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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der am 2. Februar 2000 eingereichten
vorläufigen Anmeldung
(provisional application) mit der Seriennummer US 60/179,900.
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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches System für Fahrzeuge und insbesondere
die Beziehung zwischen dem elektrischen System des Fahrzeuges und dem
Antriebsstrang zur Steuerung des Drehmomentes, der Energieerzeugung
und des Anlassens des Motors.
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Hintergrund
der Erfindung
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Gängige Fahrzeuge,
so beispielsweise Sattelzüge,
Müllfahrzeuge,
Busse und dergleichen, enthalten oftmals einen Verlangsamer, mit
dem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges jedes Mal, wenn das Fahrzeug
verlangsamt werden soll, verringert wird, ohne dass Reibungsbremsen
zum Einsatz kommen müssten.
Die Verwendung eines Verlangsamers stellt daher ein Mittel dar,
die Lebensdauer der Fahrzeugbremsen zu verlängern und eine häufige und kostenintensive
Wartung der Bremsen zu vermeiden.
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Die
Versorgung derartiger Verlangsamervorrichtungen mit Energie kann
aus mehreren Quellen erfolgen. Einige Verlangsamer werden durch
Steuerung der Einlass- und Auslassventile des Motors betrieben,
andere durch Begrenzung der Motorabgase, wieder andere sind ausgestaltet,
um sich hydraulische Energie oder eine magnetische oder elektromagnetische
Wechselwirkung zu Nutze zu machen. Alle Verlangsamer funktionieren
derart, dass sie die einem bewegten Fahrzeug innewohnende kinetische Energie
absorbieren oder aufnehmen.
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Verlangsamung" den Einsatz eines
elektromagnetischen Verlangsamers zur Verlangsamung eines Fahrzeuges.
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Bei
elektromagnetischen Verlangsamern sind aus dem Stand der Technik
zwei Verfahren bekannt, um deren magnetisches Feld zu erregen.
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Das
eine Verfahren nutzt die Batterie und den Drehstromgenerator des
Fahrzeuges als Energiequelle. Wein 2 gezeigt
ist, konkurriert der Verlangsamer 30 mit den übrigen Lasten
innerhalb des Fahrzeuges um die verfügbare Energie. Während der
Verlangsamung, die beispielsweise bei einer Abwärtsfahrt auftritt, läuft der
Motor mit geringerer Drehzahl. In diesem Fall ist die Ausgabe des
Drehstromgenerators 22 nicht ausreichend, um die Batterie
vollständig
geladen zu halten. Darüber
hinaus bewirkt der Verlangsamer eine Entleerung der geladenen Batterie.
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Das
zweite Verfahren verwendet anstelle einer Feldwicklung Permanentmagneten.
Bei diesem Aufbau obliegt die Verlangsamung des Fahrzeuges nicht
der Batterie des Fahrzeuges und dem Drehstromgenerator. Gleichwohl
ist das durch die Verlangsamung erzeugte Drehmoment primär auf einen Zustand „vollständig EIN" oder „vollständig AUS" beschränkt. Alternativ
kann ein kostenintensiver Rotorversetzungsmechanismus eingebaut
werden, der in der Lage ist, die Spannung zu variieren.
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In
dem US-Patent
US 5,821,712 wird
ein elektromagnetisches Bremssystem beschrieben. Das beschriebene
Bremssystem umfasst Spulenanordnungen, die sich gegenüber einer
Rotormagnetanordnung durch Verwendung einer Betätigeranordnung bewegen. Werden
die Spulenanordnungen näher
an die Rotormagnetanordnung heranbewegt, so entwickelt sich ein
Strom in der Spulenanordnung, der ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld
induziert wiederum ein Drehmoment an der Rotormagnetanordnung. Der
erzeugte Strom kann dann zum Wiederaufladen des Energiespeichersystems
an Bord des Fahrzeuges verwendet werden.
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Das
US-Patent
US 4,864,173 offenbart
ein Gerät
zur gesteuerten Verlangsamung der Bewegung eines Fahrzeuges, umfassend:
einen Motor und eine Hauptantriebswelle; eine Gehäusestruktur, von
der die Hauptantriebswelle drehbar getragen ist; einen elektromagnetischen
Verlangsamungsmechanismus mit einem Induktionsring, der an der Gehäusestruktur
in umgebender Beziehung mit der Hauptantriebswelle befestigt ist,
sowie eine Feldwicklung, die an der Hauptantriebswelle befestigt
ist.
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Neben
der elektromagnetischen Verlangsamung ist aus dem Stand der Technik
auch das Mittel der hydraulischen Verlangsamung als Mittel zur Unterstützung der
Bremsung eines Fahrzeuges bekannt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Erfindung ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche festgelegt.
Zusätzliche
Funktionen können
das Verlangsamersystem betreffen, das gegebenenfalls derart ausgelegt
ist, dass es eines der folgenden Merkmale oder eine Kombination hieraus
enthält:
1) einen bürstenlosen
Gleichstromdrehstromgenerator; 2) einen bürstenlosen Gleichstromanlasser;
3) einen Passiv/Aktiv-Dämpfer,
der das Schwungrad des Fahrzeuges ersetzt; 4) eine getriebesynchronisierende
Trägheitsbremse;
und 5) einen Verstärker
zur Verlegung der Verzögerung
in Verbindung mit dem Einsatz eines Turboaufladers.
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Das
Gehäuse,
das das Verlangsamungssystem enthält, kann in den Motor oder
das Getriebe integriert sein. Bei Betrieb des Motors wird ein Drehmoment
an der Antriebswelle zur Speisung des Getriebes erzeugt. Gegebenenfalls
erzeugt der Verlangsamer ein Verlangsamungsdrehmoment beziehungsweise
ein negatives Drehmoment zur Verringerung der Geschwindigkeit des
Fahrzeuges.
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Das
Verlangsamungssystem kann entweder am Eingang oder am Ausgang des
Getriebes angeordnet sein. Die Anordnung hängt von der gewünschten
Anwendung ab, da jede Anordnung andere Vorteile mit sich bringt.
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So
kann beispielsweise ein Verlangsamungssystem, das am Ausgang des
Getriebes angeordnet ist, kleinformatig und leichtgewichtig ausgestaltet
werden, indem es mit einer Hochgeschwindigkeitswelle versehen wird.
Gleichwohl kam das Verlangsamungssystem an dieser Anordnungsstelle
keinen wirkungsvollen Anlasser oder Generator bilden, da eine Drehung
hiervon nur dann erfolgt, wenn das Getriebe mit der Kupplung oder
einem anderen Drehmomentüberträger in Eingriff
befindlich ist.
