DE3225908A1

DE3225908A1 - Elektrischer drehmomentwandler

Info

Publication number: DE3225908A1
Application number: DE19823225908
Authority: DE
Inventors: Adam 8552 Höchstadt Dittner; Georg Prof. Dr.rer.nat. 4790 Paderborn Hartmann
Original assignee: FAG Kugelfischer Georg Schaefer KGaA; Kugelfischer Georg Schaefer and Co
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1982-07-10
Filing date: 1982-07-10
Publication date: 1984-06-20
Also published as: US4543505A; SE451925B; DE3225908C2; SE8303774L; GB2124831A; FR2530093B1; FR2530093A1; GB2124831B; SE8303774D0; GB8318372D0

Description

i\-i\iJ~ f J-i

: : : . . : ,* . .·-. .·8. Juli 1982

Elektrischer Drehmomentwandler " " "" """' 3 22 5908 Die Erfindung betrifft einen elektrischen Drehmomentwandler, der zwischen einem antreibenden und einem angetriebenen System angeordnet ist.

Bei vielen Antriebssystemen, insbesondere bei solchen mit Brennkraftmaschinen, liefert die Antriebsquelle höhere Leistungen mit gutem Wirkungsgrad nur in einem engen, meist hohen Drehzahlbereich. Andererseits benötigt das angetriebene System die hohe Leistung je nach Betriebsbedingungen bei sehr

O unterschiedlichen Drehzahlen.

Mechanische Schaltgetriebe erlauben zwar eine stufenweise. Wandlung des Drehmoments, der Anzahl der Stufen werden aber durch die Bedienbarkeit und dem damit verbundenen hohen Aufwand Grenzen gesetzt. Stufenlose mechanische Getriebe sind auf relativ geringe übertragbare Leistungen beschränkt.

Hydraulische Drehmomentwandler arbeiten zwar stufenlos und ermöglichen es auch die Antriebsquelle im optimalen Drehzahlbereich zu betreiben, sie haben aber nur in einem recht engen Übersetzungsbereich einen gerade noch zμfriedenstellenden O Wirkungsgrad, so daß sie häufig mit mechanischen Getrieben kombiniert werden müssen.

Man hat ebenfalls versucht, elektrische Maschinen zur Drehzahlanpassung und Drehmomentwandlung zu verwenden. Hierbei können die verschiedenen Lösungsansätze unterschiedlichen Gruppen zugeordnet werden.

Bekannte Vorschläge gehen von der Tatsache aus, daß Drehzahl und Drehmoment einer elektrischen Maschine über das Magnetfeld gesteuert werden können. Diese Lösungen umfassen Generator-Motor-Kombinationen, bei denen das Feld einer oder beider Maschinen über Widerstände, zusätzliche Erreger-Maschinen oder Stromregler so gesteuert wird, daß das Drehmoment oder die Drehzahl dem Betriebszustand des angetriebenen Systems angepaßt werden kann.

Durch den Einsatz der Leistungselektronik wurden die Drehmoment-Steuerungen durch Drehmoment-Regelungen bzw. Drehzahl-Regelungen verdrängt. Die bekannten Anordnungen enthalten demzufolge stets elektronische Regelkreise und/oder Mikroprozessoren bzw. Prozeßrechner. Von diesen Regelkreisen wird dann entweder das Feld der beteiligten Maschinen oder der Strom, die Spannung bzw. Frequenz der zugeführten elektrischen Energie beeinflußt.

Eine Sonderstellung nehmen schließlich die hompolaren Maschinen ein, welche bauartbedingt gute Eigenschaften für eine Drehmomentwandlung mitbringen. Die bei geringen Spannungen

auftretenden sehr hohen Ströme, welche über Schleifringe o. ä.

geführt werden müssen, wirken sich jedoch nachteilig aus und in jedem Fall ist auch eine Steuerung oder Regelung des Drehmoments notwendig.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen elektrischen Drehmomentwandler zu schaffen, der bei hohem Gesamtwir- kungsgrad einen großen Drehzahl-ZDrehmomenten-Bereich aufweist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich der Vorteil, daß ohne Regelungseinrichtung eine Änderung der Abtriebsdrehzahl bei optimaler Antriebsdrehzahl möglich ist, wobei die übertragbare Leistung ein breites Maximum aufweist und nahezu konstant bleibt. Auch kann bei dem Erfindungsgegenstand eine zusätzliche Steuerung der "Übersetzung" vorgesehen werden, diese hat aber im Gegensatz zu bekannten Vorschlägen nicht die Aufgabe, die Abtriebsdrehzahl in jedem Moment an die möglichst konstante Drehzahl des Antriebs anzupassen, sondern sie dient ausschließlich der globalen Optimierung der übertragbaren Gesamtleistung.

