DE3225908C2

DE3225908C2 - Elektrischer Drehmomentwandler

Info

Publication number: DE3225908C2
Application number: DE3225908A
Authority: DE
Inventors: Adam 8552 Höchstadt Dittner; Georg Prof. Dr.rer.nat. 4790 Paderborn Hartmann
Original assignee: FAG Kugelfischer Georg Schaefer KGaA
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1982-07-10
Filing date: 1982-07-10
Publication date: 1984-09-27
Also published as: FR2530093A1; DE3225908A1; GB2124831A; SE451925B; FR2530093B1; GB2124831B; SE8303774D0; US4543505A; SE8303774L; GB8318372D0

Abstract

Ein zwischen einem antreibenden und einem angetriebenen System angeordneter elektrischer Drehmomentwandler besteht aus einem Wechselspannungsgenerator G, der mit einem Gleichstrommotor M über mehrere parallel zueinander arbeitende Schaltungen C, D, Ko verbunden ist (Fig. 10).

Description

stehenden, in den Luftspalt eines mit einem Permanentmagneten bestückten Polrades einiauchbaren Zylinders dreieckformig angeordnet sind.

Zur Justierung von Klcinmuschinen ist es nach der DF.-PS 939463 bereits bekannt, einen Läufer mit freitragender Wicklung in einem Luftspalt /wischen einem Dauermagnetkern und einem Rückschlußring anzuordnen und den RückschluBring mittels Sehrauben zu fixieren.

Ebenfalls bekannt ist nach der DH-OS 2101459 ein Gleichstrommotor, bei welchem durch Zu- bzw. Abschalten von Teilen der Ankerwicklung ein Betreiben in verschiedenen Drehzahlstufen (Übersetzungsänderung) möglich ist.

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 Erfindungsgcgenstandes schematisch dargestellt.

Es zeigen die Figuren

la ein Schaltungsschcma des elektrischen Drehmo-

meniwandlers
Ib den Spannungsverlauf des Generators G. dreieek-

formig
2a den Spannungsverlauf am Kondensator C und den

Dioden D
2b den Stromverlauf in den Wicklungen des Motors A/. rcchteckförmig

3 ein Diagramm der Drehmoment- und Leistungsübertragung vom Antrieb auf den Abtrieb

4 eine schemaiische Längsschnittdarstellung des Motors Λ/

5 ein Diagramm der Leistungsanpassun.il zwischen Antrieb und Abtrieb

6 eine sehcmatische (Jucrschnitidarsiclliing des Generator-Polradcs

7a eine Teildarstcllung der Gcncratorwicklung W₁

7b die Darstellung eines gesamten Stranges der Generaiorwicklung nach 7a in Drehlage »v«

7c eine schematische Darstellung der Verschachtelung mehrerer Gencratorwieklungcn

8a eine Darstellung der Aufteilung dir Wicklungen in Stranggruppen

8b eine Tabelle der Strangauswahl (Stromimpulse überlagern sich zu einem lückenlosen Gleichstrom)

8c die Spannungsverläule ,-iner Motor-Siranggruppe

9 eine schemaiische Längsschnittdarstellung des elektrischen Drehmoment wandlers

10 eine Darstellung der Stranggruppen der Generalorwicklung W₁ und der Motorwieklung W₂

Die Funktion des elektrischen Drehmomentwandler* beruht auf der erfindungsgemäßen Kombination eines Generators (7 mit einem Gleichstrommotor Λ/ - die beide nachfolgend detailliert beschrieben werden - über eine Schaltung aus einem Kondensator C und zwei Dioden D' und D (lig. l:i).

Der spezielle Generator G erzeugt einen dreieckförmigen Spannungsverlauf(Fig. 1 b).

M₁ (/)=£',-(I--4///ID für Oi/S 1772

(Gleichung la)

M₁I/)= -("',· Π --4/ .1V) für 17725/5.17'

(Gleichung Ib) wobei T- 1..V₁ die Zeit für eine Umdrehung bei Drehzahl /V₁ ist. während AT=Tn die Zeit is;, in der sich der Generator G bei. #r Polpaaren gerade an einem Polpaar vorbeidreht. Die Scheitelspannung T₁=A₁-V₁ soll der Drehzahl Λ', des Generators G. die Gleichspannung U₂ ^k₁N, der Drehzahl /V, des Motors M proportional sein. Die spezielle Bauart des Motors Λ/ besteht darin, daß er über zwei unabhängige Wicklungen HV und II", gespeist wird, an denen die Gegen-

U) spannung U₂ mit entgegengesetzter Polarität ansieht. Der Übersichtlichkeit halber sind Kommutierungseinrichtungen des Gleichstrommotors Λ/. sowie Einrichtungen zur Erzeugung der magnetischen Felder bei G und M nicht in Fig. Ia dargestellt.

