DE4408719C1 - Generator-Motor-Kombination - Google Patents

Generator-Motor-Kombination

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Bernd-Guido Dipl Ing Schulze
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Description

Die Erfindung betrifft eine Generator-Motor-Kombination gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-OS 30 41 867 ist eine Kraftfahrzeugantriebsanordnung bekannt, bei der ein Verbrennungsmotor eine Elektromaschine an­ treibt, die wahlweise im Motor- oder Generator-Betrieb einge­ setzt werden kann. Dieser Elektromaschine nachgeordnet ist ein mechanisches Getriebe, daß als Schalt- oder Automatikgetriebe ausgebildet sein kann. Dieses Getriebe treibt wiederum ein Ach­ sausgleichsgetriebe an, von dem die Antriebsachsen für die An­ triebsräder des Kraftfahrzeuges abgehen.
Eine weitere Motor-Generator-Kombination ist aus der US 2,790,917 bekannt, bei der ein gemeinsamer Stator den Motor-Ro­ tor und einen axial daneben liegenden Generator-Rotor über­ deckt.
Außerdem zeigt die GB 457,972 eine Motor-Generator-Kombination mit zwei Gleichstrom-Maschinen und einer gemeinsamen beide Ma­ schinen-Rotoren überdeckenden Erregerwicklung, die koaxial zu dem Rotoren mittels einer Verstellvorrichtung zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses axial verschiebbar angeordnet ist.
Durch die US 4,532,447 ist eine Motor-Generator-Kombination mit drei konzentrisch übereinander angeordneten aktiven Teilen be­ kannt. Der mittlere Teil RT trägt Wicklungen, die durch Magnet­ feldsensoren im Rhythmus der magnetischen Wechselfelder ein- und ausgeschaltet werden.
Außerdem ist bekannt, daß beim Einsatz von stufenlosen Getrie­ ben die Momenten- und Leistungscharakteristika der Brennkraftma­ schine in weitem Bereich beliebig den Fahrwiderständen angepaßt werden können. Sie sind deshalb für die Kraftübertragung an ei­ nem Fahrzeug den mechanischen oder automatischen Stufengetrie­ ben vorzuziehen. Nachteilig an den bekannten stufenlosen Ge­ trieben sind der zu geringe Spreizungsfaktor und vor allem der relativ schlechte Wirkungsgrad. Zudem wird durch die Aufnahme der Elektromaschine die Baulänge des Antriebsaggregates erhöht, was insbesondere bei Front-Quereinbauten der Antriebsaggregate gelegentlichen zu Platzproblemen führt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektromaschine vorzustellen, mit der eine derartige Antriebsanordnung in ihrer Baulänge deutlich verkürzbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltun­ gen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt. Zu­ dem wird in den Patentansprüchen 8 bis 10 die Verwendung und der Betrieb der erfindungsgemäßen Generator-Elektromotor-Kom­ bination als elektromagnetischer Drehmomentwandler beansprucht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Kom­ bination von Motor und Generator in einem Gehäuse ein einziger, unter den mit Permanentmagneten wechselnder Polarität verse­ henen Generator- und Motorläufern axial verschiebbar angeordne­ ter und mit einer oder mehreren Kurzschlußwicklungen versehener Stator ausreicht, um ein stufenlos regelbares elektrisches Ge­ triebe vorzustellen. Auf diese Weise tritt sowohl der Genera­ torläufer als auch der Elektromotorläufer mit derselben fest­ stehenden Wicklung des Stators in Wechselwirkung. Ein wesentli­ ches Kennzeichen dieser Gleichstrom-Maschine ist es also, daß im Generatorteil und im Motorteil derselbe elektrische Strom fließt.