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Demgegenüber kann
ein Verlangsamungssystem, das am Eingang eines Getriebes angeordnet ist,
ungeachtet seiner Größe einen
Vorteil hinsichtlich der Übersetzungsverhältnisse
beim Herunterschalten mit sich bringen, wodurch sogar ein noch größeres Drehmoment
erzeugt werden kann. Darüber
hinaus ist für
den Fall, dass die Verlangsamungsrotoranordnung, was nachstehend
noch erläutert
wird, zwischen dem Motor und dem Getriebe angeordnet ist, deren
Funktion als Generator nicht beeinträchtigt, wenn eine Drehung erfolgt,
solange der Motor läuft. Darüber hinaus
kann aufgrund der Tatsache, dass die Rotoranordnung des Verlangsamungssystems unmittelbar
mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, die Vorrichtung als Anlasser
verwendet werden. Aufgrund der ge nannten Ursachen wird das Verlangsamungssystem
vorzugsweise zwischen dem Motor und dem Getriebe angeordnet. Bei
diesem Aufbau wird zudem bevorzugt, wenn ein Induktionsring oder
ein Verlangsamungszylinder derart ausgelegt sind, dass sie von einem
Kühlmittel
durchflossen werden können,
weshalb ein Anschluss an den bereits bestehenden Kühlmittelkreislauf
(mithin die Heizung) des Kraftfahrzeuges vorgenommen werden kann,
damit die während des
Verlangsamens erzeugte Wärme
abgeführt
wird.
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Darüber hinaus
wird ein elektromagnetischer Verlangsamer beschrieben, der entlang
der Antriebswelle an den Erregergenerator angeschlossen ist. Ein
Permanentmagnetgenerator (PMG) kann ebenfalls an derselben Welle
angeordnet sein, ist jedoch nicht unmittelbar entweder mit dem Verlangsamer oder
mit dem Erregergenerator verbunden. Die Motoren sowohl von Erregergenerator
und PMG als auch der Feldwicklung des Verlangsamers sind entweder mit
einer zusammenwirkenden Welle, die wiederum mit der Hauptantriebswelle
gekoppelt ist, gekoppelt, oder die zusammenwirkende Welle ist per
se bereits die Hauptantriebswelle. Des Weiteren ist wenigstens ein
Gleichrichter zwischen der Feldwicklung und dem Erregerrotor angeordnet
und damit verdrahtet. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Feldwicklung,
der Gleichrichter und die Rotoren von Erreger und PMG zusammen als
Verlangsamungsrotoranordnung bezeichnet.
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Über der
Rotoranordnung ist ein Gehäuse angeordnet,
das entweder in das Motorgehäuse
oder in das Getriebegehäuse
integriert ist oder auch als separates Gehäuse ausgebildet sein kann.
Das Gehäuse
umfasst vorzugsweise den Induktionsring und die Statoren von Erregergenerator
und PMG. Aus diesem Grund umfassen der Verlangsamer, der Erregergenerator
und der PMG jeweils relativ zueinander drehbare Elemente, den stationären Induktionsring des
Verlangsamers und Statoren von Erregergenerator und PMG, und die
zugehörigen
drehbaren Elemente, die Feldwicklung und den Erregerrotor und den
PM-Rotor, die in Drehung befindlich sind, wenn der Antriebsstrang
in Betrieb ist.
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Der
Erregergenerator ermöglicht
einen bürstenlosen
Betrieb, wobei der PMG als „selbsterregend" bezeichnet wird,
da dessen Rotor mit der Antriebswelle des Fahrzeuges gekoppelt ist
und Strom erzeugt, solange die Antriebswelle in Drehung befindlich
ist.
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Der
elektromagnetische Verlangsamer arbeitet mittels Erregung der drehenden
Feldwicklung und der Rotoranordnungen, um mit einem stationären Induktionsring
in Wechselwirkung zu treten, sodass ein Drehmoment erzeugt wird,
das zusammen mit der Dre hung der Antriebswelle Energie erzeugt.
Aus diesem Grund sind beide Verlangsamungselemente, die Feldwicklung
und der Induktionsring in umgebender Beziehung zu der Hauptantriebswelle.
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Man
beachte insbesondere, dass ungeachtet der Tatsache, dass ein Drehmoment
zwischen der Feldwicklung der Rotoranordnung und dem Induktionsring
aufgrund der magnetischen Anziehung sogar bei Stillstand existieren
kann, eine relative Bewegung zwischen dem PMG-Rotor und Stator gegeben
sein muss, damit ein Drehmoment erzeugt wird. Mit anderen Worten,
die Feldwicklung erfordert eine Erregung durch elektrischen Strom,
die als Ergebnis einer Ausgabe erzeugt wird, die wiederum von dem
PMG stammt.
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Hierdurch
wird der PMG in die Lage versetzt, mechanische Energie in elektrische
Energie umzuwandeln, die benötigt
wird, um den Erregergenerator und letztendlich die Feldwicklung
der Rotoranordnung zu erregen. Da der PMG immer dann Elektrizität erzeugt,
wenn die Antriebswelle in Drehung befindlich ist, ist es notwendig,
einen Regulator zur Regulierung des PMG des den Erregerstator erreichenden
Stromes einzusetzen. Der Betrieb des Regulators hängt von
der Art des empfangenen externen Signals ab. Darüber hinaus ist eine Speisungseinheit (power
conditioning unit PCU) von Nöten,
um den Wechselstrom (alternating current AC), der von dem PMG erzeugt
wird, in Gleichstrom (direct current DC) umzuwandeln.
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Die
Erfindung kann genauso betrieben werden, wenn der Induktionsring
in Drehung versetzt wird, während
das Magnetfeld stationär
verbleibt.
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Zusätzlich zu
der Tatsache, dass der PMG die elektrische Energie liefert, die
zur Versorgung des Erregergenerators verwendet wird, kann dieser ebenfalls
zum Aufladen der Batterie des Fahrzeuges eingesetzt werden, weshalb
kein Drehstromgenerator mehr benötigt
wird.
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Zudem
ist der Energiefluss durch die PCU teilweise reversibel, sodass
die Batterie zum Antrieb des PMG eingesetzt werden kann, weshalb
kein eigener Anlasser mehr von Nöten
ist.
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Die
von der Rotoranordnung erzeugte Trägheit kann zudem effektiv dazu
verwendet werden, dass Schwungrad des Motors zu ersetzen. Eine gesteuerte
Pulsung des Ver langsamers entgegengesetzt zu den Pulsen des positiven
Drehmomentes des Motors kann eine aktive Drehmomentdämpfung bewirken.
Es ist zudem möglich,
den PMG als Motor zu betreiben und entgegengesetzt zu den Pulsen
des negativen Drehmomentes des Motors gesteuert zu pulsen, um ein ähnliches
Ergebnis zu erhalten, was jedoch zu einem höheren positiven Gesamtdrehmoment
führt.
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Schließlich ist
auch die Verwendung des PMG als Motor möglich, um ein positives Drehmoment
für den
Antriebsstrang bereitzustellen, wenn eine Energieverstärkung benötigt wird.
Die Energieverstärkung
kann bei einem Ausgleich derjenigen Verzögerung von Nutzen sein, die
in turboaufgeladenen Systemen allgemein auftritt. Die Dauer und
Amplitude der Verstärkung
ist durch die Kapazität
und den Ladungszustand der Batterie begrenzt.
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Da
der PMG bei bestimmten Gegebenheiten als Motor und bei anderen Gegebenheiten
als Generator arbeitet, kann der PMG als „Motor/Generator" bezeichnet werden.