Zur Zeit / =0 ist in Fig. 2a m, (I) = O₁ auf dem positiven Scheitelwert und der Kondensator C ist über die Diode U' auf die Spannung », = (?, -U-, aufgeladen. Bei fallender Spannung z(, (/) sinkt auch ujt) (vgl. Fig. la) und wird negativer als +U₂. bleibt aber bis

2i) zum Zeitpunkt /,. positiver als - U,. d..i. beide Dioden D'. D sind gesperrt. F.rsi wenn bei / > /,. d.e Spannung it_p unter — U₁ sinken will, wird die Diode D' leitend und hält u_p auf - U₂ lest. Da m, (/) bis / = .JT/2 weiter abfallt, wird vom Zeitpunkt /,. an der Kondensator C

if über die Oiode /) auf die entgegengesetzt gleich große Spannung u_r= — U₁ + U₂ aufgeladen. Bei /= 1T>2 ist dieser Vorgang beendet und /(.(/) beginnt wieder zu wachsen. Damit wächst auch M₁₁(Z). wird positiver als — l',. aber bis / = 17/2 + /,. negativer als U₂. d.h. beide

in Dioden /)'. D sind gesperrt. Erst wenn /₍, positiver weiden will als U₂. leitet D' und lädt C wieder auf M₁. = T₁ - (/, um.

Dieser Vorgang wiederholt sich nun periodisch, wobei abwechselnd die Wicklung IvV und W₁ des Gleich-

.'J strommoiors Λ/ vom Umladestrom /"(/) des Kondensators C durchflossen wird. Dieser Strom hat die GmBe

IU) = C- </m,(z )jdl = C · [du, (ζ)/'(// - du_p( ι ).di)
* (Gleichung 2)

und kann nun für die o.g. Zeilphasen stückweise beschrieben werden. Betrachtet man D ^h und D~ ais ideale Dioden mit Durchlaßspannung m,,-0 und die Spannung ■*"■ des Generators G als ideale Dreieckspannung, so erhält man aus Gleichungen 1 und 2:

0 ξ ι-S I₁.: D' und D gesperrt/(Z) = O

(Gleichung 3a)

Z,. <. /-,; Mil: ItJt) = IIiH) +U₂ /(M=-4C-(Z₁MT

(Gleichung 3b)

.1Γ/2 1-It: /,. + .1772: /)' und/) gespem /'(/) = 0

(Gleichung 3c)

Z, f 17}2S ZS.17": «,.(/) = «,(/)-(/, /(/) = 4C-(7_I/.;IT

(Gleichung 3d)

Man erhalt also wegen der Dreiecksform von ujt) einen abwechselnd positiven und negativen Kchteckförmigen Stromverlauf, der in Fig. 2b dargestellt ist. Dabei Hießt der positive Strom durch die Wicklung W₂ der negative durch die Wicklung W₁ des Motors M, so daß dieser von beiden Strömen in gleicher Richtung angetrieben wird. Da während der Sperrphasen die Spannung U₁₁(D sich mit der gleichen Steigung ändert wie it, (D. ist a'ich wie in Fin. 2:i daruesicllt ■

1,.12U₁=ATlAU, oder /,-(I/ 2) · UVC,)

(Gleichung 4)

d. h. die Stromflußzeit. 1 7,2 - ( 1 T 2) ■ (U, C₁) nimmt mit wachsender Spannung C₂=A, Λ',, also mit wachsender Abtriebsdrehzahl /V, ab.