Die erfindungsgemäße Lösung hat außerdem eine geringe Verlustleistung, die im wesentlichen mit der zu übertragenden Leistung steigt und mit steigender Abtriebsdrehzahl sinkt.

Der Gegenstand der Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft in Kraftfahrzeugen einsetzen, da der elektrische Wandler nicht nur das Wechselgetriebe sondern auch die Kupplungseinrichtung ersetzen kann. ■

In der Zeichnung ist eine beispielsweise *Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.

Es zeigen die Figuren
la ein Schaltungsschema des elektrischen Drehmomentwandlers

ζ1D y υ ö

Ib den Spannungsverlauf des Generators G, dreieckförmig 2a den Spannungsverlauf am Kondensator C und den Dioden D 2b den Stromverlauf in den Wicklungen des Motors M, rechteckförmig
3 ein Diagramm der Drehmoment- und Leistungsübertragung vom Antrieb auf den Abtrieb

4 eine schematische Längsschnittdarstellung des Motors M

5 ein Diagramm der Leistungsanpassung zwischen Antrieb und Abtrieb

6 eine schematische Querschnittdarstellung des Generator-Polrades

7a eine Teildarstellung der Generatorwicklung W 7b die Darstellung eines gesamten Stranges der Generatorwicklung nach 7a in Drehlage "s"

7c eine schematische Darstellung der' Verschachtelung mehrer Generatorwicklungen

8a eine Darstellung der Aufteilung der Wicklungen in Stranggruppen
8b eine Tabelle der Strangauswahl (Stromimpulse überlagern sich zu einem lückenlosen Gleichstrom) 8c die Spannungsverläufe einer. Motor-Strahggruppe 9 eine schematische Längsschnittdarstellung des elektrischen Drehmomentwandlers

10 eine Darstellung der Stranggruppen der Generatorwicklung W und der Motorwicklung W

Die Funktion des elektrischen Drehmomentwandlers beruht auf der erfindungsgemäßen Kombination eines Generators G mit einem

Gleichstrommotor M - die beide nachfolgend detailliert beschrieben werden - über eine Schaltung aus einem Kondensator C und zwei Dioden D und D (Fig. la).

Der spezielle Generator G erzeugt einen dreieckförmigen Spannungsverlauf (Fig. Ib),

u (t) = U *(l-4t/\T) für 0<t< ΛΤ/2 (Gleichung la)

u (t) =-U *(l-4t/AT) für AT/2<t<_\T (Gleichung Ib)

wobei T=l/N die Zeit für eine Umdrehung bei Drehzahl N ist, während ΔΤ=Τ/η die Zeit ist, in der sich der Generator G bei η Polpaaren gerade an einem Polpaar vorbeidreht. Die Scheitelspannung U =k N soll der Drehzahl N des Generators G, die Gleichspannung U =k N der Drehzahl N des Motors M

2 2 2 2

proportional sein. Die spezielle Bauart des Motors M besteht darin, daß er über zwei unabhängige Wicklungen W und W gespeist wird, an denen die Gegenspannung U mit entgegengesetzter Polarität ansteht. Der Übersichtlichkeit halber sind Kommutierungseinrichtungen des Gleichstrommotors M, sowie Einrichtungen zur Erzeugung der magnetischen Felder bei G und M nicht in Fig. la dargestellt.

