäßig richtig in die Kurve gedrücktThe same applies to wheelset 6 with moxor group 9/10. Which engine of each group in each case the is faster, can be assumed theoretically or easily via an existing actual speed measurement determined and evaluated accordingly. Switching via the steering angle is also possible conceivable. The vehicle is thus correctly pushed into the curve during operation

F i g. 4 zeigt dazu in Kurvenscharen die Abhängigkeit der Drehmomente von der vorgegebenen Frequenz und Drehzahl für die beiden Fahrmotore 7 und 8 des Radsatzes 5 bei verschiedenen Rollradienverhältnissen r\lr₂ als Parameter, η steht hier z. B. für Motor 8, r₂ steht J5 hier z. B. für Motor 7. Danach sinkt das bei enger werdendem Kurvenradius sich frei einstellende Drehmoment des Motors 8 stark ab. Der Einstellbereich liegt im Bereich der geschweiften Klammer. Mit kleiner werdendem mittlerem Kurvenradius wird der Unter- w schied der Rollradien r\ und r₂ der beiden Räder 11 größer. Bei einem Kurvenradius unendlich ist der Unterschied 0, die Räder laufen gleich schnell. Das sich nach der Erfindung ergebende Drehmomentverhalten des sich frei einstellenden Motors ist dem natürlichen Verhalten des Fahrzeugs proportional, das bei engem Kurvenradius geringe und bei großem Kurvenradius große Geschwindigkeiten erlaubt. Der geführte Motor 7 zeigt ein stabiles Drehmoment über dem dargestellten Frequenz- und Geschwindigkeitsbereich. F i g. 5 zeigt >n die entsprechende Darstellung einer Kurvenfahrt für Bremsung. Der Vorgang ist hierbei genau umgekehrt, d. h. der innen laufende langsamere Motor (bei Rechtskurve der Motor 8) wird regelungstechnisch geführt und gibt maximales Bremsmoment ab. Der andere Motor 7 läuft frei und gibt das kleinere Bremsmoment ab. Damit wird auch hier fahrmäßig richtig das Fahrzeug in die Rechtskurve gezogen.F i g. 4 shows this in curves, the dependence of torque from the predetermined frequency and speed for the two drive motors 7 and 8 of the wheel 5 at different rolling radii ratios r \ lr ₂ as the parameter η is here z. B. for motor 8, r ₂ is J5 here z. B. for motor 7. Thereafter, the torque of motor 8, which is freely set as the curve radius becomes narrower, drops sharply. The setting range is in the area of the curly brackets. Becomes smaller, intermediate curve radius of the sub w is the different rolling radii r \ and r ₂ of the two wheels 11 is greater. With an infinite curve radius, the difference is 0, the wheels run at the same speed. The torque behavior of the freely adjusting motor resulting from the invention is proportional to the natural behavior of the vehicle, which allows low speeds with a tight curve radius and high speeds with a large curve radius. The guided motor 7 shows a stable torque over the frequency and speed range shown. F i g. 5 shows the corresponding representation of cornering for braking. The process is exactly the other way around, ie the slower motor running inside (motor 8 in the case of a right-hand bend) is controlled in terms of control technology and delivers maximum braking torque. The other motor 7 runs freely and emits the smaller braking torque. This means that the vehicle is correctly pulled into the right-hand bend here as well.

Bei Kurvenfahrt braucht zur richtigen Führung der Motoren also nur noch festgestellt zu werden, ob Fahr- f>o oder Bremsschaltung vorliegt, welcher Motor schneller läuft und welcher entsprechend ausgewertet werden muß. Die Beispiele haben die Reihenschaltung von Motoren gleicher Radsätze beschrieben. Prinzipiell können in gleicher Weise mit demselben Effekt auch die MotoreD verschiedener Radsätze, z. B. 7 und 10 oder 9 und 8, jeweils diagonal in Reihe geschaltet und einzeln oder gruppenweise parallel geschaltet im beschriebenen Sinne gesteuert werden. Auch eine Reihenschaltung aller Motoren 7 bis 10 mit Führung des schnellstlaufenden Motors beim Fahren oder langsamlaufendsten beim Bremsen wäre denkbar. Allerdings ist letzteres nur eine Hilfsalternative. Gleiches gilt auch für eine bei dicht beieinander liegenden Radsätzen 5 und 6 durchführbare Reihenschaltung der parallel geschalteten Motoren 7 und 9 der einen Fahrzeugseite mit den parallel geschalteten Motoren 8 und 10 der anderen Fahrzeugseite. Durch den engen Radstand der parallel geschalteten Motoren sind bei Kurvenfahrt keine wesentlichen Drehzahlunterschiede vorhanden. Sie verhalten sich näherungsweise wie jeweils eine Maschine, und grundsätzlich bestehen auch hier die wesentlichen Drehzahlunterschiede zu den die innen laufenden Räder 11 antreibenden Motoren, die sich frei einstellen können. Daß dabei der eine Motor geringfügig höheres Drehmoment erhalten kann, als der andere, ist in diesem Fall belanglos.When cornering, all that needs to be determined in order to guide the motors correctly is whether the driving f> o or brake circuit is present, which motor is running faster and which is evaluated accordingly got to. The examples describe the series connection of motors with the same gear sets. In principle can in the same way with the same effect also the MotoreD different wheel sets, z. B. 7 and 10 or 9 and 8, each connected diagonally in series and connected individually or in groups in parallel in the described Senses are controlled. Also a series connection of all motors 7 to 10 with guidance of the fastest running one Motor when driving or slowest when braking would be conceivable. However, the latter is only one Auxiliary alternative. The same also applies to one that can be carried out when the wheel sets 5 and 6 are located close together Series connection of the motors 7 and 9 connected in parallel on one side of the vehicle with the parallel switched motors 8 and 10 on the other side of the vehicle. Due to the narrow wheelbase of the parallel-connected There are no significant differences in engine speed when cornering. they behave approximately like a machine in each case, and in principle the essential ones also exist here Speed differences to the internal wheels 11 driving motors, which adjust freely can. The fact that one motor can receive a slightly higher torque than the other is in this one Case irrelevant.