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Obgleich
im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von elektromagnetischen
Standardprinzipien die Rede ist, das heißt von einem Feld, das mit
einem Anker in Wechselwirkung steht, steht darüber hinaus vorteilhafterweise
eine Selbsterregung zur Verfügung,
während
die mit der Feldwicklung verbundene Steuerbarkeit erhalten bleibt. Dies
wird durch Verwendung eines Erregergenerators in Kombination mit
einem PMG an derselben Welle und vorzugsweise innerhalb desselben
Gehäuses
bewerkstelligt.
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Aus
diesem Grund beruht die Erfindung auf einem elektromagnetischen
Verlangsamer für
sich genommen und in Kombination mit einer oder mehreren anderen
Funktionen. Die erläuterten
Prinzipien können
jedoch auch ohne Einsatz eines Verlangsamers in Kombination mit
anderen Funktionen eingesetzt werden.
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So
kann beispielsweise ein PMG, der derart ausgestaltet ist, dass dessen
Rotor mit der Antriebswelle und dessen Stator darum herum gekoppelt
ist, ausreichend Strom erzeugen, um als Alternative für den Drehstromgenerator
zu dienen. Darüber
hinaus kann der Anlasser des Fahrzeuges durch Einsatz des PMG als
bürstenloser
Anlasser ersetzt werden, wenn eine Winkeldrehpositionsanzeige vorgesehen
ist, und ein Inverter verwendet wird, um Strom aus der Baterie des
Fahrzeuges zu leiten.
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Andere
Ausgestaltungen können
durch Kombination der verschiedenen vorgenannten Funktionen erhalten
werden.
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Die
Erfindung bringt im Vergleich zum Stand der Technik die nachfolgenden
Vorteile.
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Das
Verlangsamungssystem ist selbsterregend, da es keine Energie aus
der Batterie des Fahrzeuges oder einem Drehstromgenerator benötigt. Daher
wird die Batterie während
eines Verlangsamungszyklus nicht entleert. Die elektrische Energie, die
zur Erregung des Verlangsamers benötigt wird, wird von einem PMG
erzeugt, der mechanische Energie aus der Drehung der Antriebswelle
in verwertbare elektrische Energie umwandelt.
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Das
Verlangsamungssystem kann derart ausgestaltet sein, dass der PMG
dafür eingesetzt wird,
elektrische Energie für
das Laden der Batterie des Fahrzeuges wie auch elektrische Energie
für den Betrieb
des Verlangsamers bereitzustellen. Daher kann auf einen Drehstromgenerator
verzichtet werden.
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Das
Verlangsamungssystem kann darüber hinaus
derart ausgelegt sein, dass die Batterie dem PMG in einem „Anlassmodus" über einen Anlassinverter Energie
zuführt.
In diesem Fall kann auf einen Anlasser verzichtet werden. Darüber hinaus
kann der PMG bei laufendem Motor derart ausgelegt sein, dass er
die „Verzögerung" beim Turboaufladen
durch eine Verstärkung
des Systems mit Bewegungsenergie ausgleicht.
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Das
Verlangsamungssystem kann ebenfalls für eine Verwendung als Aktiv/Passiv-Dämpfer ausgelegt sein. Die von
dem Rotor entwickelte Trägheit wirkt
als Passivdämpfer,
die das Schwungrad ersetzen kann. Das Verlangsamungssystem kann
jedoch auch eine aktive Dämpfung
bewirken. Der Vorteil der aktiven Dämpfung besteht darin, dass
mechanische Beanspruchungen verringert werden können, was die Lebensdauer des
Getriebes, des Differenzials und anderer Komponenten des Antriebsstranges
verlängert.
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Das
Verlangsamungssystem kann darüber hinaus
derart ausgelegt sein, dass die Trägheitsbremse, die üblicherweise
in Getrieben verwendet wird, ersetzt wird, um das Synchronisieren
der Zahnräder
beim Herunterschalten zu unterstützen.
Trägheitsbremsen
sind oftmals kostenintensiv und erfordern den zusätzlichen
Einbau eines Energieabnehmers (power take off PTO), der aus wenigstens
einem Paar von Zahnrädern
besteht, in das Getriebe.
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Eine
verbesserte Kraftstoffnutzung ergibt sich zudem aus der Verringerung
des Gesamtgewichtes des Fahrzeuges. Der Anlasser aus dem Stand der
Technik, der eine parasitäre
Last darstellt, sobald der Motor angelassen wird, ist weggelassen. Die
Energie, die andernfalls an eine parasitäre Last verloren ginge, steht
nunmehr für
andere Lastzwecke zur Verfügung.
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Das
Verlangsamungssystem führt
zu einer verbesserten Verlässlichkeit,
da: a) die Anzahl der Bauteile verringert wird, b) die Lebensdauer
des Getriebes und anderer Komponenten des Antriebsstranges verlängert wird,
da Drehmomentpulse durch den aktiven Dämpfer geglättet werden, und c) die Lebensdauer
der Batterien verlängert
wird, da Stromspitzen bei gesteuerten Anlassvorgängen, die bei Anlassern vom
Bürstentyp
auftreten, minimiert werden. Die Energienutzung verringert das Ausmaß des Energieverlustes
und verlängert
die Lebensdauer der Batterie.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Einzelheiten
der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der begleitenden
Zeichnung beschrieben, die sich wie folgt zusammensetzt.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines typischen im Stand der Technik gängigen Antriebsstranges.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines typischen Antriebsstranges, bei dem ein
elektromagnetischer im Stand der Technik gängiger Antriebsstrangverlangsamer
zum Einsatz kommt.
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3 ist
ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung,
wobei der Antriebsstrang mit einem selbsterregenden elektromagnetischen
Verlangsamer, der in das Getriebe integriert ist, ausgestattet ist.
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3a zeigt
einen alternativen Aufbau betreffend die Position des Verlangsamers
relativ zu dem Getriebe.
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4 ist
ein Blockdiagramm des selbsterregenden Verlangsamers von 3 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel.
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5 ist
ein schematisches Diagramm des selbsterregenden Verlangsamers von 4 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
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6 ist
ein Blockdiagramm eines alternativen Verlangsamersystems gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
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7 ist
ein schematisches Diagramm des selbsterregenden Verlangsamers von 6 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel.
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8 zeigt
einen alternativen Aufbau betreffend die Position des Verlangsamers
relativ zu dem Motor gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
des Verlangsamersystems.
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9 ist
ein Blockdiagramm eines alternativen Verlangsamersystems mit einer
Kombination aus einem Verlangsamer, einem Anlasser und einem Drehstromgenerator
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel.
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10 ist
ein schematisches Diagramm der Kombination aus dem Verlangsamer,
dem Anlasser und dem Drehstromgenerator von 9 gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel.
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11 ist
ein Blockdiagramm eines alternativen Verlangsamersystems mit einer
Kombination aus einem Verlangsamer, einem Anlasser, einem Drehstromgenerator
und einem Dämpfer
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel.
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12 ist
ein schematisches Diagramm der Kombination aus dem Verlangsamer,
dem Anlasser, dem Drehstromgenerator und dem Dämpfer von 11 gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel.
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13 ist
ein Blockdiagramm eines alternativen Verlangsamersystems mit einer
Kombination aus einem Verlangsamer, einem Anlasser, einem Drehstromgenerator
und einem PMG-Verstärker
gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel.