Zur Zeit t=0 ist in Fig. 2a u (t)=U auf dem positiven Scheitelwert und der Kondensator C ist über die Diode D auf die

Spannung u =U -U aufgeladen. Bei fallender Spannung u (t) c 1 2 1

sinkt auch u (t) (vgl. Fig. la) und wird negativer als +U . P ²

bleibt aber bis zum Zeitpunkt t positiver als -U , d. h.

e 2

beide Dioden D . D sind gesperrt. Erst wenn bei t>t die

Spannung u unter -U sinken will, wird die Diode D leitend ρ 2

und hält u auf -U fest. Da u (t) bis t= Λ T/2 weiter abp 2 1

fällt, wird vom Zeitpunkt t an der Kondensator C über die

Diode D auf die entgegengesetzt gleich große Spannung

u =-U +U aufgeladen. Bei t= ΔΤ/2 ist dieser Vorgang beendet c 1 2

und u (t) beginnt wieder zu wachsen. Damit wächst auch u (t), 1 P

wird positiver als -U , aber bis t=AT/2+t negativer als U ,

2 e 2

d. h. beide Dioden D , D sind gesperrt. Erst wenn t posi-

+ ^P

tiver werden will als U , leitet D und lädt C wieder 'auf

u =U -U um.
c 1 2

Dieser Vorgang wiederholt sich nun periodisch, wobei abwechselnd die Wicklung W und W des Gleichstrommotors M vom

2 2

t5 Umladestrom i(t) des Kondensators C durchflossen wird. Dieser Strom hat die Größe

i(t)=C*du (t)/dt = C-(du (t)/dt - du (t)/dt) (Gleichung 2) c 1 ρ ·

und kann nun für die o. g. Zeitphasen stückweise beschrieben

„ι „ %

werden. Betrachtet man D und D als ideale Dioden mit Durch-

laßspannung u =0 und die Spannung des Generators G als ideale

Dreieckspannung, so erhält man aus Gleichungen 1 und 2:

0 <t<t : D und D gesperrt i(t) =0 e

(Gleichung 3a)

t -lt>AT/2: u (t) =u (t)+U i(t) = -4C-U /AT e - - c 1 2 1

(Gleichung 3b)

/XT

Λ T/2 -_t-_;t +.ΛΤ/2: D und D gesperrt i(t) =0 (Gleichung 3c)

t +_\T/2<tsAT: u (t)=u (t)-U i(t) = 4C*U /ΛΤ (Gleichung 3d)

e - cl2 1

Man erhält also wegen der Dreiecksform von u (t) einen abwechselnd positiven und negativen rechteckförmigen Stromverlauf, der in Fig. 2b dargestellt ist. Dabei fließt der positive Strom durch die Wicklung W der negative durch die Wicklung W des Motors M, so daß dieser von beiden Strömen in gleicher Richtung angetrieben wird. Da während der Sperrphasen die Spannung u (t) sich mit der gleichen Steigung

ändert wie u (t) , ist auch wie in Fig. 2a dargestellt:

t /2U = ΛΤ/4υ oder t = (Δ T/2)-(U /U ) (Gleichung 4) e 2 Ie 2 1

d. h. die Stromflußzeit Δ T/2-(Δ T/2)·(U /U ) nimmt mit wachsender Spannung U =k N , also mit wachsender Abtriebsdrehzahl N ab.

Nun kann gezeigt werden, wie die Drehmoment-Drehzahl-Abhängigkeit der erfindungsgemäßen Kombination zustande kommt. Dazu soll zunächst die vom Motor M während, einer Periode Δ Τ der Dreiecksspannung aufgenommene Arbeit'AW berechnet werden. Während der ersten Halbperiode 0<t < ΛΤ/2 fließt für die Zeit

(ΔΤ/2-t ) ein konstanter (s. Gleichung 3) Strom i(t) bei e

konstanter Spannung -U durch Wicklung W . Während der zweiten Halbperiode JdT/2<t<AT fließt für die gleiche Zeit ein entgegengesetzt gleichgroßer Strom i(t) bei entgegengesetzt gleichgroßer Spannung +U , so daß der Motor M in beiden

Halbperioden die gleiche Ehergie aufnimmt, d» h.

2'U *i* ( ΔΤ/2-t ) =

2 e .

2·ϋ · (4C-U ΜΤ)·(ύί/2-(ΔΤ/2)'(υ /UJ) =

4b ^ X £ X

4CO «tU -Uj (Gleichung S)

^H^ ^U9 12

Da diese Energie ih jeder Periode ΛΤ ausgenommen wird, läßt sich daraus die Leistung P = Δ Vl/Λ T und somit auch das

Drehmoment M = P /{27L ·Ν ) ermitteln und man erhalt mit 2 2 2

U = kl, U = k Ü undAi *» 1/(N n)

X X X C* £m £, X

P *.. (4CU · (Ü -U j/ΔΤ oder (Gleichung¹ 6ä)

P - (4k ·η*Ο·Ν 'H *(k N -k N ) (Öleichuiig fet)