Nun kann gezeigt werden, wie die Drchmomcnt-Drehzahl-Abhängigkeit der erfindungsgemäßen Kombination zustande kommt. Dazu soll zunächst die vom Motor M während einer Periode 17' der Dreiecksspannung aufgenommene Arbeit .1 W berechnet werden. Wahrend der ersten Halbpcriodc Oi? I^ 1 772 fließt für die Zeit (ΙΓ'2-/,.) ein konstanter (s. Gleichung 3) Strom ;(/) bei konstanter Spannung - U₂ durch Wicklung IC, . Während der zweiten Halbperiode :1772s=/= .17' Hießt für die gleiche /eil ein entgegengesetzt gleichgroßer Strom /(O bei entgegengesetzt gleichgroßer Spannung +U₂. so daU der Motor M in

tttllUMMim ,

■Ill·'--= MV'T-177 2-/,) =

= 2-C,(4CC, \T)-\.iT2-i.\T.2)-{U₂'C_x))--- -4Ct-V(T₁-(J ((}leichung 5)

Da diese F.nergie in jeder Periode 1 T aufgenommen wird. IaLU sich daraus die Leistung P₂ = Ml' 17' und somit auch das Drehmoment Λ/, - P-,:(2π- N,) ermitteln und man erhält mit (.',-A₁V₁, C= A,.V, und /ΙΓ= 1,.(,V₁//)

P₂ = (4C-U₁-(C₁ - L _;))vl7'odcr (Gleichung 6a)

P₁ = (4k,-ii-C)-N, AV(A₁.V₁ -λ,Λ,)

(Gleichung 6b) Λ/_ -^nL- ■.!■<·■ ir»- ν ti χ — L ν ur:i..;.-v....„> i\

κι Die optimale Leistungsübertragung zwischen Antrieb und Abtrieb erfolgt bei einem Drehzahlverhältnis, bei dem die Ableitung ilPiilN, - 0 ist. also bei

(//'■(//V, = A₁ /V₁ - 2A, ,V, - 0: /V, /V, = A, 2A₂

(Gleichung 11)

oder bei dem Drehzahlverhältnis, bei dem (Z₁=A₁A', gerade doppelt so groß ist. wie U₂^k₂N₂. Das Abtriebsdrehmomcnt M₂ und die Leistung P fallen schließlich auf Null ab. wenn N₁ den Wert erreicht, wo ,V₂A; -- ,V₁A₁ ist. d.h. wo C, -■ C₁ wird (Kig. 3).

Durch die Gleichungen 6 bis 11 ist das Verhalten des elektrischen Drehmomentwandler vollständig beschrieben. Nachfolgend soll nur noch verständlieh gemacht werden, weshalb bei Abtriebsdrehzahl A'₂=0ein Drehmoment Λ/, ■= (2A, ir C'in)- /V₁ aufrecht erhalten wird (Gleichung 7). ohne am Generator G Drehmoment (Gleichung '·/) oder Leistung (Gleichung S) /u ίκτ-ηοι igen.

Hei VV-O ist U₁-S₁Ii₁ = 0 und damit I₁. -( t T 2)-(U₁:C₁)-(). d.h. die Stromimpulseerreichen eine maximale Breite von I T 2. allerdings erzeugt /(O am Motor M bei C₂ = O keine Leistung und P₁ ist Null. Am Generator G liegt jedoch die Spannung u,(i) bei Werten zwischen - C₁ und + C₁. so daß sicher die momentane Leistung />, (O ^O ist. Allerdings verschwinde! die abgegebene Leistung über jeder Halbperiode 17/2 der Dreieckspannung «,(/). weil in dieser Zeit der Strom /(O zwar konstant ist. die Spannung U_x(D aber gleichgroße p^f»sittve und negative Werte aulweist. Der Strom / treibt also von I -0 bis ι - Λ T/4 und von ι- 1 77 2 bis / =3,17/4 den Gencraior G an. während er ihn in den dazwischen liegenden Zeitphasen abbremst.

