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Schaltung für elektromechanische Getriebe mit zwei als Generator und
Motor wirkenden Gleichstrommaschinen Zur Herstellung einer veränderlichen Übersetzung
zwischen einer treibenden Welle, z. B. derjenigen eines ungenügend regelbaren (Brennkraft-)
Motors, und einer getriebenen Welle, z. B. einer Fahrzeugachse, deren Umlaufzahl
weitgehend veränderlich sein soll, benutzt man u. U. eine elektrische Übertragung
mit zwei Gleichstrommaschinen in Leonard-Schaltung. Diese Anordnung ist auch dahin
weiterentwickelt worden, daß mit Hilfe eines Umlaufräderwerks oder auch auf andere
Weise mit wachsender Geschwindigkeit der getriebenen Welle die Schlupfgeschwindigkeit
der einen elektrischen Maschine von einem Höchstwert abnehmend bis zu Null und dann
in entgegengesetztem Sinne wieder ansteigend geändert wird, während die Schlupfgeschwindigkeit
der andern mit dem Antriebsmotor gekuppelten elektrischen Maschine etwa gleichbleibt.
Ein derartiges elektromechanisches Getriebe gewährt grundsätzlich eine bessere Ausnutzung
als ein regelrechter Leonard-Maschinensatz, erfordert also` zur Übertragung einer
gegebenen Leistung geringeren Aufwand.
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Gegenstand der Erfindung bildet eine Schaltung für solches Getriebe,
die deren Betriebseigenschaften verbessert und dadurch ihre sonst beschränkte praktische
Verwendbarkeit vermehrt. Die Gesamtanordnung kann z. B. in bekannter Weise nach
Bild i der Zeichnung gestaltet sein. Hiernach ist mit der Antriebsmaschine V, deren
Drehzahl näherungsweise als unveränderlich angenommen werden möge, der Anker c einer
regelrechten Gleichstrommaschine C gekuppelt, der seinerseits mit dem einen Zentralrad
i des Umlaufräderwerks U starr verbunden ist. Mit dessen anderem Zentralrad
h ist der Anker b der zweiten etwa ebenso großen Gleichstrommaschine B starr verbunden,
während das Gehäuse u, in dem die Planetenräder k
gelagert sind, beispielsweise
über ein Stirnradvorgelege o, P mit der getriebenen Welle d gekuppelt ist.
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Der Anker c mit dem Zentralrad i hat stets die (unveränderliche) Umlaufgeschwindigkeit
und Drehrichtung (z. B. rechtsdrehend) von V; das Zentralrad h und mit ihm der Anker
b hat die entgegengesetzt gleiche Geschwindigkeit (linksdrehend),wenn die getriebene
Welle d und damit Gehäuse u mit der Planetenachse stillsteht. Beginnt d umzulaufen,
und zwar so, daß sich Gehäuse u im gleichen Sinne wie die Welle von V und c mit
dem Zentralrad i dreht (rechtsherum), so verlangsamt sich die (linksdrehende) Geschwindigkeit
des Zentralrades h und Ankers b;
sie wird zu Null, wenn u die halbe
Geschwindigkeit von i hat. Bei weiterer (rechtsdrehender) Beschleunigung von u lehrt
sich die Bewegung von h und b um, und die Geschwindigkeit dieser Teile wächst dann
im entgegengesetzten (rechtsdrehenden) Sinne.
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Diese durch das Umlaufräderwerk bestimmten Geschwindigkeitsverhältnisse
sind in Bild 2 veranschaulicht. In Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit bzw.
der Drehzahl der getriebenen Welle ist mit n die (gleichbleibende) Umlaufzahl von
V, dem Anker c und dem Zentralrad
i, mit m die der Fahrgeschwindigkeit
verhältnisgleiche Drehzahl des Umlaufgehäuses u und mit l die Drehzahl des
Zentralrades.h und des Ankers b -über einer waagerechten Nullinie dargestellt.