22 121122

M = (2k ·η·Ο/ΤΓ)*Ν "(kN.-kN (Öleichutiig 1)

2 2 1 112 2

Nachdem diese Beziehungen für eine Kombination zwischen idea^eia Generator G und idealem Motor M unter Verwendung idealer Dioden D und eines idealen Kondensators G berechnet wurde, sind bei dieser Berechnung keine ohm'sehen Widerstäfide funktionsbestimmend. Demzufolge kann im Ideälfali auch keitite Energie Verlorengehen und die vom Generator G abgegeberie Leistung P muß gleich der vom Motor M aufgenommenen (Öiöi chung 6) Leistung P sein. Da auch am Generator G, M =*!*/(

2 11

*N ) ist, erhält man

P, = (4k ·η·Ο·Ν ⁴N · (k N -k N)=P = P (Gleichung¹ Öj

1 2 1211222

M = (2k *n-C/5T)*N * (v,N -k N ) und (Gleichung¹ 9j

12 2*1122

M'/M, * NVN _M (Gleichung Id)

2 112

Die Beziehung in der Gleichung 10 zeigt das Drehmomentwandler-Verhalten der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei das Abtriebsdrehmoment M bei Abtriebsdrehzahl N =0 zunächst unendlich zu werden scheint. Aus der Gleichung 7 sieht man

χ allerdings (Fig. 3), daß M (N ) von einem maximalen Wert bei \

N =0 ausgehend linear abfällt. Dieser endliche Wert von M *

2 2

wird aber verständlich, wenn man beachtet, daß das Drehmoment M am Generator G (Gleichung 9) für N =0 ebenfalls Null wird. Somit kann am Abtrieb bei Drehzahl N =0 ein maximales Drehmo-

ment M aufrecht erhalten werden, wobei P = P = M =0 ist. 2 2 11

Die optimale Leistungsübertragung zwischen Antrieb und Abtrieb erfolgt bei einem Drehzahlverhältnis, bei dem die Ableitung dP/dN = 0 ist, also bei

dP/dN =k N -2k N » 0; N /N = k,/2k (Gleichung 11)

oder bei dem Drehzahlverhältnis, bei dem U =k N gerade doppelt so groß ist, wie U =k N . Das Abtriebsdrehmoment M und die Leistung P fallen schließlich auf Null ab, wenn N den Wert erreicht, wo N k =N k ist, d. h., wo U =U wird (Fig. 3).

Durch die Gleichungen 6 bis 11 ist das Verhalten des elektrischen Drehmomentwandlers vollständig beschrieben. Nachfolgend soll nur noch verständlich gemacht werden, weshalb bei Abtriebsdrehzahl N =0 ein Drehmoment M =(2k 'n'C/Jt )*N aufrecht erhalten wird (Gleichung 7), ohne am Generator G Drehmoment (Gleichung 9) oder Leistung (Gleichung 8) zu benötigen.

Bei N =0 ist U =N k =0 und damit t =(Δ T/2)*(U /U )=0, d. h. 2 2 2 2 e 2 1

- IO -

die Stromimpulse ereichen eine maximale: Btdiifce: v:on "$%f2\^ 3 2 2 5 9 0 allerdings erzeugt i(t) am Motor M bei U =0 keine Leistung und P ist Null. Am Generator G liegt jedoch die Spannung u (t). bei Werten zwischen -U und +U so daß sicher die momen-tane Leistung ρ (t)^O ist. Allerdings verschwindet die abgegebene Leistung über jeder Halbperiode A T/2 der Dreieckspannung u (t), weil in dieser Zeit der Strom i(t) zwar konstant ist, die Spannung u (t) aber gleichgroße positive und negative Werte aufweist. Der Strom i treibt also von t=0 ^bis t=AT/4 und von t=AT/2 bis t=3AT/4 den Generator G an, während er ihn in den dazwischen liegenden Zeitphasen abbremst.

