DE3827519A1 - Antriebsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordung mit einer Antriebsmaschine, einer Antriebs- und Abtriebswelle sowie mit einem Schwungrad-Energiespeicher, der mit einem wicklungslosen Läufer einer als Motor und Generator betreib­ baren Elektromaschine verbunden ist.

Schwungrad-Energiespeicher werden im Maschinenbau für den Massenausgleich von Kolbenmaschinen verwendet. Sie werden ferner zur Simulation bewegter (Fahrzeug-) Massen auf Prüfständen und anderen Einrichtungen eingesetzt. In beiden Fällen handelt es sich um Betriebsarten, bei denen der Energieaustausch von und zum Schwungrad bei nur ge­ ringfügigen Drehzahländerungen erfolgt, und es hierbei mehr auf die wirksame Massenkraft des Schwungrades als auf dessen Fähigkeit zur Energiespeicherung ankommt.

Eine Anordnung der eingangs genannten Art für Kraftfahr­ zeuge ist aus DE-29 25 675 C 2 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist das Schwungrad starr mit dem Läufer einer Anlaß-Lichtmaschine verbunden und andererseits über Kupp­ lungen mit einem Antriebsmotor derart verbindbar, daß, wenn der Antriebsmotor das Kraftfahrzeug nicht antreibt, der Antriebsmotor vom Schwungrad abgekoppelt wird, wenn das Schwungrad mit einer Mindestdrehzahl umläuft. Der abgekop­ pelte Antriebsmotor wird dabei stillgesetzt. Nach Beendigung dieses Betriebszustandes, wenn also die Drehzahl des Schwungrades die vorerwähnte Mindestdrehzahl unterschreiten will, wird die Verbindung zwischen Antriebsmotor und Schwungrad selbsttätig wieder hergestellt und der Antriebs­ motor mittels des Schwungrades wieder in Gang gesetzt. Durch das Stillsetzen des abgekoppelten Antriebsmotors ergibt sich insbesondere in Leerlauf- und Schubbetriebsphasen eine wesentliche Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der mit den Abgasen in die Atmosphäre abgegebenen Schadstoffe. Bei dieser bekannten Einrichtung wird das Schwungrad jedoch unmittelbar an die Antriebs- bzw. Abtriebswelle angekoppelt, wodurch bei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten zwischen Schwungrad und Antriebsmotor bzw. Antriebswelle bei der Energieübertragung hohe Verluste auftreten können.

Es ist deshalb vorgeschlagen worden, die Energieaufnahme- und abgabe des Schwungrades mittels Hydrogetriebe zu regeln (DE 27 22 990 A1). Derartige Getriebe sind jedoch ver­ schleißanfällig und relativ bauaufwendig. Der Wirkungsgrad derartiger Getriebe ist außerdem nicht optimal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebs­ anordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu ver­ bessern, daß eine optimale Energie-Austauschbilanz er­ reichbar ist und eine flexible Nutzung von Schwungrädern möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Durch die Zwischenschaltung der elektrischen Welle zwischen Antrieb und Schwungrad ergibt sich eine konstruktions­ technisch sehr einfache und optimal regelbare Anordnung, die zudem raumsparend ist.

Bei der homopolaren Indukturmaschine handelt es sich um eine Maschine, bei der der wicklungslose Rotor aus nur einem Stück magnetischen Werkstoffes besteht und der mit Stator- und Erregerwicklung versehene Stator gegenüber dem Rotor zwei Luftspalte aufweist, zwischen denen ein Gleichstrom- Kraftfluß wirksam wird. Ein derartiger Motor kann im Bereich bis 24 000 U/min betrieben werden, und zwar mit einem Wirkungsgrad zwischen 70 und 85% bei einem Leistungs­ faktor von 0,95.

Um etwaige Turbulenzen und Geräuschentwicklungen zu ver­ meiden, wird vorgeschlagen, die bekannterweise am Rotor­ umfang vorgesehenen Ausfräsungen mittels dünner Segmente aus leichtem, nicht leitenden Werkstoff abzudecken. Die dabei jedoch entfallende Eigenkühlung der Elektromaschine kann durch eine Fremdkühlung mittels externem Ventilator ersetzt werden. Dünne Bohrungen im Stator können die Kühlung verbessern. Diese Bohrungen können auch zur Durch­ leitung einer Kühlflüssigkeit ausgebildet sein.