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Zum Anlauf der getriebenen Welle in dem bisher betrachteten Drehsinn
(u gleichdrehend mit i,
z, B. rechtsherum) muß bekanntermaßen Maschine B als
Generator und C als Motor arbeiten, der von B gespeist@wird. Die Anker b und c sind
zu diesem Zweck gegeneinandergeschaltet. Auf dasZentralradla wirkt das der (linksherum
gerichteten) Drehung des Ankers b entgegengerichtete (also rechtsdrehende) Generatordrehmoment
von Maschine B, während auf das Zentralrad i das die (rechtsherum gerichtete) Drehung
des Ankers c unterstützende (also ebenfalls rechtsdrehende) Motordrehmoment von
Maschine C zuzüglich dessen von Maschine V wirkt. Die algebraische Summe dieser
beiden Drehmomente ist bei der angedeuteten symmetrischen Ausbildung des Umlaufräderwerks
gleich dem Drehmoment von Maschine B. Beim Anlauf übernimmt Maschine C hiervon den
Hauptteil, mit wachsender Fahrgeschwindigkeit ist C durch die Antriebsmaschine Talhnählich
zu entlasten und arbeitet schließlich dieser in zunehmendem Maße entgegen, bis die
Höchstleistung erreicht ist.
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Nach Vorangegangenem sind also die auf die beiden Zentralräder h und
i wirkenden Drehmomente gleichgerichtet; an dem Umlaufgehäuse u und im Verhältnis
der Übersetzung o, P an der getriebenen Welle d wird demnach die Summe jener Drehmomente
nutzbar. Hierin liegt der große Vorteil der Anordnung; denn sie liefert in vorliegendem
Beispiel an dem Umlaufgehäuse u das doppelte Drehmoment der Maschine B, d. h. ebensoviel,
wie man bei sonst gleichen Verhältnissen mit zwei Elektromotoren derselben Größe
erhalten würde. Zu diesen müßte aber bei der regelrechten Leonard- Schaltung noch
ein Generator für die volle zu übertragende Leistung hinzutreten. Der Gesamtaufwand
.für die teuren elektrischen Maschinen wird also gegenüber der- Leonard-Schaltung
für das elektromechanische Getriebe wesentlich geringer. Diese Ersparnis wird durch
das neu hinzukommende Umlaufräderwerk bei weitem nicht aufgezehrt; dieses läßt sich
zudem bei anderer Ausgestaltung und Gesamtanordnung zugleich zur Herstellung der
günstigsten Drehzahlverhältnisse für die elektrischen Maschinen ausnützen und macht
damit u. U. andere Zwischenübertragungen entbehrlich. Auch kann bei dem elektromechanischen
Getriebe die Ausnutzung der elektrischen Maschinen besonders hoch getrieben werden,
weil die eine von ihnen (C) ständig, die andere (B) u. a beim Anfahren, d. h. bei
der stärksten Strombelastung, mit großer Drehzahl arbeitet und damit besonders günstige
Bedingungen für die:- Kühlung gegeben sind. Die bei dem hiernach wirtschaftlich
sehr vorteilhaften elektromechanischen Getriebe noch zu beseitigenden Mängel hängen
mit der Geschwindigkeitsregelung zusammen. Diese erfolgt bekanntermaßen mit der
Erregung von Maschine B und C und geht so vor sich, daß beim Anlauf zunächst Maschine
B voll und Maschine C nahezu voll zu erregen ist. B liefert hierbei mit der Schlupfgeschwindigkeit
bzw. Drehzahl 1o (Bild 2) eine Spannung e; C mit der unveränderlichen Schlupfgeschwindigkeit
(Drehzahl) n die etwas kleinere Gegenspannung g. Der Unterschied e-g bestimmt die
Arbeitsstromstärke und damit bei der gegebenen Erregung von B und C das Drehmoment,