Dieser Wechsel bleibt auch bei wachsender Drehzahl N ' mit

abnehmenden Verhältnis t /t zwischen Antriebs- und Bremszeit

a b

(Fig. 2a) solange, bestehen, bis N einen Wert erreicht bei dem N 'k =N *K /2 ist, d. h. bis U = U /2 wird. Selbstverständlich läßt sich die bereits in Gleichung 8 angegebene Leistung P nun auch direkt berechnen und man erhält mit Gleichung 1 und Gleichung 3

AT
2O

W-= Tu (t)-i(t)dt = 2·/" Ö · (l-4t/AT.)· (-4C-Ü /Λ T) dt = 1 J₀ 1 _t 1 1

*2 2 AT/2 * 2

= -(8CU /AT)-It -2t /ΔΤ) I » 4C-(U U - U) 1 ' t 12 2

(Gleichung 12)

P =AW/4T = 4C*U * (U -U )/ΔΤ (Gleichung 13)

d. h. die vom Generator G erzeugte Leistung P ist gleich der im Motor M verbrauchten Leistung P wie man bei Vergleich

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zwischen Gleichung 13 und Gleichung 6a erkennt.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie bei konstanter Antriebsdrehzahl

N und bei festem k sich am Abtrieb die Drehzahl N je nach 12 2

Drehmomentbedarf einstellen kann. Obwohl der elektrische Drehmomentwandler im gesamten Bereich mit gutem Wirkungsgrad arbei tet, wird nur in der Umgebung von k N = k N /2 die maximale

2 2 11

Leistung übertragen. Durch Änderung von k während des Betriebs kann nun bei großem Leistungsbedarf in einem weiten Bereich von

N das Produkt k N bei k N /2 gehalten werden. Selbstverständ-2 2 2 11

lieh bringt eine Erhöhung der übertragbaren Leistung auch eine weitere Erhöhung des Drehmoments M bei niedrigen Drehzahlen.

Im einfachsten Fall kann k =U /N durch ein zwischen Motor und

2 2 2

Abtrieb eingebautes Getriebe geändert werden. Diese Kombination findet man häufig bei hydrodynamischen Wandler-Schaltgetrieben. Daneben bieten sich beim elektrischen Wandler weitere, sehr

einfache Möglichkeiten zur Änderung von k . Da die Gegenspannung U =k N eines Gleichstrommotors der Drehzahl N , der 2 2 2 · 2

Induktion B und der aktiven Leiterlänge proportional ist, muß k selbst proportional zu B und der aktiven Leiterlänge sein. Es bietet sich also an, k durch Änderung der aktiven Leiterlänge im Motor oder durch Änderung der Induktion B im Motor so einzustellen, daß stets die notwendige Leistung zur Verfügung steht.

Die Feldänderung wird in der Praxis geringe Bedeutung haben,

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weil das Feld des erfindungsgemäßen Motors M vorteilhafterweise von Permanentmagneten erzeugt wird. Andererseits bieten sich für eine Beeinflussung von k über die Änderung der aktiven Leiterlänge bauartbedingt zwei einfache Möglichkeiten· Da der Gleichstrommotor M vorzugsweise so aufgebaut ist, daß eine ruhende, auf einem Zylindermantel liegende Wicklung W in den Luftspalt eines Polrades P eintaucht (Fig. 4), kann die Eintauchtiefe mit Hilfe des Schlittens S kontinuierlich verändert werden. Damit ändert sich aber auch die aktive Leiterlänge 1 und schließlich k , so daß diese Anordnung die Funktion eines stufenlosen Getriebes hat.

Für die praktische Anwendung genügt jedoch auch eine stufenweise Änderung von k , die auf einfache Weise durch stückweises Zu- oder Abschalten von Leiterlängen 1 erfolgen kann. So kann beispielsweise die gesamte Leiterlänge 1 in 16 Stück Δ 1 =1/16 aufgeteilt werden und der Motor M mit einer effektiven Leiterlänge j'Al = j"l /16 betrieben werden. Fig. 5 zeigt, daß sich bei großem k (d. h. j = 16) ein sehr großes Drehmoment bei N = 0 ergibt und daß zwischen einer unteren Drehzahl N , . und

2(u)

einer oberen Drehzahl N ein breiter Bereich mit nahezu

2( o)

optimaler Leistungsanpassung vorhanden ist. Die konstanten Stufen Δ1 der Leiterlänge bewirken, daß bei niedrigen Drehzahlen mit schmalen Leistungsmaxima eine enge Stufung, bei hohen Drehzahlen mit breiten Leistungsmaxima eine

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weitere Stufung über N eintritt, so daß in einem sehr großen Drehzahlbereich die Fehlanpassung der Leistung auf etwa 1 % beschränkt bleibt.