Dieser Wechsel bleibt auch bei wachsender Drehzahl

eridcr! Verhält

is ' // zwischen

Nachdem diese Beziehungen für eine Kombination zwischen idealem Generator G und idealem Motor M unter Verwendung idealer Dioden D und eines idealen Kondensators i" berechnet wurde, sind bei dieser Berechnung keine ohm'schcn Widerstände funkt ionsbestimmend. Demzufolge kann im Ideallall auch keine Energie verlorengehen und die vom Generator G ab- ·»< gegebene Leistung /', muß gleich der vom Motor Λ/ aufgenommenen (Gleichung t>) Leistung P, sein. Da auch am Generator G. M_x = P_x (2ζ· /V₁) ist. erhält man

P_x = (4A , ■ η · C) ■ A₁ ■ .V₂ ·(A:, ,V₁ - A , /V₂) - P₂ = P >n

(Gleichung S)

.1/, =(2k₁-n-C,-π)·.VV(A-, V₁ -A-,.V,) und

(Gleichung 9)

.1/,.VZ₁ = A₁A", (Gleichung 10) *>

Die Beziehung in der Gleichung 10 zeigt das Drchmomentwandler-Verhalten der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei das Abtriebsdrehmoment V/, bei Abtriebsdrehzahl .V₂ = O zunächst unendlich zu werden mi scheint. Aus der Gleichung 7 sieht man allerdings (1 ig. 3). daß M₂(N₁) von einem maximalen Wen bei A₂=O ausgehend linear abfällt. Dieser endliche Wen von Λ/. wird aber verständlich, wenn man beachtet, daß das Drehmoment Λ/, am Generator G (Gleichung '■>) t# für .V₂ -=0 ebenfalls Null wird. Somit kann am Abtrieb bei Drehzahl Λ', = 0 ein maximales Drehmoment Λ/, aufrecht erhallen werden, wobei P₂ = P_x - M_x -- 0 ist. und Bremszeil (1-ig. 2a) solange bestehen, bis /V₂ einen Wert erreicht bei dem A', A₂ -- /V₁ · K_x 2 ist. d.h. bis C, = C₁ 2 wird. Selbstverständlich läßt sich die bereits in Gleichung S angegebene Leistung P_x nun auch direkt berechnen und man erhält mit Gleichung 1 und Gleichung 3

I If₁ -- j U_x(D-HDtIi =

-2- J' C₁ (I-4/, I T) (-4C- C₁ /J T)(Ii =
-- (XCU,^:IAT)(i~2r:AT) J =

t,.

--- 4C-(C₁ C₂- Cf) (Gleichung 12)

/', - 1 WiAT=4C- U₁(U_x - U₂)- 17"(Gleichung 13)

d.h. die vom Generator G erzeugte Leistung P, ist gleich der im Motor M verbrauchten Leistung P_x wie man bei Vergleich zwischen Gleichung 13 und Gleichung 6a erkennt.

In l-'ig. 3 ist dargestellt, wie bei konstanter Antriebsdrehzahl .V₁ und bei festem A₂ sich am Abtrieb die Drehzahl /V, je nach Drehmomentbedarf einstellen kann. Obwohl der elektrische Drehmomentwandler im gesamten Bereich mit gutem Wirkungsgrad arbeitet, wird nur in der Umgebung von k₂N_i = k,N_xi2 die maximale Leistung übertragen. Durch Änderung von A', während des Betriebs kann nun bei großem Leistungs-

bedarf in einem weilen Bereich von V, das Produkt A, V. bei A·. .V₁ 2 gehalten «erden Selbstverständlich bringt eine Frhöhung der übertragbaren Leistung auch eine weitere Frhöhung des Drehmoments M₁ bei niedrigen Drehzahlen.

Im einfachsten lall kann A , - l\ .V, durch ein /wischen Motor und Abtrieb eingebautes Geiriebe geändert werckn. Diese Kombinaiion findet man häufig bei hydrodynamischen Wandler-Schaltgetrieben. Daneben bieten sich beim elektrischen Wandler weitere, sehr einfache Möglichkeiten /ur Änderung von A,. Da die Gegenspannung U-, - A , /V, eines Gleichstrommotors der Drehzahl A',. der Induktion H₁ und der aktiven l.eiterlänge proportional ist. muli A^-, selbst proportional zu B₁ und der aktiven Leiterlänge sein. Ls bietet sich also an. A', durch Änderung der aktiven Leiterlänge im Motor oder durch Änderung der Induktion B₁ im Motor so einzustellen, daß stets die notwendige Leistung /ur Verfügung steht.