Durch die axiale Verschieblichkeit des Stators mit dessen Kurz­ schlußwicklung kann die wirksame Leiterlänge im Generator- und Motorteil variiert werden. Auf diese Variation der Leiterlänge in den Magnetfeldern von Generator-Rotor und Motor-Rotor beruht die Steuer- bzw. Regelbarkeit der Drehzahl- und Momentenüberset­ zung der erfindungsgemäßen Generator-Elektromotor-Kombination als stufenlos regelbares elektrisches Getriebe. So kann in wei­ ten Bereichen durch Verschiebung des Stators eine beliebige Drehmomentenübersetzung, (d. h. Spreizung) des Getriebes einge­ stellt werden.
Das für diese Art von Elektromaschinen übertragbare typische pulsierende Moment kann durch mehrere auf den Rotoren ange­ brachte Teilmotoren vergleichmäßigt werden. Dazu sind mehrere Leiterstränge auf dem Stator versetzt angeordnet, so daß die Momentenwelligkeit minimiert wird.
Von besonderer Bedeutung für den konstruktiven Aufbau der er­ findungsgemäßen Gleichstrom-Maschine ist, daß der Stator mit seiner Kurzschlußwicklung auf einer Schiebehülse befestigt ist, die mittels einer durch eine Gehäuseöffnung ragenden Stange axial verschieblich ist. Dazu ist der Stator auf einer hohlzy­ lindrischen Schiebehülse befestigt, die ihrerseits auf einem hohlzylindrischen und mit der Gehäuseinnenseite verbundenen Statorträger koaxial zur Drehachse der Ein- und Ausgangswellen der Generator-Elektromotor-Kombination verschiebbar ist.
Ein weiteres Merkmal des konstruktiven Aufbaus der erfindungs­ gemäßen Elektromaschine ist, daß der Generator-Rotor den Motor- Rotor derart umspannt, daß die Permanent-Magnete des Generator-Rotors in Richtung zur Ausgangswelle hinter den Permanent-Magneten des Motor-Rotors angeordnet sind. Auf diese Weise wird ein be­ sonderes platzsparender Aufbau realisiert. Zudem wird dadurch erreicht, daß die Permanent-Magnete der Rotoren des Generator- und des Motorteils im gleichen Abstand zur Statorwinklung ange­ ordnet werden können.
Die mit einer Antriebsmaschine, also in der Regel einer Brenn­ kraftmaschine, verbundene Eingangswelle wird mit nur einem La­ ger in dem Maschinengehäuse gelagert. Zur Lagerung der Aus­ gangswelle ist die Eingangswelle tief in das Maschinengehäuse hineingeführt und trägt dort zwei Lager für den Elektromotor- Rotor, der auf der Ausgangswelle sitzt. Letztere ist zudem über ein weiteres Lager in dem Maschinengehäuse abgestützt.
Schließlich umfaßt der Aufbau der Generator-Elektromotor-Kombi­ nation wenigstens zwei Magnetfeldsensoren, von denen jeweils einer zwischen den Permanentmagneten der Motor- und Generator- Rotoren angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Magnetfeldsensoren kann bei einer Verdrehung des gegenüberliegenden Maschinen- Rotors die Polarität des gerade gegenüberliegenden Perma­ nentmagenten festgestellt werden. In Abhängigkeit von den so er­ mittelbaren Signalen der Magnetfeldsensoren läßt sich die Kurz­ schlußwinklung des Stators umschalten und so die Drehrichtung des mit der Ausgangswelle verbundenen Rotors steuern. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Gleichstrom-Maschine bei einem Verschieben der Statorwinklung als elektromagnetischer Drehmo­ mentwandler (oder elektromagnetisches Getriebe) verwendet wer­ den. Der Einsatz einer derartigen Generator-Elektromotor-Kombi­ nation ist insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit sogenannten Hybrid-Antrieben von besonderer Bedeutung.