Die Anpassung von k an den Betriebszustand unter Verwendung einer der o. g. Methoden bringt also eine erfindungsgemäße Erweiterung des Bereichs mit maximaler Leistungsübertragung.

Für die erfindungsgemäße Funktion des elektrischen Drehmomentwandlers ist es unerheblich, auf welche Weise der Generator G einen durch Gleichung 1 gekennzeichneten, dreieckförmigen Spannungsverlauf erzeugt. Trotzdem soll eine besonders einfache Bauart eines derartigen Generators G vorgeschlagen werden.

Das Polrad P des Generators G (Fig. 6) besteht aus einem inneren und einem äußeren Ring mit je 2n Permanentmagneten PM, deren Pole sich so gegenüberstehen, daß abwechselnd Zonen mit radial nach innen und radial nach außen verlaufendem Magnetfeld entstehen. Das Magnetfeld wird durch.einen inneren und äußeren magnetisch leitfähigen Ring R rückgeschlossen. In den Luftspalt taucht die zylinderförmig angeordnete Wicklung W ein, wobei die parallel zur Drehachse des Polrades P verlaufenden Komponenten der Leiterlängen senkrecht zur Relativgeschwindigkeit ν und zum Magnetfeld stehen.

In Fig. 7a ist die Wicklung W so dargestellt, daß die Luftspaltebene in der Papierebene liegt. Der Zeitpunkt t=0 sei so

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'4f Ί l·!·: I /-i*SV;.32259O8

gewählt, daß Eintritt 1, Umkehrpunkt 3 und Austritt 5 der V-förmigen Leiterschleife W mit den Magnetisierungsgrenzen des Polrädes zusammenfallen. Der Weg s ist dann bei t=0 ebenfalls Null und wächst mit s=vt. Nun kann leicht die in Richtung der Drehschffe, d. h. die in Fig. 7a in Richtung der Magnetisierungsgrenzen liegende wirksame Leiterlänge der Wicklung W in Abhängigkeit von s angegeben werden. Die Beiträge der einzelnen Leiterstücke zur Spannung u sind nun je nach Laufrichtung des Leiters und je nach Magnetfeldrichtung positiv oder negativ zu zählen und zwar

(Gleichung l4a) bzw.
u = VB* [-a+(l-a)-a+(l-a)] .= VB*(21-4a) (Gleichung 14b)

Aus Fig. 7 ist zu entnehmen, daß a/s=l/(U/2n) bzw. a = l*s/(ü/2n) ist. Da sich die Wege s und die Magnetbreite (ü/2n) wie die Zeiten t und Δ T/2 verhalten, wird aus Glei~ chung 14b .'

u (t) = vB*(21-81't/AT) = 2vB-l'(l-4t/AT) (Gleichung 14c)

Bei t= ΔΤ/2 fällt Eintritt 1, Umkehrpunkt 3 und Austritt 5 der Leiterschleife wiederum mit Magnetisierungsgrenzen zusammen und der Vorgang beginnt mit umgekehrter Feldrichtung und Spannung d. h.

u (t) = -2ν·Β·1·(1-.4ί/ΔΤ) (Gleichung l4d)

Schließlich können η Leiterschleifen auf dem Umfang U der zylinderförmigen Wicklung W untergebracht werden, die dann alle die gleiche relative Drehlage s zu den Magnetisierungsgrenzen haben (Fig. 7b). Diese können deshalb in Reihe geschaltet werden und vergrößern u (t) um den Faktor n. Setzt man schließlich 2n*v*B = U , so geht Gleichung 14c und 14d in Gleichung la und Ib über.

Wie in Fig. 7c gezeigt, können weitere dreieckförmig verlaufende Leiter, z. B. 2, 3 8, 1', 2' ... 8· mit Leiter 1

verschachtelt werden. Bei allgemein i=l ... I, i'=l ... I ineinander verschachtelten Wicklungen liefern jedoch nur i und i¹ miteinander entgegengesetzt gleichphasige Spannungen U (t) a -U ., (t).

Ii Ii

Ein erfindungsgemäßer Vorteil besteht nun gerade darin, für alle 2*1 Stränge die in Fig. 1 gezeigte Schaltung getrennt aufzubauen und so die durch die Kondensatoren C und die

Dioden D und D zu übertragende Leistung so zu begrenzen, daß i i ·

auch bei einer großen Gesamtleistung P herkömmliche Bauelemente verwendet werden können. Die eingeprägten Ströme der

einzelnen Stränge können dann an einem Wicklungspaar W , W oder an mehreren Gruppen von Wicklungspaaren summiert werden.