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14 ist
ein schematisches Diagramm der Kombination aus dem Verlangsamer,
dem Anlasser, dem Drehstromgenerator und dem PMG-Verstärker gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel.
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15 zeigt
Drehmomentkennkurven eines typischen Dieselmotors mit passiver und
passiv/aktiver Dämpfung.
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Bestmögliche Ausführung der
Erfindung
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Zwei
Beispiele aus dem Stand der Technik sind in 1 und 2 dargestellt. 1 zeigt
einen normalen Antriebsstrang 10 ohne Verlangsamer. 1 zeigt
darüber
hinaus, wie ein Motor 12, dessen Torsionsoszillationen
von einem Schwungrad 14 geglättet werden, eine Antriebswelle 15 zum
Antrieb eines Getriebes 16, einer Antriebsachse 18 und
der Antriebsräder 20 einsetzt.
In dem Aufbau gemäß 1 verwendet
das Fahrzeug zur Verlangsamung Reibungsbremsen und kann sich in
gewissem Ausmaß eines
niedrigeren Getriebeganges bedienen, um die Verlangsamung zu unterstützen.
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Der
Motor 12 stellt darüber
hinaus mechanische Energie für
einen Drehstromgenerator 22 bereit, dessen Ausgang, der
von einem Regulator 24 stabilisiert wird, die Batterie 26 des
Fahrzeuges parallel zu verschiedenen elektrischen Lasten 27 des Fahrzeuges
auflädt.
Ein eigens vorgesehener Anlasser 28 des Motors ist zudem
mechanisch mit dem Schwungrad 14 und elektrisch über einen
Schalter 29 mit der Batterie 26 verbunden.
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2 zeigt
einen Antriebsstrang 11 aus dem Stand der Technik mit einem
luftgekühlten,
einstufigen elektromagnetischen Verlangsamer 30 in Reihe mit
der Antriebswelle 15. Bei diesem Aufbau kann das elektrische
System während
der Verlangsamung stark beansprucht werden, wobei häufig die
Ausgangskapazität
des Drehstromgenerators 22 stark überbeansprucht wird. Immer
dann, wenn eine Verlangsamung am dringendsten von Nöten ist,
so beispielsweise beim Abwärtsfahren,
befindet sich der Motor 12 im Leerlauf, und der elektrische
Ausgang des Drehstromgenerators 22 befindet sich nicht
im Maximum. Dieser Umstand kann zur Entleerung der Batterie 26 führen, und
zwar insbesondere dann, wenn die Verlangsamung für eine längere Zeitspanne andauert,
was beim Abwärtsfahren
in starkem Gefälle
der Fall ist.
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Die
Energiesteuereinheit(en) der Erfindung ist/sind bei den nachfolgenden
Ausführungsbeispielen
für einen
Betrieb mit verschiedenen Kapazitäten ausgelegt und ist/sind
Teil einer oder mehrerer Schaltungseinrichtungen, die in den Ansprüchen beschrieben
sind. Man beachte, dass die Energiesteuereinheit nur als Regulator
und Gleichrichter arbeiten kann, was beim nachfolgenden ersten Ausführungsbeispiel
der Fall ist, oder beispiels weise auch die bidirektionale Funktion
eines Inverters wahrnehmen kann, was auf das dritte Ausführungsbeispiel
zutrifft.
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Es
schließt
sich die Beschreibung von vier Ausführungsbeispielen der Erfindung
an.
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A. Ausführungsbeispiel
1
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Elektromagnetischer
Verlangsamer
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Bei
der vorliegenden Erfindung 110 ist im Gegensatz zum Stand
der Technik ein Verlangsamer 130 oder 130a in
ein Getriebe integriert, wobei der Verlangsamer entweder am Eingang
oder am Ausgang des Getriebes angeordnet ist, was in 3 beziehungsweise
in 3a gezeigt ist. Alternativ kann der Verlangsamer
in den Motor 212 integriert sein, was in 8 gezeigt
ist.
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In 4 und 5 ist
gezeigt, wie die internen und externen Vorrichtungskomponenten angeordnet
und angeschlossen sind. 5 zeigt eine Rotoranordnung 140 mit
einer Feldwicklung 142, Gleichrichtern 144, einem
Erregerrotor 146 und einem PM-Rotor 148, der magnetisch
mit einer Verlangsamungsstatoranordnung mit einem flüssigkeitsgekühlten dualen
Induktionszylinder 152, einem Erregerstator 154 und
einem PM-Stator 156 wechselwirkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Verlangsamerstatoranordnung Teil des Gehäuses, das integral mit dem
Gehäuse
des Motors, des Getriebes oder auch als selbstständiges Gehäuse ausgebildet sein kann.
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Es
wird eine relative Bewegung zwischen dem Rotor und dem Stator von
PMG 147 und Erregergenerator 145 erzeugt, wenn
der Motor läuft,
und die Verlangsamerrotoranordnung 140 am Getriebeeingang
angeordnet oder im Gehäuse
des Schwungrades des Motors integriert ist.
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Die
PCU 160 ist ein Regulator, der dreiphasige Wechselstromenergie
aus dem PMG 147 aufnimmt, verarbeitet und den Stromfluss
zu dem Erregerstator 154 als pulsbreitenmodulierter Gleichstrom entsprechend
einem externen Verlangsamungssignal 170 reguliert.
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Es
schließen
sich einige Merkmale des selbsterregenden elektromagnetischen Verlangsamers
an.
- 1. Der Induktionsring 152 ist
stationär
und mit einem Eingangsströmungsweg 182 und
einem Ausgangsströmungsweg 184 ausgestattet,
die mit dem (nicht gezeigten) Flüssigkeitskühlmittelsystem
des Motors verbunden sein können.
Das Kühlmittel
wird zudem von dem Motor 12 verwendet und kann entweder
in Reihe mit dem Motor oder parallel hierzu sein. Das in dem Kühlsystem vorhandene
Kühlmittel
sollte in der Lage sein, die von dem Induktionsring 152 des
Verlangsamers abgegebene Wärme
aufzunehmen. Ist eine Verlangsamung in Reaktion auf ein externes
Verlangsamungssignal 170 von Nöten, so ist die Motorlast üblicherweise
minimal, und die Anforderungen an die Kühlung sind stark verringert.
Aus diesem Grund muss das Kühlsystem
des Fahrzeuges erfindungsgemäß nicht
größer ausgelegt
werden, um die von dem Verlangsamer ausgehende Wärme aufzunehmen. Der Induktionsring 152 kann
als trommelförmiger
dualer Zylinder, wie in 4 gezeigt, ausgestaltet sein,
der von demselben gewickelten Magnetfeld 142 erregt wird,
sodass der Raum, der ansonsten ungenutzt verbliebe, vorteilhaft
genutzt wird. Für
den Fall, dass das Kühlsystem
des Fahrzeuges für
eine Wärmeaufnahme
ausgelegt ist, anstelle dass es luftgekühlt wäre, können die Größe und das Gewicht des Induktionselementes 152 minimiert
werden.
