DE3416935A1 - Gepulst-geregeltes elektromobilantriebsaggregat mit resonatorisch-gesteuertem pulsations-schwungdrehkoerper und vorrichtung fuer automatischen gesteuerten generator-umkehrbetrieb - Google Patents

Description

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ehem. Prof., Dipl.-Ing. VDI -—■**»-

^ 1000-Berlin ' ^ώ' Berlin,den 3.5.1984 Jlorian Goetsch

Ringstr.103 - 3416935

'100C Berlin 45

Anmelder und Erfinder: Dipl.Ing.Florian

Goetsch

Patentanmeldung mit dem Titel:

"GEPULST-GEREGELTES ELEKTROMOBILANTRIEBSAGGREGAT MIT BESONATORISCH-GESTEUERTEM PULSATIONS-SCHWUNG-DREHKÖRPER UND VORRICHTUNG PUR-AUTOMATISCHEN " GESTEUERTEN GENERATORUMKEHRBETRIEB V

PATENTBESCHREIBUNG

Aus Energieeinsparungsgründen wurden bekanntlich "bereits seit längerer Zeit für Antriebszwecke sogenannte gepulste Elektromotoren ersonnen und konstruiert.Bei diesen wird in der Regel der die Antriebsmotoren speisende Strom aus der äußeren Energiequelle,-vorwiegend mittels geeigneter Halbleiter-Steuerungselektronik,-mit einer Frequenz im Be-' reiche von etwa 30 bis 60 Hertz,also 30 bis 60 mal pro Sekunde kurz unterbrochen,wobei,schon aus Inertiegründen des rotierenden Ankers oder Rotors bei den üblichen minütlichen Betriebsdrehzahlen von meist über 1000 Touren je Minute,praktisch so gut wie unvernehmbare Verlangsamungen der Drehzahl aus diesem Grunde allein betrachtet stattfinden können.Die Summierung der Stromzulassungspausen ergibt somit auf die Dauer eine gewisse prozentuale Einsparungsmöglichkeit an Betriebsenergiekosten. Allerdings werden in der Regel derartige Einsparungen in den meisten Betrieben gemieden,und das sind die Mehrzahl, wenn in diesen vorwiegend unregelmäßige Belastungen den Antriebsmotoren auferlegt werden.Dann setzt eine unangenehme Erscheinung,die man weiches Verhalten kürzer bezeichnet, damit etwa ein zu nachgiebiges Verhalten meinend,ein. Das Antriebsaggregat tendiert oft in solchen Fällen zur merklichen Verlangsamung,mitunter sogar zum völligen Aussetzen.In den kurzen,stromlosen Zwischenzeiten oder auch

-Stromlücken benannt,finden doch hierbei unangenehme Breliver-

! zögerungen statt. j

Eine andere EnefgTeei'nsparungsmöglichkeit bei Elektroam- : trieben,insbesondere bei Antrieben von Vehikeln,hat man I in den letzten zehn Jahren vor allem vielfach in der sogenannten Nutzbremsung erblickt,Mit Hilfe von komplizierteren Vorrichtungen der Steuerelektronik gelingt es praktisch automatisch, daß beim Bremsen der Elektromotor ,,vor allem bei Gleichstrommotoren mit Nebenschlußschaltung mit Fremderregung,sofort zur funktion eines Generators iibergeht und dabei kurzfristig Strom zur vorübergehenden Wiederaufladung der Bordbatterien liefert.Die Nutzbremsimg ergab zwar bei den Eisenbahnlokomotiven,besonders im Gelände mit langen fallenden Strecken ziemlich gute Ergebnisse mittels geeigneter,kostspieliger Steuervorrichimiigen der Elektrolokomotiven,doch sind solche Strecken rar, und daher,im'allgemeinen,besonders bei den Elektroautos, sind die günstigen Augenblicke,die geeignet wären für· derartige Zusatzstromerzeugungen viel zu kurzfristig für eine echte Wiederbelebung dar Bordbatterien oder die Stromarüekspeisung in das betreffende Netz umldie Mehrinvestitionen für den komplizierteren Aufbau der betreffenden Antriebsaggregate kaum wirtschaftlich amortisierbar. Als eine dritte Energieeinsparungsmöglichkeit im Maselainenbau im allgemeinen und Im speziellen bei Antrieben mra© die wenig ausgenützte Gelegenheit der Nutζverwendung von parametrisch-resonatorisch erzeugten Schwingungen miterwärmt werden,Gelegenheit auf die gewisse Vorlesungen z.B. an der TU Berlin indirekt,aber mit wenig Echo aufmerksam macüat. Im großen Ganzen gelten bis heutzutage für die echten ,'Maschinenbauer wie auch für die Bauleute Schwingungen als etwas was man systematisch dämpfen oder im Keime ersticken müßte und diese Konzeption ist auch allgemeiner bei führenden Köpfen der Technik und Wissenschaft ziemlieh fest verankert, auch bei denjenigen,die neue Vorschläge zu prüfen haben.Selbst in neuesten Werken über Parametrische Resonanz wird immer wieder auf die Möglichkeiten der systematischen Erstickung dieser Erscheinung hingewiesen,die auch ftnr