Der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Generator-Elek­ tromotor-Kombination läßt sich mit Hilfe eines Ausführungsbei­ spiels verdeutlichen. Dort zeigt
Fig. 1 eine schematische Querschnittszeichnung durch die Gene­ rator-Elektromotor-Kombination, Fig. 2 eine schematische Darstellung der Überdeckung der Sta­ torwicklung über den Permanent-Magneten der Rotoren des Generators und des Elektromotors gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 1 mit einem in Richtung auf die Eingangswelle verschobenen Stator,
Fig. 4 eine Abbildung gemäß Fig. 2, bezogen auf die Position der Statorwicklung nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Darstellung gemäß Fig. 1, mit in Richtung zur Aus­ gangswelle verschobenem Stator,
Fig. 6 eine Darstellung gemäß Fig. 2, allerdings mit einer ge­ mäß Fig. 5 verschobenen Statorwicklung
Fig. 7 ein Schaltdiagramm für einen Leistungsschalter zur Be­ tätigung der Statorwinklung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Anordnung der Magnet­ feldsensoren auf den Generator- und Motor-Rotoren.
In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel zu der erfindungsgemäßen Gene­ rator-Elektromotor-Kombination dargestellt. In das mit 1 be­ zeichnete Gehäuse führt eine Eingangswelle 2, die mit einer nicht dargestellten Antriebsmaschine verbunden ist. Diese Ein­ gangswelle 2 ist über ein Lager 5 in dem Gehäuse 1 abgestützt und trägt einen mit 6 bezeichneten Generator-Rotor. Dieser Ge­ nerator-Rotor ist hohlzylindrisch ausgebildet und weist an dem äußeren Ende seiner Längserstreckung nach innen weisende Per­ manent-Magneten 9 auf, die entlang des Umfangs des Gene­ rator-Rotors befestigt sind und eine wechselnde Polarität auf­ weisen.
Auf der dem Lager 5 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 1 tritt die Ausgangswelle 3 aus dem Gehäuse 1 aus. Diese Aus­ gangswelle 3 stützt sich über ein Lager 4 in dem Gehäuse 1 ab und ist mit einem im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebilde­ ten Elektromotor-Rotor 7 verbunden. Dieser Rotor 7 ist über Lager 16, 17 auf der tief in das Gehäuse geführten Eingangs­ welle 2 abgelagert. Ebenso wie der Generator-Rotor 6 trägt auch der Motor-Rotor 7 am Ende seiner hohlzylindrischen Längs­ erstreckung nach innen weisende Permanent-Magnete mit wech­ selnder Polarität.
Von besonderer Bedeutung für den kurzen Aufbau der Generator- Elektromotor-Kombination ist, daß der Generator-Rotor 6 den Elektromotor-Rotor 7 derart umspannt, daß die Permanent- Magneten 9 des Generator-Rotors 6 in Richtung zur Ausgangswelle 3 hinter den Permanent-Magneten 8 des Motor-Rotors 7 angeordnet sind.
Von der Innenseite des Gehäuses 1 erstreckt sich in den hohl­ zylindrischen Raum des Generator- und Motor-Rotors ein Stator­ träger 12, der ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet ist und die Eingangs- und Ausgangswelle 2, 3 umfaßt. Auf diesem Sta­ torträger 12 ist eine Schiebehülse 13 angeordnet, die den Stator 10 der Elektromaschine trägt.
Auf dem Stator 10 ist wenigstens eine schaltbare Kurzschluß­ wicklung 11 aufgebracht, die in Wirkzusammenhang mit den Per­ manent-Magneten 8, 9 der Rotoren 6, 7 von dem Generator- und dem Elektromotorteil steht.
Der Stator 10 ist zusammen mit der Schiebehülse 13 über eine Stange 15 koaxial zur Eingangs- und Ausgangswelle 2, 3 ver­ schiebbar, wobei die Stange 15 durch eine Öffnung 25 in dem Gehäuse 1 hindurchdurchragt.
Die axiale Verschieblichkeit der Wicklung 11 des Stators 10 bewirkt, daß die wirksame Leiterlänge im Generator- und Motor­ teil variiert werden kann. Auf diese Variation der Leiterlänge in den Magnetfeldern von Motor- und Generatorteil berührt die Steuer- bzw. Regelbarkeit der Drehzahl- und Momentenüberset­ zung der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Maschine.