Die Fcldänderung wird in der Praxis geringe Bedeutung haben, weil das leid des erllndungsgemäUen Motors Λ/ vorteilhafterweise von Permanentmagneten erzeugt wird. Andererseits bieten sich für eine Beeinflussung von A·, über die Änderung der aktiven Leiterlänge bauartbedingt zwei einfache Möglichkeiten. Da der Gleichstrommotor M vorzugsweise so aufgebaut ist. duU eine ruhende, auf einem Zylindermantel liegende Wicklung Hj in den Luftspalt eines Polrades P₁ eintaucht (I· ig. 4). kann die Kintauchtiefe mit Hilfe des Schlittens ,V kontinuierlich verändert werden. Damit ändert sich aber auch die aktive Leiterlänge /_: und schließlich A,. so daß diese Anordnung die Funktion eines siufenlosen Getriebes hat.

Für die praktische Anwendung genügt jedoch auch eine stufenweise Änderung von A-,. die auf einfache Weise durch stückweise* Zu- oder Abschalten von I.eiteriängen /, erfolgen kann. So kann beispielsweise die gesamte Leiterlänge /, in 16 Stück 1/, -/,/16 aufgeteilt werden und der Motor Λ/ mit einer effektiven Leiterlänge / · Ί/j =/·/,/16 betrieben werden, Fig. 5 zeigt, daß sich bei großem A, (d.h. /- 16) ein sehr großes Drehmoment bei N₁ = 0 ergibt und daß zwischen einer unteren Drehzahl A',_lul und einer oberen Drehzahl N₁₁,,, ein breiter Bereich mit nahezu optimaler Leistungsanpassung vorhanden ist. Die konstanten Stufen 1/, der Leiterlänge bewirken, daß bei niedrigen Drehzahlen mit schmalen Lcistungsmaxinia eine enge Stillung, bei hohen Drehzahlen mit breiten Leistungsmaxima eine weitere Stufung über N₁ eintritt, so daß in einem sehr großen Drehzahlbereich die Fehlanpassung der Leistung auf etwa 1 % beschränkt bleibt.

Die Anpassung von A^-, 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 I gekennzeichneten, dreiecklormigen Spannungsvcrlauf erzeugt. Trotzdem soll eine besonders einfache Bauart eines derartigen Generators G vorgeschlagen werden.

Das Polrad P_x des Generators G (Fig. 6) besteht aus einem inneren und einem äußeren Ring mit je 2u Permanentmagneten PM, deren Pole sich so gegenüberstehen, daß abwechselnd Zonen mit radial nach innen und radial nach außen verlaufenden Magnetfeld entstehen. Das Magnetfeld wird durch einen inneren und äußeren magnetisch Ieitlahigen Ring R rückgeschlossen.

In ilen luftspalt taucht die /ylinderförmig angeordnete Wicklung \i\ ein. wobei die parallel zur Drehachse des Polrades P₁ verlaufenden Komponenten der Leiterlangen senkrecht zur Relativgeschwindigkeit r und /um Magnetfeld stehen.

In Iiμ. 7a ist die Wicklung W_x so dargestellt, daß die l.ufispaltebene in der Papierebene liegt. Der Zeitpunkt /-() sei so gewählt, daß F.intritt 1. Umkchrpunkt 3 und Austritt 5 der V-förmigen Leiterschleife

in Il ι mit ilen Magnetisierungsgrenzen des Polrades zusammenlallen. Der Weg .v ist dann bei / = () ebenfalls Null und wächst mit .v = r·/. Nun kann leicht die in Richtung der Drehachse, d.h. die in Fig. 7a in Richtung der Magnctisierungsgrenzen liegende wirksame Lcitcrliingc der Wicklung W_x in Abhängigkeit von ν angegeben werden. Die Beiträge der einzelnen Leiterstücke zur Spannung U_x sind nun je nach Laufrichtung des Leiters und je nach Muanctfelrlrirhtiing positiv oder negativ /u zählen und zwar

bzw.

₄₅ (Gleichung 14a)

U_x-I-- H-I ■■ <;+(/-«)-rt+ </-«)) = r-ß-(2/-4a)

(Gleichung 14b)

Aus Fig. 7 ist zu entnehmen, daß ais = l!{Ul2n) bzw. a Is₁(I .'/2/I) ist. Da sich die Wege ν und die Magnetbreite ((''2/I) wie die Zeiten ι und I 772 verhalten, wird aus Gleichung 14b

) = T ■/H2/-K/-i/.l 7") = 2i

ΒΙ-(\-4ι,ΑΤ) (Gleichung 14c)

Bei I- 17" 2 fällt Fintritt 1. Umkehrpunkt 3 und Austritt 5 tier L.eiterschleife wiederum mit Magnctisierungsgrenzen zusammen und der Vorgang beginnt mit «ι umgekehrter Feldrichtung und Spannung d.h.