- 2. Alle drei verdrahteten Komponenten, nämlich die Feldwicklung 142,
die Gleichrichter 144 und der Erregerroter 146,
sind an der Antriebswelle 15 angeordnet und drehen sich
daher mit derselben Geschwindigkeit. Üblicherweise ist auch der PM-Rotor 148 um
die Antriebswelle 15 herum angebracht; er sollte jedoch
aufgrund der Tatsache, dass er nicht mit den anderen Komponenten
der Rotoranordnung verdrahtet ist, an anderer Stelle angeordnet
sein, beispielsweise in dem Fall, in dem aufgrund spezieller Designanforderungen eine
weitere Welle gewünscht
ist.
- 3. Der PMG 147 ist derart bemessen, dass er die Drehgeschwindigkeit
der Antriebswelle 15 zu seinem Vorteil nutzt und sämtliche
Erregungsenergie, die von dem Erregungsgenerator 145 benötigt wird,
bereitstellt.
- 4. Der PCU/Regulator 160 ist eine Festkörpervorrichtung,
die Wechselstromenergie aus dem PM-Stator 156 empfängt, diese
zu Gleichstrom gleichrichtet und anschließend den Gleichstrom dem Erregerstator 154 entsprechend
den Anforderungen an die Verlangsamung des Fahrzeuges zuleitet.
Das bevorzugte Verfahren bei der Regulierung des Gleichstromes ist
die Pulsbreitenmodulierung PWM, obgleich lineare Regulatoren ebenfalls
ausreichend erfolgreich betrieben werden können. Der PCU/Regulator 160 kann
in das Gehäuse
des Verlangsamers integriert oder entfernt hiervon angebracht sein,
was von der Anwendung und von Vorlieben beim Aufbau abhängt.
- 5. Der PCU/Regulator 160 bestimmt die Anforderungen
an die Verlangsamung des Fahrzeuges in Abhängigkeit von einem empfangenen
externen Signal 170. Diese Anforderungen können durch eine
Vielzahl von Signalen bestimmt sein, so beispielsweise durch die
Position des Gaspedals, durch die Position des Bremspedals in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit oder anderen Parametern, so beispielsweise
Rücktorsionsbeanspruchungen,
die im Zusammenhang mit bestimmten Kenngrößen des Verlangsamungsdrehmomentes von
Bedeutung sind. Darüber
hinaus kann das spezielle Signalsystem für das Fahrzeug derart ausgestaltet
sein, dass der PCU/Regulator 160 nur dann in Betrieb ist,
wenn ein Signal empfangen wird, oder er kann dergestalt arbeiten,
dass er ständig
ein Signal empfängt,
seine Funktion jedoch entsprechend Änderungen in dem empfangenen
Signal anpasst.
- 6. Das wirkende Verlangsamungsdrehmoment ist vollständig steuerbar
und kann derart bestimmt werden, dass die Beanspruchungen des Antriebsstranges
minimiert werden, während
ein äußerst wirkungsvolles
Verlangsamungsprofil gegeben ist. Das empfangene bestimmte Verlangsamungssignal 170 korreliert
zu einem bestimmten Anteil des genutzten Stromes, der von dem PMG erzeugt
wird. Auf diese Weise kann die Menge des PMG-Stromes, der von dem
Erregerfeld verwendet wird, zwischen 0 und 100% schwanken.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
kann die Trägheitsbremse,
die gängigerweise
bei Getrieben zum Einsatz kommt, um die Synchronisierung der Zahnräder beim
Herunterschalten zu unterstützen, ersetzt
werden. Ein (nicht gezeigtes) Eingabesignal, ähnlich dem Verlangsamungssteuersignal 170,
kann verwendet werden, um die Zahnräder des Getriebes langsam anlaufen
zu lassen (jogging) und das Schalten zu unterstützen.
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Bei
dem gerade beschriebenen elektromagnetischen Verlangsamersystem
wird der PMG 147 zur Erregung des Verlangsamers eingesetzt,
ohne dass Strom aus der Batterie oder dem Drehstromgenerator des
Fahrzeuges gezogen würde.
Gleichwohl kann unter Vornahme einer kleinen Abänderung das gerade beschriebene
elektromagnetische Verlangsamungssystem derart angepasst werden,
dass es andere Fahrzeugfunktionen wahrnimmt, die nun beschrieben
werden.
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B. Ausführungsbeispiel
2
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Kombination
aus elektromagnetischem Verlangsamer und Drehstromgenerator
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Diese
Kombination wird am besten aus 6 und 7 verständlich.
Wann immer der Motor läuft,
kann ein ausgebauter PMG als funktionelle Alternative zum Drehstromgenerator
verwendet werden, der üblicherweise
mittels eines Riementriebes von demselben Motor angetrieben wird.
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Der
PMG 147 kann über
einen PCU/Regulator 160a zum Zwecke des Aufladens mit der
Batterie 26 verbunden werden, weshalb ein Drehstromgenerator
entfallen kann. Gleichwohl ist der PMG 147 gegebenenfalls
nicht hinreichend groß,
um die Batterie 26 aufzuladen, wenn dessen Ausgang für die Verlangsamung
benötigt
wird. Entsprechend kann der PMG 147 mit ausreichender Überschusskapazität ausgestaltet
werden, um die Batterie 26 aufzuladen, während der
notwendige Strom für
die Erzeugung des gewünschten
Verlangsamungsdrehmomentes bereitgestellt wird. Man kann dies als
eine Art von regenerativem Bremsen bezeichnen.
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Der
PCU/Regulator 160a nimmt zwei Funktionen wahr.
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Die
erste Funktion besteht darin, eine konstante Stromversorgung zum
Aufladen der Batterie 26 bereitzustellen und Energie für die anderen
elektrischen Lasten des Fahrzeuges, so beispielsweise die Scheinwerfer,
die Kraftstoffpumpen und dergleichen mehr, bereitzustellen. Es handelt
sich hierbei typischerweise um 13,5 V für ein 12-V-System, obwohl ohne
Weiteres eine Anpassung auf eine Vielzahl von Pegeln erfolgen kann,
die ebenfalls in der Fahrzeugindustrie gängig sind, so beispielsweise
auf 24 V oder auf die erst kürzlich
entwickelten 42-V-Systeme. Der Einsatz eines Drehstromgenerators,
der bislang üblich
war, ist nicht erforderlich und nicht Teil dieses Ausführungsbeispieles.
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Die
zweite Funktion des PCU/Regulators 160 ist die Bereitstellung
einer variablen Ausgangsspannung, beispielsweise entsprechend derjenigen aus
einer Pulsbreitenmodulation PWM, die einen Strom induziert und diesen
dem Erregerstator 154 zuführt, um ein Feld mit dem Rotor 146 zu
erzeugen, wenn ein entsprechendes Signal aus der Verlangsamungssteuerung 170 empfangen
wird. Das empfangene bestimmte Verlangsamungssignal korreliert zu einem
bestimmten Anteil des genutzten Stromes, der von dem PMG erzeugt
wird. Auf diese Weise kann die Menge des PMG-Stromes, der von dem
Erregerfeld verwendet wird, zwischen 0 und 100% schwanken.