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fortgeschrittene Elektromaschinenbauer Kopfzerbrechen mit ihrer-Unterdrückung bereitet,wie gewisse Handbücher es deutlich zeigen.Gelegentlich wurde ohne Echo seitens von wenig beachteten Fachleuten und Erfindern auf mögliche Vorteile bei gewissen Geräten im Falle der Ausnützung dieser Erscheinung hingewiesen,dennoch ohne daß man irgendwie als Folge von derartigen Hinweisen zu konkreten,praktisch nützlichen Realisierungen auf dem Gebiete des Antriebswesens mittels dieses Phänomens gelangte.

Eine vierte verpaßte Energieeinsparuhgsgelegenheit,unmittelbar mit der soeben erwähnten verbunden,ist diejenige im Falle der Antriebsaggregate,die Vorteile bei makroskopischen Gesamtschwingsystemen mit erhaltener Selbsterregungsfähigkeit bestrebt gewesen wäre zu erreichen.Anfänge von derartigen Gedankengängen können lediglich im Rahmen von modernen, physikalisch weitaus präponderierenden kybernetischsynergetischen -Studien und Forschungen an Mikroobjekten festgestellt werden,nicht aber an makroskopischen Gesamt— sehwingsystemen,wo derartige Ideen und Gedankengänge beim ersten Blick,in Ermangelung einer tieferen Vertrautheit mit' den allgemeingültigen Differentialgleichungen der Nichtlinearen Mechanik der Schwingungen,-siehe z.B_#Minorsky,Kauderer, Magnus u„a.,-als Traumgebilde den strengeren Fachleuten, erscheinen mögen.Schon die erwähnte Tendenz der Unterdrückung jeglicher Schwingungsmöglichkeit,besonders aber der betont nichtlinearen Schwingungen seitens der Maschinenbauer in erster Linie ist der Hauptfaktor,der allgemein eine derartige Energieausbeutung an MakroSchwingsystemen mit (dazu adequater Bemessung bereits prinzipiell und a priori auf das Entschiedenste ablehnt soweit,daß es nach einfachen, mechanischen Grundsatzan gegriffen wird,um derartige Vorschläge für falsch begründet von vornherein deklarieren zu können.

Alle diese bisher wenig erfolgreichen Energieeinsparungs— versuche bzw.zuwenigst -tendenzen und-Bestreben lassen sich durch das Antriebsaggregat,Objekt der vorliegenden Erfindung gleichzeitig in gewissem Maße zu konkreteren Dauervorteilen der Volkswirtschaft im allgemeinen bzw. der Einzelverweiiäer im einzelnen ^eseiieTi_tä)'amit sind der Rahmen,der bisherige

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Stand im Bereiche der Erfindung,ihr Zweck,und im großen die dabei zu erwartenden Vorteile-y zunächst gewiß mehr rein qualitativ,-alles gleichzeitig am Hauptobjekt dieser Erfindung, am Torgeschlagenen,neuartigen Antriebsaggregat mit Möglichkeit auch der Verwendung als Generator,konkretisiert, gleichzeitig ersichtlich bzw. umrissen.

Die gleichzeitige Realisierung und Einverleibung derartiger Ausnutzungsmöglichkeiten am hier vorgeschlagenen Aggregat lassen sich in großen Zügen etwa folgendermaßen durchfuhren: In erster Linie,um dem erstgenannten Zwecke,die Vorteile des Stromlückbetriebes mit regelmäßig unterbrochener Stromzufuhr systematischer und ohne die bisherigen,vermerkten Nachteile einverleibend zu genügen,ist zuerst daran zu denken, in den gewünschten und angeordneten Stromzufuhrpausen eine andere,zweite und ziemlich gleichwertige Antriebskraft bzw.-quelle,die sich zum großen Teil aus vereinzelten Restenergien des Antriebsaggregates,der momentan auf einmal nicht mehr gänzlich notwendigen Rotordrehwucht einschließlich der plötzlich weniger nötigen Masseenergien eines etwa angetriebenen Vehikels oder einer Arbeitsmaschine,einer gesteuerten Wutζschwingung usw.zusammensetzen kann,zur periodisch-automatischen Übernahme des notwendigen Antriebes arbeiten zu lassen.Dieses ist hier,-nach genaueren Überlegungen, -mittels der im Rahmen dieser Erfindung vorgeschlagenen, gesteuert-geregelt funktionierenden und ein ungewölmliches Schwungrad darstellenden Schwungdrehkörpers bewerfestelligbar.