!/,(/) -= -2r ·£·/■( I-4/ ,AT) (Gleichung I4d)

Schließlich können /i Leiterschleifen auf dem Umfang i' der /ylinderlormigen Wicklung W₁ untergebracht werden, die dann alle die gleiche relative Drehlage λ zu den Magnelisierungsgrenzen haben (Fig. 7b). Diese können deshalb in Reihe geschaltet werden und vergrößern ι/, (/) um den Faktor //. Setzt man schließlich si In-V-B= O_x. so geht Gleichung 14c und 14d in Gleichung la und Ib über.

Wie in Fig. 7c gezeigt, können weitere drcieckförmig verlaufende Leiter, z. B. 2. 3.. .8. Γ. 2'.. .8' mit Leiter I verschachtelt werden. Bei allgemein /= I.. .1, /"= 1.. .1 ineinander verschachtelten Wicklungen liefern jedoch nur i und /" miteinander entgegengesetzt gleichphasige Spannungen //,,·(/)= —ii,,·(/).

Fin erfindungsgemäßer Vorteil besteht nun gerade darin, für alle 21 Stränge die in Fig. 1 gezeigte Schal-Mi tung getrennt aufzubauen und so die durch die Kondensatoren C₁ und die Dioden D,' und D~ zu übertragende Leistung so zu begrenzen, daß auch bei einer großen Gesamtleistung P herkömmliche Bauelemente verwendet werden können. Die eingeprägten Ströme der h5 einzelnen Stränge können dann an einem Wicklungspaar IV₁ , W₂ oder an mehreren Gruppen von Wicklungspaaren summiert werden.
Auch die Aufteilung der Motorwicklung W₂*. W₁ in

mehrere Gruppen bietet erHiulungsgcmäUc Vorteile, weil dadurch die von den Kommutierungsemrichiungcn zu übertragende Leistung so begrenzt werden kann, daß z. B. bei einer kollektorloscn Ausführung herkömmliche Leisiungshalbleiler verwendet werden können, Diese < Aufteilung ist auch dann möglich, wenn Fertigungstoleran/en und Maicnalstreuung zu kleinen Spannungsiinierschiedep /wischen den Wieklungssirängen HV₁ führen, weil "Mc von verschiedenen Wicklungssträngen des Generators (;'. d.h. \on jeweils eigenen Stromquellen versorgt werden.

In I ig. 8a ist beispielhaft eine solche Aufteilung in Stranggruppen gezeigt. Zunächst sind die vier Stränge I. 5. Γ und 5 aus Fig. 7c so /.usainmengelaUt. dal.i deren positive Ströme ;',. /_v /', und /', nach den Dioden i: I)' an U₁ summiert werden, während sich die entsprechenden negativen Ströme - ;,. -/',. - /', und i\ an - C. summieren. Die Funktionsweise eines ein/einen Stranges wird nicht davon beeinflußt. daß weitere Stränge an der gemeinsamen Spannung + l·', b/w. - U₁ ji angeschlossen sind. Die Stränge sind erfmdungsgemäl.! gerade so ausgewählt, daß bei Leistungsanpassiing sich - wie in der Tabelle Fi u. Xb dargestellt die Stroiuimpulse zu einem lückenlosen Gleichstrom überlagern. Die restlichen Stränge (Hg. 7c) sind ebenfalls zu : Gruppen (2. 6. 2. 6). (3. 7' 3'. 7). (4. 8. 4. 8 ) zusammengefaßt (I'ig. 10).