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Der
PCU/Regulator 160a nimmt eine duale Ausgabefunktion wahr,
während
der PCU/Regulator 160 des ersten Ausführungsbeispieles lediglich
die Ausgangsspannungsversorgung an dem Erregerstator 154 variiert.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
kann das Verlangsamergehäuse
mit dem Getriebe 16 integriert ausgebildet sein, während dieses
entweder an dessen Eingang oder Ausgang, jedoch vorzugsweise an dessen
Eingang, angeordnet ist. Das Gehäuse
des Verlangsamers umfasst einen PMG 147, einen Erregergenerator 145,
einen PCU/Regulator 160a, Gleichrichter 144, eine
Feldwicklung 142 und einen flüssigkeitsgekühlten stationären dualen
Induktionsring 152. Dies ist hierbei das bevorzugte Ausführungsbeispiel,
bei dem sämtliche
Komponenten in einer einzigen Einheit untergebracht sind, die an
dem Getriebe 116 und um die Antriebswelle 15 herum
angebracht sind.
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Es
ist gleichwohl nicht notwendig, sämtliche Komponenten in demselben
Gehäuse
unterzubringen oder das Gehäuse
an dem Getriebe anzubringen. Das vorliegende Ausführungsbeispiel
funktioniert auch dann, wenn eine Integration in das Schwungradgehäuse des
Motors vorliegt.
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Es
können
im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung viele verschiedene
Ausgestaltungen erdacht werden, in denen einige oder alle beschriebenen
Komponenten untergebracht sind. Die Erfindung kann in der Praxis
unabhängig
davon realisiert werden, ob sämtliche
Komponenten in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind oder
nicht. Notwendig ist einzig die Tatsache, dass die Komponenten physisch
an dem Fahrzeug angebracht und funktionell damit verbunden sind,
um gemäß vorstehender
Beschreibung zu arbeiten.
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C. Ausführungsbeispiel
3
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Kombination
aus elektromagnetischem Verlangsamer und Anlasser
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8 zeigt,
dass der Verlangsamer in den Motor 212 integriert sein
kann. In 9 und 10 ist
Ausführungsbeispiel
3 am besten zu sehen, bei dem das System derart eingesetzt wird,
dass es sowohl als Verlangsamer wie auch als Anlasser arbeitet.
Die Verschaltung der PCU 260 umfasst einen Regulator 162 und
einen Inverter/Antrieb 264 mit einer Eingangsstufe steuerbarer
Halbleiterschalter, so beispielsweise siliziumgesteuerte Gleichrichter
(silicon-controlled rectifier SCR) oder Feldeffekttransistoren (field
effect transistors FET). Diese Vorrichtungen sind üblicherweise
in einem dreistufigen Aufbau angeordnet, um die Ausgangsspannung
des PMG 147 gleichzurichten und zu regulieren. Dieselben Vorrichtungen
können
darüber
hinaus verwendet werden, um einen flachen Gleichstrompegel, so beispielsweise
denjenigen aus einer Batterie, auf Wechselstrom zu schalten.
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Auf
diese Weise wird es möglich,
den Strom durch die PCU 260 umzudrehen. Dies gilt insbesondere
für Strom
aus der Batterie 26 zu dem PMG 147 und zur Verwendung
als Inverter. Die bidirektionale Funktion des Inverters 264 kann
zweierlei Zwecken dienen, wodurch es möglich wird, die PCU 147 als bürstenlosen
Anlassermotor zum Anlassen des Motors 12 einzusetzen.
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Ein
herkömmlicher
unabhängiger
Anlasser funktioniert derart, dass der mit Zähnen versehene Außenumfang
des Schwungrades durch dessen Ritzel in Eingriff genommen wird,
wodurch ein Mittel zum Ankurbeln beziehungsweise Anlassen des Motors
bereitgestellt ist.
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Die
vorgeschlagene Ausgestaltung beseitigt die Notwendigkeit eines separaten
unabhängigen Anlassers.
Dies führt
nicht nur zu einer Kostenersparnis beim Erwerb, sondern macht eine
Komponente, die vergleichsweise selten verwendet wird, die die meiste
Zeit eine parasitäre
Rolle spielt und die Gesamtenergieeffizienz des Fahrzeuges verringert, überflüssig.
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Eine
Drehpositionsanzeige (rotary position indicator RSI) 262 ist
vorgesehen und in geeigneter Form realisiert, so beispielsweise
als Drehmelder, als induktiver oder magnetischer Abnehmer oder als
optische Kodiervorrichtung, die die Winkelposition des PM-Rotors 148 erfasst
und diese Information als Signal an die PCU 260 und insbesondere
an den Inverter 264 weiterleiten kann. Diese Vorrichtungen
sind überall
erhältlich
und können
leicht an die Vorrichtung angepasst werden. Die Drehpositionsanzeige 262 kann
sowohl statisch wie auch dynamisch sein. Die Drehpositionsanzeige 262 zeigt
eine bestimmte statische Position der Antriebswelle an, wenn der
Motor gestartet werden soll. Dies versetzt den PMG 147 in die
Lage, den Motor gleichmäßig anzulassen,
wobei Stromspitzen minimiert werden, was wiederum der Verlängerung
der Lebensdauer der Batterie dienlich ist.
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D. Ausführungsbeispiel
4
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Elektromagnetische
Kombination aus Anlasser und Dämpfer
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11 und 12 illustrieren
Ausführungsbeispiel
4, bei dem das System gemäß Ausführungsbeispiel
3, erweitert um eine Drehmomentdämpfungsfunktion,
zum Einsatz kommt. Das elektromagnetische Verlangsamersystem kann
modifiziert werden, um einen Dämpfungseffekt
zu ermöglichen,
sodass auf ein Schwungrad 14 aus dem Stand der Technik
(siehe 1) verzichtet werden kann. Das Verlangsamersystem
dient als aktiver Dämpfer
zur Verringerung von Drehmomentpulsierungen, die bei Verbrennungsmotoren,
insbesondere Dieselmotoren, auftreten, sodass die Lebensdauer des
Getriebes, des Differenzials oder anderer Komponenten des Antriebsstranges
verlängert
wird.
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Üblicherweise
wird im Stand der Technik ein Schwungrad eingesetzt, das mechanisch
mit dem einem Ende der Kurbelwelle verbunden ist. Das Schwungrad
dient als passiver Dämpfer,
indem es dem System seine eigene Trägheit aufprägt. Die Trägheit wirkt Geschwindigkeitsänderungen
entgegen, die tendenziell von Drehmomentpulsierungen und Oszillationen
des Motors induziert werden.
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Die
von dem Schwungrad wahrgenommene Funktion kann durch die Rotoranordnung 140 ersetzt werden,
da die Trägheit
derart eingesetzt werden kann, dass sie den Dämpfungseffekt eines Schwungrades
nachahmt.
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Der
aktive Dämpfer
wirkt auf folgende Weise. Das Gesamtdrehmoment an dem Motor wird
von einem Dehnungsmesser, einem Drehmomentwandler oder dergleichen
erfasst. Echtzeitmessungen 266 werden an den Regulator 262 oder
an den Inverter 264 übertragen.