Je nach Anwendung und Raumangebot werden unterschiedliche Anordnungen zwischen Schwungrad, Elektromaschinen und Antrieb gewählt. So kann beispielsweise die die Schub­ leistung aufnehmende Elektromaschine über ein Winkel­ getriebe, Stirnradgetriebe oder ein Planetenrad-Sum­ mierungsgetriebe mit der Abtriebswelle einer Anlage ver­ bunden werden. In Verbindung mit insbesondere dem Planeten­ rad-Summierungsgetriebe ist auch eine konzentrische An­ ordnung des Motors um die Abtriebswelle möglich, indem der Rotor der Elektromaschine als Hohlwelle ausgebildet wird.

Die mit dem Schwungrad verbundene Elektromaschine kann ent­ weder über beispielsweise eine Kupplung mit der Antriebs­ welle verbindbar angeordnet sein, wodurch die im Schwung­ rad gespeicherte Energie auch zum Anlassen einer als Ver­ brennungsmotor arbeitenden Antriebsmaschine verwendet werden kann. Die Übertragung der Energie von und zum Schwungrad kann auch bei Bedarf elektrisch über die elektrische Welle erfolgen.

Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 einen Längsschnitt bzw. Querschnitt eines homopolaren Induktormaschine,

Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2 und

Fig. 4 bis 6 je ein Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen Details einer in der erfindungs­ gemäßen Antriebsanordnung verwendeten homopolaren Induktor- Elektromaschine. Eine derartige Maschine besteht aus einem wicklungslosen und aus einem Stück magnetischen Werkstoffes gefertigten Rotor 1, der zusammen mit einem Stator 2 zusammenwirkt, der eine Statorwicklung 3 und eine Erreger­ wicklung 4 aufweist. Zwischen dem Rotor 1 und dem Stator 2 sind entgegen anderweitig üblichen Elektromotoren anstelle von einem zwei Spalte 6 und 6′ vorgesehen. Der Rotor 1 weist Ausfräsungen 7 in Längsrichtung auf, die mittels dünner Segmente 12 aus einem gewichtsmäßig leichten, elektrisch nicht leitenden Werkstoff abgedeckt sind und wobei die Segmente 12 bei 13 befestigt sind. Damit werden etwaige Turbulenzen, die insbesondere bei hohen Drehzahlen auftreten können und damit verbundene Geräuschentwicklungen gemindert. Ferner sind im Stator dünne Bohrungen 5 vorgese­ hen, durch die eine Kühlflüssigkeit geleitet werden kann.

Fig. 4 bis 6 zeigen je ein Anwendungsbeispiel der Antriebs­ anordnung bei Fahrzeugen. Die Anwendung ist jedoch nicht auf Fahrzeuge eingeschränkt. Die Antriebsanordnung läßt sich überall dort anwenden, wo eine Arbeitssmaschine vorgesehen ist, die mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben wird.

Der in den Zeichnungen dargestellte Fahrzeugantrieb besteht aus einem Verbrennungsmotor 14, einer Kupplung 16 für ein Fahrzeuggetriebe 17, 18 sowie einer Antriebs- und Abtriebs­ welle 19 bzw. 19′, die die Verbindung zwischen dem Ver­ brennungsmotor und einem Achsgetriebe 20 für das Antriebs­ radpaar 21 herstellen.

Gemäß Fig. 4 sind ferner zwei als Motor und Generator be­ treibbare homopolare Induktor-Elektromaschinen 60 und 60′ vorgesehen, die jeweils über ein Winkelgetriebe 33 bzw. 34 mit der Abtriebswelle 19′ bzw. Antriebswelle 19 verbunden sind. Die antriebsseitig angeordnete Elektromaschine 60′ ist mittels einer Kupplung 22 vom Fahrzeugantrieb trennbar. Der Rotor dieser Maschine 60′ ist am anderen Ende starr mit einem Schwungrad-Energiespeicher 70 verbunden, der gegebenenfalls in einem unter Vakuum stehenden Gehäuse 8 angeordnet ist.

Zur Bildung einer elektrischen Welle zwischen den beiden Maschinen 60 und 60′ ist ein mittels einer elektronischen Steuerung 11 steuerbarer, 3-phasiger Inverter 9 vorge­ sehen. Als Steuereinrichtung 11 können konventionelle Steuer- oder Regelgeräte verwendet werden, die Informa­ tionen 27 von der Antriebsanordnung sowie von außerhalb der Antriebsanordnung, z. B. vom Bedienungsfeld, aufnehmen sowie Signale 28 für Anzeigeinstrumente oder Regelvorgänge ausgeben. Ferner ist die Aufnahme von Drehgeschwindigkeits­ signalen 26 der Abtriebswelle 19 vorgesehen. Über entspre­ chend ausgelegten Programmen wird der Inverter 9 derart gesteuert, daß eine stufenlose Anpassung der von einer Elektromaschine zur anderen übertragenden Energie an die jeweilige Drehgeschwindigkeit des Schwungrades 70 angepaßt wird.