Die Wicklungen des Motors Λ7 sind so verlegt, daß die Leiter mäanderförmig im Luftspalt eines Polrades P, verlaufen, das ähnlich aufgebaut ist wie P₁ (Fig. ft). < Im Idealfall würde dann jeder Leiter eine abwechselnd positive und negative Rechleckspannung als Gegenspannung aufbauen. Da aber ein rechtcckförmiger Feldverlauf im Polrad P₁ nur schwer realisierbar sein wird, erhält man für die Spannung »,(/) eines Stranges einen ι ungefähr trapezförmigen Verlauf (Fig. Kc). Wählt man von den beispielsweise 12 Strängen des Motors Λ/ die Stränge i. 5 und 9 aus. so hat /u jedem Zeitpunkt wenigstens einer der Stränge die Spannung ( i\. ein anderer die Spannung - l.\. also z.B. zum /eiipunki /„ (Fig. Kc) die Striinge 5 und 1. Wird nun jeweils zum richtigen Zeitpunkt der richtige Schalter .S₁' in Fig. Sa betätigt, sind also 7. B. zur Zeit /,, die Schalter S₁ und S₅'. geschlossen, so kann der positive und negative Generatorstrom jeweils durch die entsprechenden Wicklungsstränge des Motors M Hießen. Die restlichen Stränge des Motors sind selbstverständlich ebenfalls zu Gruppen zusammengefaßt (Fig. 10).

Die Schalter S_t' können entweder l.eistiingshalbleiter oder mechanisch wirkende Kommutatoren sein. Da aber die Wicklungszylinder II', und W, vorteilhalierweise fest angeordnet sind und die Polrädcr P, und P₁ sich diesen gegenüber mit unterschiedlichen Drehzahlen V₁ und iV, drehen können, ist sicherlich eine elektronische kommutierung ohne mechanisch bewegte Teile vorteilhaft. Eine Vertauschung der Schaltreihenfolge von .V/ erlaubt auf einfache Weise eine Drehrichtungsumkehr.

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

Kine rotaiionssymmetnsche Trägerkonsirukiion Tr kann mit einem Flansch Fl an der das F.ingangsdrehmomcni V/, erzeugenden ·- nicht dargestellten ■ Maschine befestigt werden. Tr enthält weiterhin die Lagerung iLul und Im2 der Antriebswelle HcS und der Abtriebswelle HV2. Schließlich trägt Tr die zylindcrlormige Wicklung H₁ des Gcncraioncils (i und die Wicklung W₁ des M"'.orleils M.

Auf den Wellen HVI und HV2 sind die Polräder P₁ und /', befestigt, die die Permanentmagnete PM tragen ( Fig. 6). lis ist vorteilhaft, die wegen eines hohen Abtriebmomentes M₂ größere Magnetlläche des Polrades P₁ in zwei konzentrischen Systemen anzuordnen, wobei dann insgesamt weniger Material für Magnete und Rückschlüsse notwendig ist. Selbstverständlich muß dann auch die Molorwicklung W-, in zwei konzentrischen Zylindern angeordnet werden. Die Kondensatoren (',. die Dioden /),' und Dioden /), sowie die Kommutierungseinriehuingen (I ig. Sa) können gut zugänglich neben dem Flansch /·'/ an der Trägerkonstruktion Tr befest im werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Drehmomentwandler mit einem Wechselspannungsgenerator, dessen Wicklungen über je einen Kondensator und über Gleichrichter an einem Gleichstrommotor angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Gleichstrommotor (Λ/) fremderregi oder dauermagneterregt ist.

b) die vom Wechsclspannungsgenerator (G) abgegegebene Spannung [U₁(I)) in ihrem zeitlichen Verlauf(0 angenähert dreiccklormig ist.

c) die Kondensatoren (C) so groß bemessen sind, daß sie den Strom auch bei der Motordrehzahl Null auf einen zulässigen Wen beschränken.

2. Elektrischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (G) einphasig ist.

3. Elekrrischer Drehmomentwandler nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (6') mehrphasig ist.

4. Elektrischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator (G) zusammen mit seiner dreieckfbrmigen Spannung und dem Kondensator (C) ein Stromgencratoi mit stückweise konstant eingeprägten Strömen ist.

5. Elektrischer Drehmomentwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4. dadurch gekennzeichne', daß der Gleichstrommotor (M) eine zweiteilige Ankerwicklung(W₁'. W₂ !aufweist.deren eine Wicklung über cii-.c erste Diode (I)') und deren andere Wicklung über eeie zweite Diode (D ) derart verbunden ist. daß jeweils eint Ankerwicklung mit dem positiven Teil und die andere mit dein negativen Teil des stückweise konstanten Umladcstroins des Kondensators (D beaufschlagt ist.

6. Elektrischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1. 3 oder 4. dadurch gekcnnzcichnei. daß die durch Aufteilung der Wicklungen und Kommu· tierungseinrichtiingen des Gleichstrommotors (M) entstehenden Teilsysteme mechanisch parallel geschaltet und mit voneinander unabhängig eingeprägten Strömen beaufschlagt sind.

7. Elektrischer Drehmomentwandler nach Anspruch I imd 3. dadurch gekennzeichnet, daß die stückweise konsiantcneingcprägten Ströme, bei mehrphasigem Generator (G) miteinander verschachtelt sind.

8. Elektrischer Drehmomentwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der GcneratorwickUing (H-',) auf der Mantelfläche eines feststehenden, in den Luftspalt eines mit einem Permanent magneten {PM) bestückten Poln;dcs (Pi) cinnui<;hbaren Zylinders drcieckförmig angeordnet sind.

9. Elektrischer Drehmomentwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis S. dadurch gekennzeichnet, daß die Polriider (AM und Pl) iiiehrsehalig und mit mehreren konzentrierten l.til'ispalien verseilen sind.

10. Elektrischer Drehmomentwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein koniniutiitorloscr Gleichstrommotor (M) im.

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

ι» 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 Held der beteiligten Maschinen oder der Strom, die Spannung bzw. l-requcnz der zugeführten elektrischen Energie beeinflußt.

Eine Sonderstellung nehmen schließlich die hom-

:<> polaren Maschinen ein. welche bauartbcdingt gute Eigenschaften für eine Drehmoinentwandlung mitbringen. Die bei geringen Spannungen auftretenden sehr hohen Ströme, welche über Schleifringe o.a. geführt werden müssen, wirken sich jedoch nachteilig aus und in jedem

:5 l-'all ist auch eine Steuerung oder Regelung des Drehmoments notwendig.

Die Erfindung hw sich die Aufgabe gestellt, einen elektrischen Drehmomentwandler zu schafTen. der bei hohem Gesamt wirkungsgrad ohne Einsatz von vom

in Wesen her verlustbringenden Bauteilen eine lineare, bis zur Drehzahl Nuil reichende Drehzahl-ZDrehmomeni-Kennlinie aufweist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.

Durch die erfind»ngsgcmäße Lösung ergibt sich der

'< Vorteil, daß ohne Regelungseinrichtiing eine Änderung der Abtriebsdrehzahl bei optimaler Antriebsdrehzahl möglich ist. wobei die übertragbare Leistung ein hreites Maximum aufweist und nahezu konstant bleibt. Aus der DIvOS !43HXII ist zwar eine Vhaltung bekannt.

*i nach der ein an einer Turbine befestigter Asynchrongenerator über Kondensatoren unci Gleichrichter und einem Anlaßwiderstand mil I ahrmotoren (Gleichstrommotoren) verbunden ist. jedoch handelt es sich dabei um eine reine Anfahrschaltung einer mit konstanter

•4< Drehzahl laufenden Turbine. In dieser Schaltung ist ein Anlaßwiderstand für die Reihenschlußmotoren unverzichtbar, während die Kondensatoren ausschließlich der Kompensation von St reu widerständen dienen. Dagegen erzeugt der Generator des Erfind ungsgcgen-

vi Standes eine annähernd dreieck formige Wechselspannung, der Gleichstrommotor ist Ircindcrrcgt oder dauerii'iignctcrrcgl und die Kondensatoren beschränken den Strom, auch bei Motordrehzahl Null, auf einen zulässigen Wert. Auch kann bei dem Firfindungsgegenstund eine zusätzliche Steuerung der »Übersetzung« vorgesehen werden, diese hat aber im Gegensatz zu bekannten Vorschlägen nicht die Aufgabe, die Abtriebsdrcli/ahl in jedem Moment an die möglichst konstante Drehzahl des Antriebs anzupassen, sondern sie dient Ni ausschließlich der globalen Optimierung der übertragbaren Gesamtleistung.

Die erlmdungsgemäLie Lösung hai außerdem eine geringe Verlustleistung, die im wesentlichen mit der zu üben ragenden Leistung steigl und mit steigender Abh* triebsdreh/ahl sinkt.

Line vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen (iegenstands besteht darin, daß die Leiter der (ienerattirwicklung auf der Mantelfläche eines test-