Prinzipiell ist der dargelegte Antrieb nur für Systeme anwendbar, bei denen der Strom den Maschinen eingeprägt wird und die Spannung über den gesamten Betriebsbereich gestellt werden kann.In principle, the drive described can only be used for systems in which the current is fed to the machines is impressed and the voltage can be set over the entire operating range.

Müssen andere Versorgungssysteme Anwendung finden, bei denen die Spannung eingeprägt wird, kann jedoch durch geeignete Auslegung des Pulswechselrichters, durch Wahl des Feldschwächbereiches der Maschinen und mit Hilfe einer Regelung das Verhalten eines Systems mit eingeprägtem Strom nachgeahrfit werden. Das ist möglich, solange die Spannung beliebig verstellbar und damit der Strom definierbar ist.If other supply systems have to be used, in which the voltage is impressed, can however, through a suitable design of the pulse-controlled inverter, through the selection of the field weakening range of the Machines and with the help of a control the behavior of a system with impressed current is reproduced will. This is possible as long as the voltage can be adjusted as required and thus the current can be defined.

F i g. 6 zeigt dazu beispielhaft ein Diagramm der Spannung über der Frequenz /i bzw. der Geschwindigkeit. Der obere Kurvenzug über χ ist dabei die normale Spannungskennlinie für Fahrbetrieb bei Nennmoment und Geradeausfahrt. Die untere Kennlinie über y zeigt den nötigen Spannungsverlauf, um bei Kurvenfahrt beliebigen Betrieb machen zu können. Ab Punkt χ beginnt bereits der Feldschwächbereich.F i g. 6 shows an example of a diagram of the voltage versus frequency / i or speed. The upper curve above χ is the normal voltage characteristic for driving at nominal torque and driving straight ahead. The lower characteristic curve above y shows the voltage curve required to be able to operate as desired when cornering. The field weakening range begins at point χ.

Bei Kurvenfahrt ist jedoch noch It. unterer Kennlinie eine Spannungsstellung bis zum Punkt ζ möglich. Der schraffierte Bereich stellt somit das Gebiet möglicher und nötiger Spannungsverstellung dar, um kontinuierlich vom Fahr- in den Bremsbetrieb und umgekehrt übergehen zu können. Für Kurvenfahrt kann somit bei minimaler Spannungsverstellung noch Fahr- und Bremsbetrieb über /2 = 0 gemacht werden, ohne in den Sättigungsbereich der Maschine zu gelangen.When cornering, however, it is still possible to adjust the voltage up to point ζ according to the lower characteristic curve. The hatched area thus represents the area of possible and necessary voltage adjustment in order to be able to continuously transition from driving to braking mode and vice versa. For cornering, driving and braking can still be done via / 2 = 0 with minimal voltage adjustment without reaching the saturation range of the machine.

Durch die Erfindung ist es möglich, ein einfaches, aber wirksames elektrisches Differential für Kurvenfahrten zu erstellen, das leichter und kleiner ist, als die bisher üblichen Bauweisen und damit unter anderem auch Raum-, Gewichts- und Unterbringungsvorteile erbringt.The invention makes it possible to provide a simple but effective electric differential for cornering to create that is lighter and smaller than the usual construction methods and thus, among other things Space, weight and accommodation advantages.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Electric single wheel drive in multi-axle, in particular non-track vehicles, wherein Three-phase current asynchronous motors with short-circuit armature whose speed can be controlled via converters Use Find whose stator windings to adapt the torques at different Engine speed, at least in groups, are connected in series, characterized in that, that when cornering while driving, the faster or the braking in each case slower motor of one group is controlled by a speed control, while the other Leave the motors of the group with an impressed stator current to a free speed setting are.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the Ds motors (7, 8 or 9, 10) of one or more sets (5 or 6 or 5 + 6) in series are connected and form a group and that several groups connect in parallel to each other are.

3. Arrangement according to claim I or 2, characterized in that each of the Ds motors is different Wheel sets (5 and 6) are connected diagonally in series (7 with 10 and 9 with 8) and groups form.