In dem Grundsatzschema Pig.1 eines Hauptausführungsbeispieles, enthaltend im wesentlichen die elektrischen Verbindungen, ist der schematisch angedeutete Schwungdrehkörper,enthaltend pulsierend-radialschwingende oder eher durch rhythmisch einsetzende Steuerungsbefehle während der Rotoirdr.ehung radial in beiden Riehtungen verlegbare Teilgewichte bzw, Freikolben vermerkt worden.Dieser gesondert gesteuerte Schwungdrehkörper,-in der Regel fest angeflanscht an die eigentliche Kotorachse,-übernimmt in den Stromzufuhrpausen den Weiterantrieb unter Entfaltung eines gleichgroßen Drehmomentes,sodaß grundsätzlich hierbei kein weiches Ver-

halten mehr dieses Antriebsaggregates mit lückendem Strom bei gleichzeitiger Variation der äußeren Belasung oder Beaufschlagung auftreten kann.Durch die rheonome,d.h. zeitlich veränderliche,angeordnete rhythmisch-kraft-gesteuerte Veränderung der Radiallagen der radial simultan pulsierenden 3!eilgewichte,auch den Rhythmus einer parametrischen Nutzschwingungserregung dabei einhaltend,wird hierbei auf ökonomische Weise,ähnlich in etwa wie bei einem Inertieregler der früheren Dampfmaschinentechnik erreicht,daß der schwungradähnliche Einsatz des Schwungdrehkörpers zugleich die negative Kehrseite eines Schwungrades bzw.Schwungradantriebes nicht mehr aufweist,nämlich die Drehverlangsamung bei der Drehmomentabgabe.

,Weiterhin aber erzeugt dieses Aggregat in denselben Stromzufuhrpausen, in der Regel,beim Funktionieren mit gleichmäßigkontinuierlicher, konstantbleibender Leistungsabgabe zugleich gewisse in die Bordbatterien rückführbare Strommengen oder Elektrizität durch die dabei automatisch,in Kolbenpulsationsrhythmus periodisch einsetzende Generatorbetriebfunk- ₍, tionierung,wobei bestehende,momentan überschießende Drehenergie sowie sonstige Gesamtsystemschwingenergie oder -wucht,elektromagnetische Nachwirkungen usw.alle mitbeitragen können,daß von der Zentralsteuerung in den Strompausen für die zentripetale Rückführung der Freikolben weniger Energie der· Bordbatterienreserve abverlangt wird. Hiermit ist in Kurzfassung zum Ausdruck gebracht worden, daß mit diesem Aggregat auch Belange der Ausnützung einer Gesamtsystem-Parametrischen Nutzresonanz und einer Selbsterregungsfähigkeit, letzt ere durch adequate Bemessung der Einzelkomponenten realisierbar, zu erzielen seien,, Einzelne Probleme dieser Gesamtaufgabe können grundsätzlich erst mit Hilfe von Modellversuchen näher umrissen und gelöst werden,vor allem in quantitativer Hinsicht.Diese Problematik gehört im übrigen den neuesten Beschäftigungen der Anwendun^stäti^keit moderner Nichtlinearer Mechanik an. Moderne Kybernetik und Synergetik spielen bei diesen Bemessungen ebenfalls nine Rewiohtipe RoITp.