ι _M

Auch die Aufteilung der Motorwicklung W , W in mehrere Gruppen bietet erfindungsgemäße Vorteile, weil dadurch die von den

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Kommutierungseinrichtungen zu übertragende Leistung so begrenzt werden kann, daß z. B. bei einer kollektorlosen Ausführung herkömmliche Leistungshalbleiter verwendet werden können. Diese Aufteilung ist auch dann möglich _t wenn Fertigungstoleranzen und Materialstreuung zu kleinen Spannungsunterschieden zwischen den Wicklungssträngen W . führen, weil alle von verschiedenen Wicklungssträngen des Generators G, d. h. von jeweils eigenen Stromquellen versorgt werden.

In Fig. 8a ist beispielhaft eine solche Aufteilung in Stranggruppen gezeigt. Zunächst sind die vier Stränge 1, 5, 1' und 5¹ aus Fig. 7c so zusammengefaßt, daß deren positive Ströme i , i , i¹ und i' nach den Dioden D an U summiert werden,

X O J. O i£

während sich die entsprechenden negativen Ströme -i , -i ,

-i' und -i· an -U summieren. Die Funktionsweise eines einzel-15 2

nen Stranges wird nicht davon beeinflußt, daß weitere Stränge an der gemeinsamen Spannung +U bzw. -U angeschlossen sind. Die Stränge sind erfindungsgemäß gerade so ausgewählt, daß bei Leistungsanpassung sich - wie in der Tabelle Fig. 8b dargestellt - die Stromimpulse zu einem lückenlosen Gleichstrom überlagern. Die restlichen Stränge (Fig. 7c) sind ebenfalls zu Gruppen (2, 6, 2', 6'), (3, 7, 3¹, 7'),'(4, 8, 4·, 8') zusammengefaßt (Fig. 10).

Die Wicklungen des Motors M sind so verlegt, daß die Leiter mäanderförmig im Luftspalt eines Polrades P verlaufen, das ähnlich aufgebaut ist wie P (Fig. 6). Im Idealfall würde dann jeder Leiter eine abwechselnd positive und negative Rechteckspannung als Gegenspannung aufbauen. Da aber ein rechteckförmiger Feldverlauf im Polrad P nur schwer realisierbar sein

wird, erhält man für die Spannung u (t) eines Stranges einen ungefähr trapezförmigen Verlauf (Fig. 8c). Wählt man von den beispielsweise 12 Strängen des Motors M die Stränge 1, 5 und aus, so hat zu jedem Zeitpunkt wenigstens einer der Stränge die Spannung +U , ein anderer die Spannung -U , also z. B. zum Zeitpunkt t (Fig. 8c) die Stränge 5 und 1. Wird nun jeweils

zum richtigen Zeitpunkt der richtige Schalter S. in Fig. 8a

betätigt, sind also z. B. zur Zeit t die Schalter S und S , geschlossen, so kann der positive und negative Generatorstrom O jeweils durch die entsprechenden Wicklungstetränge des Motors M fließen. Die restlichen Stränge des Motors sind selbstverständlich ebenfalls zu Gruppen zusammengefaßt (Fig. 10).

Die Schalter S können entweder Leistungshalbleiter oder i

mechanisch wirkende Kommutatoren sein. Da aber die Wicklungszylinder W und W vorteilhafterweise fest angeordnet sind und die Polräder P und P sich diesen gegenüber mit unterschiedlichen Drehzahlen N und N drehen können, ist sicherlich eine elektronische Kommutierung ohne mechanisch bewegte Teile

± vorteilhaft. Eine Vertauschung der Schaltr.eihenfolge von S.

O erlaubt auf einfache Weise eine Drehrichtungsumkehr.

Obwohl die erfindungsgemäße Funktion des elektrischen Drehmomentwandlers nicht von dem beispielhaft dargestellten Aufbau abhängt, ergibt sich bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Funktionen eine Bauform, die in Fig. 9 dargestellt ist.