das so hoch gesteigert werden kann, als überhaupt mit den vorhandenen Maschinenabmessungen
erreichbar. Zur Beschleunigung der getriebenen Welle ist dann die Erregung von C
zu schwächen, weil mit wachsender Fahrgeschwindigkeit die Umlaufzahl i der Maschine
B, damit bei gleichbleibender Erregung derselben die Spannung e, abnimmt, infolgedessen
die Gegenspannung g entsprechend verkleinert werden muß, um einen geeigneten Arbeitsstrom
zu erhalten. Der Verlauf der Spannungen e und g in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit
ist in Bild 3 über einer waagerechten Nullinie dargestellt; hierbei ist gleichbleibende
(volle) Erregung von Maschine B angenommen. Alsdann verläuft e verhältnisgleich
mit der Drehzahl = des Ankers 8, also geradlinig: abnehmend bis auf o bei
dann wieder ansteigend im entgegengesetzten Sinne, weil sich die Drehrichtung des
Ankers umkehrt. - Dementsprechend muß die Spannung g und zu deren Beeinflussung
die Erregung von Maschine C ebenfalls zunächst abnehmend geregelt, dann umgekehrt
und im entgegengesetzten Sinne wieder gesteigert werden. Mit einem in den Erregerstromkreis
von C geschalteten Regulierwiderstand läßt sich die Spannung g, wie in Bild 3 angedeutet,
nur stufenweise dem idealen strichpunktiertem Verlauf g' annähern. Für. jede Erregungsstufe
verhält sich die: Spannung g wie die Drehzahl n; sie ist nicht ohne weiteres von
der Fahrgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl m abhängig, wie die Umlaufzahl l der Maschine
B und damit deren Spannung e.
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Bekanntermaßen arbeitet Maschine B so lange als Generator, bis infolge
Umkehrung ihrer Drehrichtung - bei
die Spannung e ihr Vorzeichen wechselt; entsprechend arbeitet Ma- ; schine C als
Motor, bis infolge Umkehrung ihres Erregerfeldes die Spannung g ihr Vorzeichen wechselt.
Nach der Umkehrung der Spannungen arbeitet C als Generator und B als Motor. Statt
des Spannungsunterschiedes e-g ist alsdann ein i Unterschied g'-e wirksam, der den
Arbeitsstrom, damit das Drehmoment von Maschine B - und
die mechanische
Leistungsübertragung in unverändertem Sinne aufrechterhält. Wegen des Wechsels von
Generator- und Motorwirkung bei beiden Maschinen ist nun für keine derselben (ausschließlich
oder vorwiegend) Hauptstromerregung anwendbar, wie sie für Fahrzeugantriebsmotoren
der nachgiebigen Lastaufnahme wegen bevorzugt wird. Denn bei Generatorwirkung der
betr. Maschine ergäbe die Hauptstromerregung einen ungeeigneten, u. U. unstabilen
Betriebscharakter. Praktisch ist man deshalb bei beiden Maschinen auf Nebenschluß-oder
Fremderregung angewiesen. Diese liefert aber einen starren Betriebscharakter, also
wenig nachgiebige Lastaufnahme, die ebenfalls fürFahrzeugantrieb wenig zweckmäßig
ist. Jedenfalls müßte bei bekannter willkürlicher Regelung die Erregung von Maschine
C stets möglichst genau der Fahrgeschwindigkeit angepaßt werden, damit der in den
Schaubildern durch Schraffur hervorgehobene wirksame Spannungsunterschied e-g bzw.
g-e und damit der Arbeitsstrom in geeigneten Grenzen bleibt, wenn die Fahrgeschwindigkeit,
damit die Drehzahl L und die Spannung e, nicht aber die Spannung g, sich ändert.