Empfängt
der Regulator 262 das Signal 266, so wird das
Rückmoment über den
Verlangsamer 141 an das System auf dieselbe Weise übertragen,
wie das Verlangsamungsdrehmoment bei Ausführungsbeispiel 1 übertragen
wurde. Der Regulator 162 variiert den Pegel des für den Erregergenerator 145 bereitgestellten
Stromes in Reaktion auf die Echtzeitmessungen 266 des Drehmomentes,
um eine entgegengesetzte Pulsierung zu erzeugen, die die Oszillationen
minimiert. Dieser Effekt ist in 15 als
Wellenlinie eingezeichnet.
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Alternativ
wird für
den Fall, dass der Inverter 264 das Signals 266 empfängt, das
Rückmoment durch
den PMG 147 an das System auf dieselbe Weise weitergeleitet,
wie der PMG 147 zum Anlassen des Motors 212 verwendet
wird.
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In 15 ist
das Drehmoment auf der Ordinate aufgetragen, während die Zeit auf der Abszisse aufgetragen
ist. Für
den Fall von Dieselmotoren wird aufgrund der Tatsache, dass diese
mit hohen Verdichtungsverhältnissen
arbeiten, bei dem Dieselmotor charakteristischerweise ein positives
Drehmoment zusammen mit einer überlagerten
im Wesentlichen pulsierenden Komponente erzeugt. Diese pulsierende
Komponente erzeugt tendenziell Torsionsoszillationen, die wiederum
Instabilitäten
rund um die Grundgeschwindigkeit bewirken. Ein typisches nicht gedämpftes Verhalten
eines Motors ist auf der linken Seite des Graphen dargestellt.
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Dies
rührt daher,
dass die Mehrzahl der Motoren ein Schwungrad aufweist, das an der
Kurbelwelle des Motors angebracht ist, um Torsionsoszillationen
entgegenzuwirken, und um das Ausmaß von Drehmomentpulsierungen
zu verringern. Ein Schwungrad erfüllt diese Aufgabe durch seine
hohe Trägheit.
Der Mittelteil des Grafen zeigt, wie das Motordrehmoment passiv
gedämpft
wird. Das Schwungrad und die damit verbundene Trägheit kann durch den Verlangsamer
und die durch diesen erzeugte Trägheit
ersetzt werden.
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Aufgrund
der Tatsache, dass durch die Verwendung eines Verlangsamers ein
negatives Drehmoment an der Antriebswelle eines Fahrzeuges wirken
kann, können
die Gesamtdrehmomentpulsierungen überwacht werden, und der Verlangsamer
kann derart gesteuert werden, dass er ähnliche, jedoch entgegengesetzte
Pulse erzeugt, um die motorinduzierten Oszillationen weiter zu verringern.
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Die
obere rechte Seite von 15 zeigt das sich ergebende
Drehmoment, nachdem der Verlangsamer dazu gebracht wurde, Drehmomentpulsierungen,
gezeigt unten rechts, zu erzeugen. Der gezeigte Kurvenzug des aktiven
Dämpfers
ist sinusförmig. Gleichwohl
können
die Pulse mittels UR-Verhältnissen
derart geformt werden, dass sie den Gesamtdrehmomenten nahezu vollständig entgegengesetzt sind,
was zu sehr niedrigen Drehmomentpulsierungen führt, obwohl ein nicht erwünschter
Nebeneffekt in der Verringerung des durchschnittlichen Drehmomentes
besteht.
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Wie
bereits ausgeführt,
kann der PMG 147 als Motor verwendet werden, um durch Pulsieren dem
negativen Anteil des Restdrehmomentes, das in 15 mit
dem Buchstaben „b" bezeichnet ist,
entgegenzuwirken. In einem derartigen Fall wird das durchschnittliche
Drehmoment maximiert, was mit Blick auf die Effizienz von Vorteil
ist. Da der PMG 147 die meiste Zeit als Generator arbeitet,
kann diese Technik nur dann eingesetzt wer den, wenn die Batterie
vollständig
geladen ist, sowie zu einem Zeitpunkt, zu dem der PMG 147 nicht
als Drehstromgenerator für
das Fahrzeug benötigt
wird.
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E. Ausführungsbeispiel
5
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Elektromagnetische
Kombination aus Verlangsamer und Übergangsverstärker
-
13 und 14 zeigen
ein fünftes
Ausführungsbeispiel,
bei dem das dritte Ausführungsbeispiel
zum Einsatz kommt, bei dem zudem ein PMG 147 als Übergangsmotorverstärker verwendet
wird. Ist der PMG 147 ausreichend dimensioniert, so kann er
derart eingesetzt werden, dass er als Übergangsmotorverstärker wirkt,
um die mit einer Turboaufladung einhergehende übliche Verzögerung zu überwinden. Diese Verzögerung tritt
auf, während
die Turbine vergleichsweise langsam auf die Höchstgeschwindigkeit beschleunigt
wird. Eine auf diese Weise erfolgende Verwendung des PMG 147 kann
die Verzögerung
bei Fahrzeugen mit einem Turboauflader minimieren oder beseitigen.
In Reaktion auf den Empfang eines externen Signals 270 zur
Aktivierung des PMG 147 als Motor – ähnlich derjenigen Art und Weise,
in der die Verwendung im Zusammenhang mit Ausführungsbeispiel 3 als
Anlasser erfolgt ist – stellt der
PMG 147 ein zusätzliches
Drehmoment an dem Antriebsstrang zur Verfügung, wodurch die Drehzahl des
Antriebsstranges vergrößert wird.
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F. Weitere Betrachtungen
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Die
Anordnung der Verlangsamungsrotoranordnung 240 in dem Gehäuse des
Schwungrades des Motors ist die bevorzugte Anordnung für das Verlangsamungssystem,
da hierdurch eine Ersetzung des großen Schwungrades möglich wird,
wobei jedoch immer noch die zusätzlichen
Funktionen gemäß vorstehender
Beschreibung wahrgenommen werden können. Die Vorteile des Vorhandenseins
eines Verlangsamersystems gehen mit zusätzlichen Funktionen einher,
die, wie vorstehend beschrieben, verringerte Kosten, eine verbesserte
Gesamtkraftstoffausnutzung und Verlässlichkeit beinhalten.
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Im
Vergleich zu separaten Vorrichtungen, so beispielsweise einem Anlasser
und einem Drehstromgenerator, bringt das integrierte Verlangsamersystem
gemäß Ausführungsbeispielen
3 bis 5 Kostenersparnisse mit sich, da einige Bestandteile mehrere
Funktionen wahrnehmen.
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Der
Hauptvorteil der Verwendung einer aktiven Dämpfung besteht bei der Erfindung
in der Verringerung der mechanischen Beanspruchungen, wodurch die
Lebensdauer des Getriebes, des Differenzials oder anderer Komponenten
des Antriebsstranges verlängert
wird. Die Fähigkeit,
Torsionsoszillationen des Motors aktiv zu dämpfen, erfordert lediglich das
Hinzufügen
eines Drehmomentsensors, so beispielsweise eines Dehnungsmessers
oder einer ähnlichen
Vorrichtung.
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G. Betrieb des Fahrzeuges
-
Nachdem
sämtliche
Funktionen des Verlangsamersystems beschrieben worden sind, schließt sich
eine kurze Beschreibung des Betriebes der integrierten Verlangsamer-
und Zubehörvorrichtung
(Integrated Retarder and Accessory Device IRAAD) an, bei der alle
vorstehend beschriebenen Funktionen wahrgenommen werden.