Eine rotationssymmetrische Trägerkonstruktion Tr kann mit

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einem Flansch Fl an der das Eingangs'drehmoment M erzeugenden - nicht dargestellten - Maschine befestigt werden. Tr enthält weiterhin die Lagerung LaI und La2 der Antriebswelle WeI und der Abtriebswelle We2. Schließlich trägt Tr die zylinderförmige Wicklung W des Generatorteils G und die Wicklung W des Motorteils M.

Auf den Wellen WeI und We2 sind die Polräder P und P be-

1 2

festigt, die die Permanentmagnete PM tragen (Fig. 6). Es ist vorteilhaft, die wegen eines hohen Abtriebmomentes M größere Magnetfläche des Polrades P in zwei konzentrischen Systemen anzuordnen, wobei dann insgesamt weniger Material für Magnete und Rückschlüsse notwendig ist. Selbstverständlich muß dann auch die Motorwicklung W in zwei konzentrischen Zylindern angeordnet werden. Die Kondensatoren C , die Dioden D und

i i

Dioden D. sowie die Kommutierungseinrichtungen (Fig. 8a) können gut zugänglich neben dem Flansch Fl an der Trägerkonstruktion Tr befestigt werden.

Claims

Ao KUGELFISCHER GEORG SCHÄFER & CO. R-RS-712-reh-gu . 1 Ü Ό 7 " 82^' 322

1.)Elektrischer Drehmomentwandler, angeordnet zwischen einem antreibbaren und einem angetriebenen System, dadurch gekennzeichnet , daß bei dem Drehmomentwandler

ein Wechselspannungsgenerator (G),

dessen voneinander unabhängige Stränge der Wicklung (W ) jeweils eine angenähert dreiecktörmige, über die Zeit (t) verlaufende und jeweils phasenverschobene Spannung (U (t)) erzeugen

mit einem Gleichstrommotor (M),

der über mehrere, voneinander unabhängige Leitungen (V und V ) mit eingeprägten Strömen so versorgt wird, daß je ein Paar von Versorgungsleitungen (V und V ) über eine der voneinander unabhängigen Kommutierungseinricntungen (Ko) jeweils

eine der voneinander unabhängigen Gruppen von Strängen der Wicklung (W ) speist,

verbunden ist und zwar

über mehrere, parallel zueinander arbeitende Schaltungen aus je einem Kondensator (C) und zwei Dioden

(D und D ) oder je einem Kondensator (C) und steuerbaren Schaltsystemen der Kommutierungseinrichtungen (Ko).

»■St»

so daß

jeder Kondensator (C) mit einer seiner Klemmen an einem der Wicklungsstränge (W ) des Generators (G) und mit seiner anderen Klemme an zwei entgegengesetzt gepolte, zu einem Paar von Versorgungsleitungen (V und V ) des Motors (M) führende Dioden

(D und D ) oder steuerbaren Schaltsystemen, angeschlossen ist,

wobei jeweils

so viele Stränge des Generators (G) mit geeigneter

Phasenlage ein Paar von Versorgungsleitungen (V und V ) des Motors (M) speisen, so daß sich bei Leistungsanpassung die Ladestromimpulse der Kondensatoren (C) annähernd zu einem kontinuierlichen Gleichstrom verschachteln und

wobei durch .

eine geeignete Aufteilung von .Stranggruppen der Wicklung (W ) des Motors (M) die Schaltleistung der Kommutierungseinrichtungen (Ko) auch bei großen Gesamtleistungen des Drehmomentwandlers so beschränkt

wird, daß diese Leistung mit an sich bekannten Halbleitern oder mechanischen Schaltern übertragbar ist.

2. Elektrischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Generatorwicklung (W ) auf der Mantelfläche eines feststehenden, in den Luftspalt eines mit Permanentmagneten (PM) bestückten Polrades (Pl) eintauchbaren Zylinders dreieckförmig angeordnet sind.

3. Elektrischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Motorwicklung (W ) auf der Mantelfläche eines drehfesten, in den Luftspalt eines Permanentmagneten (PM) bestückten Polrades (P2) mittels Längsverschiebung unterschiedlich tief eintauchbaren Zylinders mäanderförmig angeordnet sind.

4. Elektrischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strang der Motorwicklung (W ) zwecks Leistungsanpassung mit aus dem Stromkreis ausschaltbaren Teilstücken versehen ist.

5. Elektrischer Drehmomentwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polräder (Pl und P2) mehrschalig sind und mit mehreren konzentrischen Luftspalten versehen «sind.