Diese Bedingung gilt auch bei veränderlicher Antriebsdrehzahl n; denn mit dieser
ändert sich auch l
in entsprechendem Verhältnis, infolgedessen ändern sich
hiermit bei gegebener Erregung beide Spannungen g und e im gleichen Sinne, ihr Unterschied
daher nur etwa in demselben Verhältnis wie n. Da nun bei ungenauer oder grobstufiger
Regelung der wirksame Spannungsunterschied und damit der Arbeitsstrom leicht um
ein Mehrfaches schwanken kann, ergeben sich bei der bekannten willkürlichen Regelung
praktisch keine befriedigenden Verhältnisse. Ohne ganz besondere Sorgfalt der Bedienung
wird leicht die Kraftübertragung unstetig, die Antriebsleistung nicht wirtschaftlich
ausgenutzt und die Beanspruchung der Stromwender u. U. unzulässig hoch. Diese sind
nämlich hier beim Anfahren zugleich mit Strom und Spannung stark beansprucht, daher
weniger überlastbar als bei regelrechten Fahrzeugantriebsmotoren, wo im allgemeinen
starker Strom und hohe Spannung nicht gleichzeitig auftreten.
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Um den geschilderten Mängel des elektromechanischen Getriebes zu beseitigen
und damit dessen wirtschaftliche Vorteile der praktischen Verwertung zuzuführen,
ist nach der Erfindung eine Schaltung vorgesehen, welche die Spannung g der mit
(annähernd) gleichbleibendem Schlupf arbeitenden Maschine C bei Änderungen der Fahrgeschwindigkeit
selbsttätig der Spannung c der mit wechselndem Schlupf arbeitendem im allgemeinen
unveränderlich erregten Maschine B anpaßt. Diese selbsttätige Regelung kann für
einzelne größere Teilbereiche der Geschwindigkeit allein ausreichen und durch eine
grobstufige willkürliche Regelung ergänzt werden oder für annähernd den ganzen Geschwindigkeitsbereich
ohne Nachregulierüng brauchbar sein. Der Arbeitsstrom wird auf diese Weise für jeden
Betriebszustand begrenzt und mit der Fahrgeschwindigkeit nur allmählich in geeignetem
Maße geändert. Das Verhältnis kann so gestaltet werden, daß sich bei weitgehender
Änderung der Fahrgeschwindigkeit die bei gleichbleibender Antriebsdrehzahl übertragene
Leistung nur wenig ändert, eine gegebene Maschinenleistung also wirtschaftlich ausgenützt
und Belastungsschwankungen nachgiebig aufgenommen werden können.
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Bekannte Maßnahmen zu ähnlichen Zwecken, wie namentlich die bei der
Leonard-Schaltung angewandte Gegenverbunderregung des Generators, führen bei den
besonderen Verhältnissen der hier in Rede stehenden elektromechanischen Getriebe
nicht zum Ziele; umgekehrt sind Einzelheiten der hier verwendeten Schaltung, die
erst in ihrer Gesamtheit die beabsichtigte Wirkung ergibt, nur für andere Zwecke
bekannt. Insbesondere würden Nebenschluß- und Fremderregung einer Maschine, die
hier in besonderer Weise vereinigt werden, in der bekannten Anordnung für sich allein
eine verkehrte Wirkung ergeben. .
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist in Bild a schematisch dargestellt.
Die Anker b und c sind unveränderlich gegeneinandergeschaltet; Wicklung t möge zunächst
unberücksichtigt bleiben. Maschine B erhält eine mittels des Regulierwiderstandes
y willkürlich einstellbare (der Regel nach ungeschwächte) Fremderregung -Wicklung
q - aus einer Hilfsstromquelle A-,
z. B. einer Erregermaschine gebräuchlicher
Art, die zugleich für Nebenzwecke (als Lichtmaschine, als Anwurfmotor für V) benutzt
werden kann. Zur Erregung von Maschine C dient zunächst eine Wicklung r, die an
die Spannung des Ankers b oder c (oder eine davon abgedrosselte Teilspannung) gelegt
ist. Man kann diese Wicklung hiernach sowohl als eine von Maschine B gespeiste Fremderregung
wie auch als eine Ne- ; benschlußerregung der Maschine C betrachten. Der Spannungsunterschied
zwischen den Ankern b und c wie auch der geringe Spannungsabfall in einer zwischen
diese geschalteten Wicklung t ist für die Wirkung der Wicklung r j unwesentlich.