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Claims (1)

1. 416335

   PATENÜEANSPRÜCH3S

   1/ Gepulat-geregeltes Elektromobilantriebsaggregat mit schwungradähnliehem Pulsations-Sehwungdrehkörper und Verrichtung für Generatorumkehrbetrieb mit Nutzbremsung, d a. d u: r «; h g e..k_e nnzeichne t,daß bei diesem Aggregat in den Lückbetrieb-Stromaussetzpausen der Stromzufuhr aus der Energiequelle,dennoch der Betrieb aueh unter verändeilicher Last bzw. voller und variabler Nutzmomentabgabe, selbst bei regelmäßigen Stromlieferpausen von größerer Dauer,wie beispielsweise jeweils einer Sekunde alternierend mit Stromzufuhrzeiten von ebenfalls je einer Sekunde der Antrieb trotzdem kein sogenanntes weiches Verhalten zeigt,was ansonsten beim bekannten Pulsbetrieb eine spezifische,innewohnende Schwäche darstellt,somit das Aggregat dieser Erfindung keine Tendenz zur zunehmen- ; den,oft auch mit Regelungshilfe unbeherrsehbaren Verlangsamung bis zum Aussetzen aufweisend,vorteilhafte Eigenschaft dieser Erfindung,die mittels einer angepaßten,gesteuerten Mitfunktionierung des angekoppelten,ebenfalls gepulsten, speziellen Sehwungdrehkörpers und auch ohne die sonst hierbei übliche Schwungrad-Drehverlangsamung bei Energieabgabe, gewährleistet wird,ferner dadurch gekennzeichnet,daß, gegenüber dem bisher einzig bekannten und verwendeten Verfahren zur laufenden teilweisen Wiederaufladung der Bordbatterien oder kurzer ausgedrückt des Akkus während des Motorbetriebs selbst und zwar mittels der sogenannten Nutzbremsung,-beim Aggregat,Objekt dieser Brfindung zusätzlich eine von der Nutzbremsung unabhängige und unablässige, somit regelmäßige,damit auf die Dauer viel wirksamere Bordbatterien-Wiederauf ladungsaktion stattfindet,die durch den,etwa beim Fahren im Flachgelände jede zweite Sekunde I alternierend einspringenden Generatorbetrieb des Antriebsaggregates aufrechterhalten wird,zugleich damit den entscheidenden,hiermit erreichbaren Fortschritt beim Elektromobilantrieb dabei darstellend,und zwar durch die angebo--,-

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   tene Möglichkeit einer substantiellen Volumens-und Gewiehts? einsparung bei den notwendigen Bordbatterien,die hierbei etwa nur einmal in einigen Tagen zur vollständigen Wiederaufladung ans Stromnetz angeschlossen werden müssen,wobei sich bereits bis hier zwei Hauptvorteile des Aggregatteiles als Schwungdrehkörper bezeichnet,herausstellen,Vorteile die man nicht zu üblichen technologischen Fortschritten der modernen Zeit hinzurechnen darf,da es sich hierbei um die kombinierte erfindungamäßige Kompetitfon von einzeln genommen bedeutungslosen Einzelkomponenten handelt,ferner dadurch gekennzeichnet,daß beim Aggregat dieser Erfindung erstmalig eine makroskopische Nutzanwendung der Parametrisehen Schwingsystemresonanz zur vorteilhaften Wirkungsgraderhöhung gelangt,hauptsächlich im Schwungdrehkörper produziert,wobei die allgemeine Tendenz beim Funktionieren ohne besondere Lastveränderungen mit der Betriebsdrehzahl der Bemessungsgrundlafen^fäS Sie Gesamtheit des Aggregates einschließlich der Bilanz der Energieeingänge und-Abgaben zeitweise mathematisch zu einem jeweils spezifischen HiI-bertraum zugeordnet werden kann mit seiner zugehörigen Skalarinnenraum-Zirkulation bzw.Wirkung oder Aktion,Tatsache die zur Berechtigung führt,Gesamtwirkungsgradvergleiche mit der Schlußsituation bei anderen Antrieben, ausgehend von der eingesteckten Primärenergie aus und nicht indem man etwa den eigentlichen ,herausgenommenen Elektromotor des Aggregates dieser Erfindung mit dem Elektromotor eines andersartigen Antriebes hinsichtlieh des Wirkungsgrades zu vergleichen sucht um etwa daraus Schlußfolgerungen auf die Vorteile der hier vorgelegten Erfindung zurückzuschließen,ferner endlich dadurch gekennzeichnet, daß seine Dimensionierung bis einschließlich der Komponenten des Schwungdrehkörpers mit seinen gesteuert-pulsierenden Gewichten oder Freikolben stets dem Grundsatz untergeordnet ist,daß,im Gegensatz zu sonstigen Motoren,Elektromotoren oder Fahrzeugantriebsmotoren,hierbei nicht nur für eine möglichst wirksame und nutzbringende parametrische Resonanz der in Frage kommenden Teile bzw.derer Funktionierung gesorgt wird,sondern,daß auch,darüber hinaus,