Im normalen Fahrbetrieb ist die Kupplung 22 zur Trennung des mit dem Schwungrad 70 verbundenen Rotors der Elektro­ maschine 60′ von der Antriebswelle 19 geöffnet. Außerdem ist die Erregung beider Elektromaschinen 60, 60′ unterbrochen. Der Fahrzeugbetrieb erfolgt in der konventionellen Weise über den Drehmomentenwandler 17, das Schaltgetriebe 18 und Achsgetriebe 20. Im Schubbetrieb erfolgt der Bremsvorgang des Fahrzeugs durch Erregung beider Elektromaschinen 60, 60′ bei geöffneter Kupplung 22. Dabei arbeitet die abtriebs­ seitige Maschine 60 als Generator, indem sie die kinetische Energie des Fahrzeugs aufnimmt und an die mit dem Schwung­ rad 70 verbundene Maschine 60′ zwecks Speicherung im Schwungrad 70 abgibt. Die energieaufnehmende Maschine 60′ wird dabei stufenlos drehzahlgeregelt, und zwar in Abhängigkeit der Drehzahl 29 des Schwungrades 70. Bei diesem Vorgang kann die Bremswirkung auf das Fahrzeug durch Änderung der Erregung der abtriebsseitigen Maschine 60 nach Bedarf eingestellt werden.

Der Verbrennungsmotor kann zur Entlastung der Umwelt und Einsparung von Kraftstoff durch Unterbrechung, beispiels­ weise der Kraftstoffzufuhr, abgeschaltet werden. Ein er­ neuter Start des Verbrennungsmotors 14 kann danach durch Schließen der Kupplung 22 bei gleichzeitiger Trennung des Fahrzeuggetriebes 17, 18, 20 durch Öffnen der Kupplung 16 unter Nutzung der im Schwungrad 70 gespeicherten Energie erfolgen. Nach dem Starten des Verbrennungsmotors 14 wird die mit dem Schwungrad 70 verbundene und als Motor arbeitende Elektromaschine 60′ zunächst mäßig und dann mit steigender Drehzahl und geöffneter Kupplung 22 erregt, und zwar nach Maßgabe der Betriebserfordernisse. Die übrige gespeicherte Energie wird dabei über die elektrische Welle 60′, 9, 60 zur Beschleunigung des Fahrzeugs an die Abtriebswelle 19′ übertragen. Dieses erfolgt solange, bis die Abtriebsdrehzahl 26 mit der Ausgangsdrehzahl des Fahrzeuggetriebes 17, 18 synchronisiert ist. Danach geht der Motor wieder auf Leistung bzw. wird die Fahrzeug­ kupplung 16 wieder geschlossen.

Bei geringem Raumangebot im Fahrzeug kann von einer mechanischen Verbindung zwischen Schwungrad 70 und Antriebswelle des Fahrzeugs abgesehen werden. Hier kommt die bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehene elek­ trische Welle zwischen den beiden Elektromaschinen 60 und 60′ und dem Inverter 9 zum Tragen. Bei der elektrischen Welle ist keine zwingende räumliche Zuordnung, zumindest des Schwungrades 70 und einer Elektromaschine 60′, notwendig. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 5 gezeigt, wobei lediglich eine Elektromaschine 60 mechanisch mit dem Fahr­ zeugantrieb in Verbindung steht. Diese Verbindung kann mit­ tels verschiedener Getriebearten erfolgen. Gemäß Fig. 5 ist die Maschine 60 über eine Stirnradübersetzung 23 mit dem Fahrzeuggetriebe 18 verbunden.

Eine raumsparende Verbindung ist ausführbar, wie in Fig. 6 angedeutet, über ein Planetenrad-Summierungsgetriebe 24, welches bei nicht erregter Elektromaschine 60 ein freies Mitlaufen des Rotors ermöglicht. In dieser Ausführung ist der Rotor der Maschine 60 als Hohlwelle ausgebildet und die Abtriebswelle 19′ konzentrisch umschließend angeordnet.