In Fig. 2 ist die Anordnung der Permanent-Magneten 8, 9 auf den Generator- und Elektromotor-Rotoren 6, 7 schematisch dar­ gestellt. Die Pfeile markieren die Drehrichtung der Rotoren und die nur teilweise dargestellte Kurzschlußwicklung 11 ist in einer Statorposition dargestellt, wie sie der gemäß Fig. 1 entspricht. Der Schalter 18 in der Kurzschlußwicklung 11 ver­ deutlicht, daß diese beispielsweise mittels bipolarer Transi­ storen kurzschließbar ist.
Wird der generatorische Magnetensatz, mit dem Rotor 6 bei kurzgeschlossener Wicklung (Schalter 18 geschlossen) vom Ver­ brennungsmotor angetrieben, so wird durch die Bewegung der Permanent-Magnete 9 eine Spannung in der Wicklung 11 indu­ ziert, die in dieser Leiterschleife einen Stromfluß zur Folge hat. Dieser Strom bewirkt, sofern sich auf den Rotoren 6, 7 Permanent-Magnete entgegengesetzter Polarität befinden, eine Kraft auf den Motor-Rotor 7, die die selbe Richtung hat, wie die Drehbewegung des Antriebs (Generator-Rotor 6). Stehen sich jeweils zwei gleichsinnige Pole gegenüber, so wirkt die Kraft in die entgegengesetzte Richtung.
Ist die Wicklung permanent kurzgeschlossen, so wirkt bei Dreh­ ung der Generator-Seite eine Kraft mit ständig wechselndem Vorzeichen auf den Abtrieb. Es kommt daher auch bei abtriebs­ seitigen Leerlauf keine Drehbewegung zustande. Je nachdem wel­ che Kraftrichtung am Abtrieb, das heißt am Motor-Rotor 7 er­ wünscht ist, gibt es also immer eine "richtige" und eine "falsche" Stellung der beiden Permanent-Magnet-Sätze zueinan­ der.
Ein wesentliches Merkmal der hier vorgestellten Erfindung ist es daher, den Stromfluß für die "richtige" Stellung der Ma­ gneten zu ermöglichen (Schalter 18 in Fig. 2 geschlossen) und für die "falsche" Stellung der Permanent-Magnete zu unterbin­ den (Schalter 18 offen). Wird dieses Funktionsprinzip konse­ quent verfolgt, so wirkt auf der Abtriebsseite ein pulsieren­ des Moment, das als Fahrzeugantrieb genutzt werden kann. Die Pulsfrequenz ist durch die Ein- und Ausschaltdauer der Wick­ lung vorgegeben. Die maximale Frequenz entsteht theoretisch bei abtriebsseitigen Stillstand und antriebsseitiger Höchst­ drehzahl. Die Höchstdrehzahl eines Benzinmotors beträgt durch­ weg 6000 U/min, entsprechend 100 Hz. Daraus folgt bei einer 28poligen Maschine eine Frequenz von ungefähr 1,4 kHz für die anliegende Spannung. Derartige Werte sind mit modernen Halb­ leiterelementen ohne weiters beherrschbar.
Bei Belastung des Abtriebs an der Ausgangswelle 3 wird sich in der Wicklung 11 ein Strom einstellen, dessen Effektivwert pro­ portional zum abtriebsseitigen Lastmoment ist. Ist die wirksa­ me Leiterlänge im Generatorteil und Motorteil gleich groß (Fig. 1, Fig. 2), so wird sich im abtriebsseitigen Leerlauf eine Ausgangsdrehzahl einstellen, die gleich der Eingangsdreh­ zahl ist. Der Strom beträgt für diesen theoretischen Grenzfall Null. Bei Belastung fällt die Drehzahl entsprechend der Bela­ stung ab, das heißt die Abtriebsseite weist die Charakteristik eines Gleichstrom-Nebenschluß-Motors bzw. einer fremderregten Gleichstrom-Maschine auf. In dieser Stellung ist das übertrag­ bare Moment an beiden Rotoren gleich, was einer Getriebeüber­ setzung von i=1 entspricht.