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   auch eine Selbsterregungsfähigkeit des Makroschwingsystems weitgehend gesichert ist,soweit,daß eine harmonisch unterhaltene Kräfteerregung energetische Ergebnisse zusätzlich liefert,die mit der hierzu von Prof.K.Magnus u.a. für andere Zwecke adaptierten van derJPolschen Differentialgleichung aus der Nichtlinearen Mechanik der Schwingungen beherrschbar sind einschließlich einer gewissen,positiv zu bewertenden Futzdämpfung der spürbareren Schwingungsausschläge der pulsierenden ^reikolben,Ergebnisse die zugleich der Synergetik unterordnerbar sein sollen,soweit als genügend dafür Sorge getragen worden ist,daß man das Aggregat in seiner Haupt-Dauerfunktionierung ohne Zweifel schwingungsmechanisch den rheonomen,zeitvariablen Systemen zuordnen kann. *

   2/ Elektromobilantriebsaggregat mit Umkehrmöglichkeit auf/und Generatorbetrieb nach Anspruch 1,dadurch insbesondere gekennzeichnet,daß dabei die vornehmlich angewandte Grundschaltung,etwa wie im Beispiel der Tig.1,die einer Gleiehstrommotor-Nebenschluß-i'remderregung ist,wobei die ' ireikolben dieses Grundsatz-Schaltschemas im angedeuteten Sehwungdrehkörper enthalten sind und darin gesteuert radial pulsieren,mit Mithilfe meistens,wie angedeutet,eines Gleichstrom-Pulswandlers für diesen geregelt-gesteuerten •Pulsbetrieb funktionierend.

   3/Elektromobilantriebsaggregat mit Umkehrmöglichkeit auf/und Generatorbetrieb nach Anspruch 1 oder 2,dadurch näher gekennzeichnet, daß durch Verwendung von speziellen,modernen weichmagnetischen Werkstoffen bei Ausgestaltung der elektro-i magneto-dynamischen Pulsationskörper oder-^reikolben bzw_T Teilgewichte im hier sobenannten Sehwungdrehkörper der 3?ig.1 die technologisch-konstruktiven Möglichkeiten eines Weglassens von weniger im Dauerbetrieb sicheren,elastomechanischen oder von Druckluft-Federn sowie einer besseren,weniger stoßartigen,auf die Gesamtpulsationsperiode verteilten Antriebsweise eröffnet werden.

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   4/Elektromobilantriebsaggregat mit Umkehrmöglichkeit auf/ und Generatorbetrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch insbesondere gekennzeichnet, daß es "Vornehmlich im Generartorbetrieb arbeitet und er nur zwischendurch für kürzere Zeiten die funktion eines eigentlichen Elektromotors erfüllen muß, zu welchem Zwecke etwas modifiziertere, angepaßte Auslegungen erforderlich sind, z.B. a.a. im vorwiegenden Falle der Schaltung einer Nebenschlußanordnung mit Fremderregung eine auf genauer adequater Bemessung beruhende Disposition einer geeigneten Hilfsreihenschlußwicklung zur unaufhörlichen Stabilitätserhaltung derjeni- · gen minimalen Aggregatsspannung, die bei derartigem Pulsbetrieb mit ständiger Umkehr zum Generatorbetrieb im Dauerwechseltempo nötig ist.

   5/Elektromobilantriebsaggregat mit Umkehrmöglichkeit auf/ und Generatorbetrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch insbesondere gekennzeichnet, daß eS vornehmlich für stationäre Zwecke bzw. Anlagen verwendet wird bzw. ausgelegt ist z.B. u.a. für den Antrieb von Elektro—Wärmepumpen, wobei meistens ein vom Netzanschluß bezogener, jedoch gleichgerichteter Strom zum eigentlichen Motorbetrieb in den ' Betriebsstunden mit geringerer elektrischer Bätterienspeicherung bzw. -ladungsreserve dient, dennoch aber dergleiche Motor bei ausreichender, angesammelter Batterienelektrizitätsreserve mit reinem Batterienstrom mittels besonderer automatischer Umschaltungsvorrichtung auf andere Kontaktverbindung angetrieben wird.

   6/ Elektromobilantriebsaggregat mit Umkehrmöglichkeit auf/ und Generatorbetrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 bzw. . teilweise 5, insbesondere dadurch näher gekennzeichnet, daß es für Triebwagen, Schienenfahrzeuge oder Luftfahrzeuge u.a. Verwendung findet wobei die hierzu technologisch erforderlichen Umstellungs- bzw. Adaptationsmaßnahmen im Detail und von Fall zu Fall vorgenommen werden müssen.

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