- A. Ein Anwender bewirkt das Anlassen des Motors
mittels gängiger
Errichtungen, so beispielsweise durch Drehen eines Schlüsselschalters oder
Drücken
in einer Taste, was in 9 mit Startsignal 300 bezeichnet
ist. Hierdurch wird der Anlassinverter 264 veranlasst,
Gleichstromenergie aus der Batterie 26 zu ziehen, sie in
drei Phasen umzuwandeln und sie für den PM-Stator 156 in
Abhängigkeit
davon, wo der PM-Rotor 148 bezüglich der Stators 156 befindlich
ist, bereitzustellen. In Abhängigkeit
von der Ausgestaltung des Regulators 162 kann eine weitere
Anweisung dahingehend von Nöten
sein, dass kein Strom an den Erregerstator 154 geleitet
wird, wenn das Anlasssignal 300 empfangen ist. Die Drehpositionsanzeige 262 versetzt
den PMG 157 in die Lage, den Motor gleichmäßig anzulassen,
wobei Stromspitzen minimiert werden. Es ist bekannt, dass Anlasser
vom Bürstentyp
aufgrund ihres niedrigeren Anfangswiderstandes hohe Anfangsstromspitzen
erzeugen können,
die der Lebensdauer der Batterie äußerst abträglich sind. Hohe Stromspitzen
können
durch Anlassen des Motors mittels des PMG 147 in Kombination
mit der Drehpositionsanzeige 262 vermieden werden.
- B. Ist der Motor angelassen und läuft, so kehrt der PMG 147,
der nunmehr mechanische Energie aus der sich drehenden Antriebswelle 15 bezieht,
in einen allgemeinen Modus zurück
und stellt Energie für
die PCU 260 bereit, die den Wechselstrom zu Gleichstrom
gleichrichtet und anschließend
die Batterie 26 auflädt.
Die für
das Neuaufladen der Batterie verantwortliche Energieversorgung kann die
ausgewählten
Energievorrichtungen verwenden, die während des Anlassens in Verwendung befindlich
waren. Gleichwohl wird in diesem Moment keine Verlangsamung benötigt, weshalb
der Regulator 162 verhindert, dass Strom an den Erregerstator 154 geleitet
wird.
- C. Die Zündfolge
der Zylinder erzeugt merkliche Vibrationen oder Drehmomentpulse,
wie in 15 gezeigt ist. Die Trägheit der
Rotoranordnung 140 oder eines beliebigen Restschwungrades
verringert diese Pulse geringfügig.
Die Restvibration wird von einem Wandler erfasst, der an einer (nicht
gezeigten) geeigneten Stelle angeordnet ist. Kennwerte 266 betreffend
Amplitude und Frequenz des Signals werden an die PCU 260 weitergeleitet.
Das Signal 266 wird an den Regulator 162 geleitet.
Der Regulator stellt einen entsprechenden Strom für den Erregerstator 154 bereit,
um den Verlangsamer 141 derart zu induzieren, dass eine
Pulsierung auf ähnliche
Weise, jedoch genau außer
Phase, erfolgt. Wird das Signal 266 an den Inverter 264 überfragen,
so bedient sich der Inverter der Batterie 26, um den PMG 147 zu
erregen, damit Pulsierungen auf ähnliche
Weise, jedoch wieder genau außer
Phase, erfolgen. Die beiden Signale löschen einander mithin aus, was
zu einer minimalen Vibration des Antriebsrades und zu einem maximalen
Gesamtdrehmoment führt.
- D. Wünscht
der Fahrer eine Verringerung der Geschwindigkeit durch Verlangsamung,
so nimmt er den Fuß vom
Beschleunigungs-/Gaspedal und löst
damit eine Verlangsamung über
eine Vielzahl von Mitteln aus. Ein proportionales oder digitalisiertes
Verlangsamungssignal 170 wird von dem Regulator 162 in
der PCU 260 aufgenommen, wodurch das Erregersteuerfeld
mit einem Gleichstrom entsprechenden Niveaus entsprechend dem empfangenen
Verlangsamungssignal 170 erregt wird. Da sich der Erregerrotor 146 an
der Antriebswelle 15 dreht, erzeugt das Magnetfeld des
Erregergenerators 145 eine Wechselspannung in dem Erregerrotor 146.
Diese Wechselspannung wird zu Gleichspannung gleichgerichtet, und
zwar mittels einer Reihe von Gleichrichtern 144, die zwischen
dem Ausgang des Erregerrotors 146 und dem Eingang der Hauptfeldwicklung 142 verdrahtet
sind. Da diese an der Antriebswelle 15 angeordnet sind,
werden die Gleichrichter 144 als „Drehdioden" bezeichnet. Der
Verlangsamer 141 wird also erregt, weshalb die Hauptfeldwicklung 142 von
dem Induktionsring 152 angezogen wird, verbunden mit einer Drehung
der Feldwicklung 142 als Ergebnis der Kopplung an die sich
drehende Antriebswelle 15, was zur Erzeugung von Energie
in Form von Wärme
in dem Induktionsring 152 entsprechend der nachfolgenden
Gleichung führt:
P = TN/5252. Hierbei bezeichnen P die Leistung in 745,7 W (= HP),
T das Drehmoment in 1,3558 Nm (= ft-lbs) und N die Geschwindigkeit
in UpM.
- E. Die in dem Induktionsring 152 erzeugte Wärme wird
auf eine Kühlflüssigkeit übertragen,
die an einem Einlass 182 eintritt und an einem Auslass 184 austritt.
Wie bereits erläutert
wurde, führt
der nunmehr im Leerlauf befindliche Motor dem Kühlsystem ein wenig Wärme zu,
sodass dieses in der Lage ist, die von dem Verlangsamer 141 erzeugte Wärme aufzunehmen.
- F. Neigt sich der Verlangsamungszyklus dem Ende entgegen, so
wird das Magnetfeld durch einen Drehfeldumkehrschalter (nicht gezeigt)
umgekehrt, wodurch Restmagnetismus, der die Effizienz verringern
könnte,
beseitigt wird.
- G. Sobald die Verlangsamung nicht mehr benötigt wird, fährt die
aktive Vibrationsdämpfung
durch Pulsieren des Verlangsamers 141 unter Verwendung
des Regulators 142 entsprechend der Frequenz und Amplitude
der Restvibration fort. Sobald die Batterie 26 vollständig aufgeladen
ist, kann der PMG 147 als Motor dienen und wird somit zur
Alternative zu dem Verlangsamer zum Zwecke der Dämpfung des negativen Anteils
der Vibrationszyklen, was zu einem höheren insgesamt verwendbaren
Drehmoment an dem empfangenen Gesamtdrehmomentsignal 166 führt. Diese
Technik kann jedoch nur diskontinuierlich eingesetzt werden, da
sie auf Energie aus der Batterie beruht und zu deren Entleerung
führt.
Daher wird für
den Fall, dass der PMG 147 zu diesem Zweck als Motor verwendet
wird, eine periodische Rückkehr
in den allgemeinen Modus erfolgen, damit eine Neuaufladung der Batterie 26 vorgenommen
werden kann.