In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Generator-Elektromotor- Kombination mit einem in Richtung zu den Permanentmagneten des Motor-Rotors verschobenen Stator 10 dargestellt, wobei mit 19 die Verschiebungsrichtung für die Stange 15 bezeichnet ist. In dieser Stellung befindet sich die Kurzschlußwicklung 11 gemäß Fig. 4 mit ihrer wirksamen Leiterlänge deutlich weiter im Be­ reich der Permanentmagnete 8 des Motor-Rotors 7 als im Bereich der Permanentmagnete 9 des Generator-Rotors 6, so daß sich das abtriebsseitige Moment erhöht und die Abtriebsdrehzahl zurück geht.
Bei einer Verschiebung der Kurzschlußwicklung 11 in Richtung des Pfeiles 20 gemäß Fig. 5, 6 tritt der entgegengesetzte Ef­ fekt auf; die Abtriebsdrehzahl an der Ausgangswelle 3 nimmt zu, während das Abtriebsmoment abnimmt.
Bei der Verschiebung der Kurzschlußwicklung 11 mit dem Stator 10 in Richtung zum Generator-Rotor wird die wirksame Leiter­ länge im Antriebsteil größer, die im Abtriebsteil hingegen kleiner. Da der Effektivwert des Stroms in erster Näherung nur vom Lastmoment abhängig ist, kann er hier zunächst als kon­ stant betrachtet werden. Die Verringerung der Leiterlänge im Abtriebsteil bewirkt, daß sich das übertragbare Moment verrin­ gert. Das rückwirkende Moment im Generatorteil vergrößert sich dagegen. Da die zugeführte Leistung bei Vernachlässigung der Verluste gleich der abgeführten Leistung sein muß, ergibt sich ein Drehzahlanstieg auf der Abtriebsseite und eine Drehzahlab­ senkung auf der Antriebsseite.
Es zeigt sich also, daß sich durch die Verschiebung des Sta­ tors ein stufenloses elektrisches Getriebe mit sehr großer Spreizung verwirklichen läßt. Damit kann durch diese Genera­ tor-Elektromotor-Kombination ein herkömmliches Getriebe, bei­ spielsweise ein Planetengetriebe incl. Wandler z. B. in der eingangs beschriebenen Antriebsstruktur ersetzt werden. Zudem kann bei entsprechender Verschiebung des Stators die erfin­ dungsgemäße Gleichstrom-Maschine auch als Anlasser oder Licht­ maschine für ein Kraftfahrzeug genutzt werden.
Wie bereits dargelegt und wie in den Figuren durch das Schaltersymbol 18 angedeutet wurde, muß die Statorwicklung in Abhängigkeit von der Lage der einzelnen Pole der Permanent- Magneten 8, 9 zueinander ein- und ausgeschaltet werden. Als Leistungsschalter können, wie in Fig. 7 dargestellt, vorteil­ haft Halbleiterschalter, etwa preiswerte Schalttransistoren 21, 22 Verwendung finden.