Bei der Energieübertragung über die elektrische Welle nach Fig. 5 fällt die Nutzung der gespeicherten Energie für einen Startvorgang aus. Will man diese Eigenschaft zusätzlich, so läßt sie sich über eine elektrische Welle bei Verwendung einer dritten Elektromaschine 25 durchführen, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Elektromaschine 25 kann in verkleinerter Ausführung koaxial zur Antriebswelle 19 der Verbrennungsmaschine 14 angeordnet werden. Die Leistung des Motors 25 wird so bemessen, daß sie den Betriebs­ erfordernissen als Anlaßmaschine genügt. Die gleiche Elektromaschine 25 kann eventuell bei laufendem Motor zusätzlich dazu benutzt werden, um einen betriebstech­ nisch akzeptablen Massenausgleich (= Reduzierung des Ungleichförmigkeitsgrades) der Kolbenkraftmaschine 14 zu realisieren, in welchem Fall der Schwingungsdämpfer, in Fig. 4 und 5 mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet, des Motors entfallen könnte. Steuerungstechnisch machbar erscheint es jedenfalls, die Erregung der Elektromaschine 25 nach Bedarf und synchron zur Schwingungsfrequenz der Verbrennungsmaschine 25 vorzunehmen.

Claims (9)

1. Antriebsanordnung mit einer Antriebsmaschine, einer Antriebs- und Abtriebswelle sowie mit einem Schwung­ rad-Energiespeicher, der mit einem wicklungslosen Rotor einer als Motor und Generator betreibbaren Elektromaschine verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektromaschine eine homopolare Induktor- Elektromaschine (60′) ist, daß mindestens eine weitere homopolare Induktor-Elektromaschine (60, 25) vorgesehen ist, welche ebenfalls wahlweise als Motor und Generator betreibbar ist, ferner daß beide Elektromaschi­ nen (60, 60′) eine in beiden Kraftflußrichtungen betreibbare elektrische Welle (9) zur Übertragung von Drehmomenten zwischen den Antriebs- bzw. Abtriebswel­ len (19, 19′) und dem Energiespeicher (70) bilden, und
daß mindestens eine der Elektromaschinen (60) mit der Antriebs- oder Abtriebswelle (19 bzw. 19′) verbindbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wicklungslosen Rotoren (1) der Elektromaschi­ nen (60, 60′) umfangseitig Aussparungen (7) aufweisen, die mit dünnen Kreissegmenten (12) aus einem spezifisch leichtem, nicht leitenden Werkstoff abgedeckt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Statoren (2) der Elektromaschi­ nen (60, 60′), welche aus radial gerichteten Segmenten bestehen, dünne Bohrungen (5) für eine Kühlflüssigkeit haben.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung der Anordnung für Fahrzeuge die eine der Elektromaschi­ nen (60) zur Aufnahme von Schubleistung ausgebildet ist und daß diese Maschine über ein Winkelge­ triebe (33), Stirnradgetriebe (23) oder ein Planeten­ rad-Summierungsgetriebe (24) mit der Abtriebs­ welle (19′) des Fahrzeuggetriebes verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schubleistung aufnehmende Elektro­ maschine (60) in Verbindung mit einem Planeten­ rad-Summierungsgetriebe (24) konzentrisch um die Abriebswelle (19′) des Fahrzeuggetriebes (18) angeord­ net und dessen Rotor als Hohlwelle ausgebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mit dem Schwungrad (70) verbundene Elektromaschine (60′) zwischen der Antriebsmaschine (14) des Fahrzeugs und der Fahrzeugkupplung (16) über ein Getriebe (34) mit der Abtriebswelle (19) der Antriebs­ maschine verbunden ist und mittels einer Kupplung (22) entkoppelbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (60′) für die volle, vom Schwung­ rad (70) an die Antriebswelle (19) des Fahrzeug­ getriebes (17, 18) zu übertragende Leistung ausgelegt ist und zusätzlich als Anlasser und Lichtmaschine einsetzbar ist.

8. Anordnung nach einem der Anprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Anlasser-Lichtmaschine ausgebildete Elektromaschine (25) vorgesehen ist, deren Rotor als Hohlwelle ausgebildet ist und die Abtriebswelle (19) der Antriebsmaschine (14) um­ schließt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die als Anlasser-Lichtmaschine ausgebildete Elek­ tromaschine (25) so ausgebildet ist, daß sie mit Hilfe einer elektronischen Steuerung (11) im Fahrbetrieb den Ungleichförmigkeitsgrad der Motordrehzahl anstelle eines üblichen Motorschwungrades (15) und eines Schwingungsdämpfers der Antriebsmaschine (14) zu eliminieren vermag.