Da sich die Spannung der beiden Anker mit der Fahrgeschwindigkeit stark ändert (vgl.
Linie e und g bzw. g' in Bild g), so ändert sich der Erregerstrom in Wicklung y
ebenso, und die Spannung von Maschine C nähme hiermit bei gleichbleibender Drehzahl
n etwa einen Verlauf nach Linie g, in Bild q.; eine Abweichung von den Geraden e
ist u. a. durch die Sättigungsverhältnisse bedingt. Für den Betrieb wäre der Spannungsverlauf
g, noch nicht brauchbar, weil der Unterschied gegen Spannung e nicht den praktischen
Anforderungen entspricht, z. B.
bereits für
verschwindet. Deshalb ist nach der Erfindung für Maschine C noch eine willkürlich
einstellbare Erregung mittels Wicklung s vorgesehen. Diese kann aus der Hilfsstromquelle
A gespeist, der Strom dabei mit dem Regulierwiderstand x geregelt und mit dem Polwechsler
w umgekehrt werden. Diese zusätzliche; von der vorerwähnten Fremd- bzw. Nebenschlußerregung
(Wicklung y) unabhängige Fremderregung ist besonders kennzeichnend gegenüber sonst
bekannten Schaltungen und für die Wirkung wesentlich. Je nach Richtung und Stärke
des Stromes in der Hilfswicklung s kann man damit einen negativen oder positiven
Beitrag zu der Spannung g. erzeugen und damit nach Bild 4 und 5 deren Verlauf parallel,
z. B. entsprechend den Linien 9l g,.... glo, verschieben. Der Verlauf gi g2 g5 g7-ga,
den man erhält, wenn beim Anfahren Wicklung s entgegen Wicklung x wirkt und der
Widerstand x in einigen groben Stufen abgeschaltet wird, nähert sich hinreichend
dem idealen Verlauf g' in Bild 3. Somit wird die Aufgabe durch das neuartige Zusammenwirken
der beiden für sich allein bekannten Nebenschluß- bzw. Fremderregungen gelöst.
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Durch Umkehrung des Stromes in Wicklung s kann man eine entgegengesetzte
Abweichung des Spannungsverlaufs von Linie go, z. B. entsprechende Linie gla (Bild
4), erzielen. Eine Abstufung des Spannungsunterschiedes g-e bzw. e-g ist entsprechend
wie zuvor möglich. Dieser erzeugt jetzt einen Arbeitsstrom in entgegengesetzter
Richtung; damit kehren sich die Drehmomente von Maschine B und C um. In diesem Betriebszustand
kann das Getriebe eine Bremskraft von der- getriebenen Welle d auf die Antriebsmaschine
V übertragen. Zur Aufnahme dieser Kraft kann man z. B: einen Brennkraftmotor als
Verdichtungspumpe arbeiten lassen.
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Um die Regelung noch weiter zu verbessern und namentlich Überlastungen
zuverlässig zu verhüten, kann man Maschine C noch mit einer (schwachen) Hauptstromerregung
- Wicklung t - versehen. Diese ist so zu schalten, daß sie bei Motorwirkung von
C mit Wicklung y im gleichen Sinne und bei Generatorwirkung jener entgegenwirkt.
Im ersten Fälle erhöht sie mit wachsendem Arbeitsstrom die Motorgegenspannung, im
zweiten Falle vermindert sie unter dem gleichen Einfluß die Generatorspannung. Sie
verwandelt den Spannungsverlauf g,, etwa in g' (Bild 5) und begrenzt in jedem Falle
den wirksamen Spannungsunterschied e-g' bzw. g'-e, damit den Arbeitsstrom und die
Belastung.