Zur Ansteuerung dieser Schalter 18 dienen wie schon ausgeführt und in Fig. 8 dargestellt, Magnetfeldsensoren 23, 24, die je­ weils zwischen den Permanent-Magneten 8, 9 auf den Generator- und Motor-Rotoren 6, 7 angeordnet sind. Diese Magnetfeldsenso­ ren erkennen die Magnetfeld-Polarität des ihnen gegenüberlie­ genden Permanent-Magneten und ermöglichen so die Ansteuerung des Schalters 18. Durch die Ein- bzw. Ausschaltzeitpunkte der Wicklung in Abhängigkeit der Stellung der Magnetpole zueinan­ der können beliebig beide Drehrichtungen dieses elektromagne­ tischen Drehmomentwandlers dargestellt werden. Als Regel hier­ für gilt vereinfacht, daß die gleiche Richtung zwischen den beiden Rotoren dann erhalten wird, wenn beide Sensoren 23, 24 eine unterschiedliche Magnetfeld-Polarität sensieren und der Schalter 18 eingeschaltet ist, während eine gegensinnige Dreh­ richtung der Rotoren 6, 7 erreicht wird, wenn die Sensoren 23, 24 gleiche Magnetfeld-Polarität sensieren und der Schalter 18 eingeschaltet ist. Damit ist möglich, daß mit Hilfe von Lei­ stungsschaltern 21, 22 nach, Auswertung der Informationen von Magnetfeld-Sensoren 23, 24 die Kurzschlußwicklung 11 des Sta­ tors 10 so geschaltet werden kann, daß sich die Drehrichtung des Ausgangsrotors (Motor-Rotor 7) gegenüber dem Eingangsrotor (Generator-Rotor 6) beliebig wählen läßt.

Claims (10)

1. Generator-Elektromotor-Kombination,
mit einem Gehäuse (1), in dem der Rotor und der Stator sowohl des Generators als auch des Elektromotors angeordnet sind,
mit einem an einer Eingangswelle (2) befestigten hohlzylindrischen Generator-Rotor (6),
mit einem an einer Ausgangswelle (3) befestigten hohlzylindrischer Motor-Rotor (7), wobei die Rotoren (6, 7) axial nebeneinander liegen und an ihrer Innenseite in Um­ fangsrichtung verteilt Permanent-Magnete (8, 9) mit wechselnder Polarität aufweisen, mit einem innerhalb der hohlzylindrischen Rotoren (6, 7) axial verschiebbar angeord­ neten hohlzylindrischen Stator (10) mit wenigstens einer Kurzschlußwicklung (11), die abhängig von der Stellung der Permanentmagnete der beiden Rotoren zueinander geschaltet wird.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf einer Schiebehülse (13) befestigte Stator (10) mittels einer durch eine Gehäuseöffnung (25) ragenden und an der Hülse (13) angreifenden Stange (15) auf einem hohlzylindrischen und mit der Innenseite des Gehäuses (1) verbundenen Statorträger (12) koaxial zu der Dreh­ achse der Wellen (2, 3) verschiebbar ist.
3. Maschine nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gene­ rator-Rotor (6) dem Motor-Rotor (7) derart umspannt, daß die Permanent-Magnete (9) des Generator-Rotors (6) in Richtung zur Ausgangswelle (3) hinter den Permanentmagne­ ten (8) des Motor-Rotors (7) angeordnet sind.
4. Maschine nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Perma­ nent-Magnete (8, 9) der Rotoren (6, 7) in gleichem Abstand zur Statorwicklung (11) angeordnet sind.
5. Maschine nach Anspruch 1 bis Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Ausgangswelle (3) verbundene Rotor (7) mittels Lager (16, 17) auf der Eingangswelle (2) gelagert ist.
6. Maschine nach Anspruch 1 bis Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Rotoren (6, 7) zwischen den Permanent-Magneten (8, 9) Magnetfeldsensoren (23, 24) angeordnet sind.
7. Maschine nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (10) mit mehreren separaten Kurzschlußwicklungen (11) versehen ist.
8. Verwendung einer Maschine gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 als elektromagnetischer Drehmoment-Wandler.
9. Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Drehmoment-Wandlers mit den Merkma­ len des Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Umschaltung der Wicklung (11) des Stators (10) in Abhängigkeit von den Signalen der Magnetfeldsensoren (23, 24) die Drehrichtung des mit der Ausgangswelle (3) verbundenen Rotors (7) gesteuert wird.
10. Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Drehmoment-Wandlers mit den Merkmalen des Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verschieben der Statorwicklung entlang der Permanent-Magnete (8, 9) der Motor-und Generator-Roto­ ren (6, 7) die Drehzahl und das Abtriebsmoment der Ausgangswelle (3) gesteuert wird.
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