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Die an sich bekannte Hauptstromerregung ergibt so in Verbindung mit
der vorher beschriebenen Schaltung eine vervollkommnete Wirkiuig, wodurch die Bedienung
aufs äußerste vereinfacht wird. Denn die Spannung von Maschine C kann bei unveränderter
Einstellung des Widerstandes x für einen weiten Geschwindigkeitsbereich dem idealen
Verlauf nach Linie g' in Bild 3 angeglichen werden. Hiermit wird für diesen Bereich
der Arbeitsstrom selbsttätig geregelt und der relative Verlauf des übertragenen
Drehmoments bestimmt. Seine absolute Größe ist daneben mit dem Widerstand x willkürlich
zu beeinflussen, da hiermit die absolute Höhe der Spannung von Maschine C geändert
werden kann; z. B, kann man durch Erhöhen dieser Spannung bei jeder beliebigen Geschwindigkeit
den Arbeitsstrom und damit das Drehmoment zum Verschwinden bringen oder auch umkehren,
letzteres zum Bremsen. In Bild 5 ist mit den Linien g.-g4-g.-g.-g" o und g" noch
angedeutet, wie beispielsweise eine Bremsung mit vermindertem Arbeitsstrom unter
Benutzung des stufenweise abzuschaltenden Widerstandes x verläuft. Die Hauptstromerregung
t begrenzt auch hierbei den Arbeitsstrom sinngemäß wie zuvor und liefert den Spannungsverlauf
g".
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In gleicher Weise wirkt die erfindungsgemäße Schaltung auch vorteilhaft,
wenn der Regelungsbereich durch Schwächung des Motorfeldes von Maschine B erweitert
werden soll. Bekanntermaßen kommt dies in Betracht, wenn das Feld von Maschine C
gesättigt ist und entweder eine bereits erreichte große Fahrgeschwindigkeit noch
gesteigert öder die getriebene Welle vom Stillstand aus rückwärts beschleunigt werden
soll, d. h. so, daß das Umlaufgehäuse u sich entgegen denn Zentralrad i dreht. In
Bild 3 ist für den ersten Fall rechts unten und für den zweiten links oben angedeutet,
wie sich die Spannungen 4ierbei bei willkürlicher Regelung verhalten müßten; Spannung
e der jetzt als Motor arbeitenden Maschine B wird durch Einschalten des Widerstandes
y auf durchschnittlich gleicher Höhe gehalten, weil Spannung g der als Generator
arbeitenden Maschine C nicht weiter gesteigert werden kann. In Bild 3 ist rechts
unten beispielsweise für den ersten Fall die Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltung
angedeutet; bei dieser ist die Spannung von Maschine C (g;,, g') von e abhängig,
der Unterschied beider bleibt auch bei Schwankungen von e annähernd gleich.
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Nach bekannten Grundsätzen kann man die Wirkung von mehreren gesonderten
Erregungen, welche die Spannung einer Gleichstrommaschine beeinflussen sollen, auch
dadurch ersetzen, daß man die entsprechenden Erregerwicklungen statt an der betr.
Maschine selbst an einer Erregermaschine anbringt und mit dieser nur eine Erregerwicklung
der Hauptmaschine speist. Die Erfindung bezieht sich deshalb auch auf die Ausführungsform,
wonach die mit (annähernd) unveränderlichem Schlupf arbeitende Getriebemaschine
C nur mit einer Fremderregung versehen und diese von einer besonderen Erregermaschine
gespeist ist, die ihrerseits entsprechend
erregt wird, wie bisher
für die Hauptmaschine C angenommen. Ein Vorteil dieser Anordnung läge darin, daß
man nicht die Hauptmaschine mit mehreren z. T. gegeneinander wirkenden Erregerwicklungen
auszurüsten hätte und daher dort den Wickelraum besser ausnützen könnte. Dafür wird
eine neue Hilfsmaschine mit mehreren Erregerwicklungen erforderlich. Gemeinsam für
die zuletzt erwähnte und die zuvor beschriebene Anordnung ist die Beeinflussung
der Spannung von Maschine C durch die verschiedenen angegebenen Erregungen - entweder
mittelbar oder unmittelbar.