DE654595C - Elektrische UEbertragung, insbesondere fuer verbrennungselektrische Fahrzeugantriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Antriebe für Fahrzeuge, bei denen ein vorzugsweise als Brennkraftmaschine ausgebildeter Krafterzeuger leinen Generator antreibt, der die das Fahrzeug antreibenden Elektromotoren speist. Die höchste Leistung der Brennkraftmaschine wird bei der Nenndrehzahl und voll geöffnetem Brennstoffzufuhrorgan erzielt. Die Belastung des Brennkraftmotors \vird durch die' Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom des angetriebenen Generators bestimmt. Der Brennkraftmotor kann für jede Einstellung des Brennstoffzufuhrorgans eine im wesentlichen gleichbleibende Belastung hergeben, und es ist erwünscht, einen Generator zu benutzen, der den Brennkraftmotor über den Änderungsbereich der Spannung und des Stromes vom Generator im wesentlichen gleichbleibend belastet. Der Generator nutzt dann die volle Leistung der Kraftmaschine über den ganzen Bereich der elektrischen Übertragung aus.

Die bekannten Lösungen zur Erfüllung dieser Aufgabe erreichen den erstrebten Zweck nur in einem beschränkten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs, während die Erfindung schon von einem sehr kleinen Prozentsatz der Höchstgeschwindigkeit aus bis zur vollen Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs die gesamte Ausnutzung des Verbrennungsmotors nach der Leistungshyperbel ermöglicht.

Die Erfindung besteht darin, daß an der Erregermaschine oder dem Hauptgenerator, die mit quer zur Achse unterteilten Polen ausgerüstet sind, diese Teilpole Hauptwicklungen besitzen und ferner mit Gegenfeldwicklungen versehen sind, die mit dem Lastkreis des Hauptgenerators in Reihe geschaltet sind. Der Generator erhält hierdurch eine Charakteristik, der zufolge der Brennkraftmotor bei jeder Einstellung der Brennstoffzufuhr mit jeweils gleichbleibender Leistung arbeitet.

Erregermaschinen mit Teilpolen sind allerdings für andere Zwecke schon bekanntgeworden. Z. B. wird eine solche Maschine für ein Konstantstromsystem verwendet und hat hier die Aufgabe, auf starke und schnelle Laständerungen durch schnelle Anpassung der Felder in dem Sinne zu antworten, daß die ^₀

Stromstärke möglichst konstant bleibt. Außerdem besitzt diese bekannte Erregermaschine außer einer axialen Aufteilung der Pole auch eine Aufteilung in tangentialer Richtung, in dem jedem Hauptpol ein Hilfspol zugeordnet ist. Schließlich hat die Maschine auch außer dem Hauptbürstensatz einen um 90 elektrische Grade verschobenen Hilfsbürstensatz. Bauart und Zweck sind also dort völlig verschieden von der durch die Erfindung vorgeschlagenen Lösung; denn die Forderung, den Strom bei veränderlicher Spannung konstant zu halten, steht natürlich im vollen Gegensatz zu der mit Rücksicht auf den Verbrennungsmotor angestrebten Forderung eines starken Abfalles der Spannung bei zunehmendem Strom.

Die Zeichnung veranschaulicht die Erfin-' dung an zwei Ausführungsbeispielen.

Abb. ι zeigt schematisch einen elektrischen Antrieb für Fahrzeuge gemäß der Erfindung, Abb. 2 eine weitere Ausführungsmöglichkeit dieses Antriebs,

Abb. 3 den Verlauf der Stromspannungscharakteristik des Generators nach den Abb. 1 und 2.

Der Antrieb nach. Abb. 1 besteht aus einer Kraftquelle 10, beispielsweise einem Brennkraftmotor, dessen Welle unmittelbar einen Generator 11 und eine Erregermaschine oder einen Hilfsgenerator 12 antreibt. Der Brennkraftmotor 10 arbeitet mit konstanter 'Drehzahl, Die Leistung des Brennkraftmotors bei einer bestimmten Belastung kann durch eine Kennlinie veranschaulicht werden, die in Abb. 3 durch, eine gleichschenklige Hyperbel A-B dargestellt ist. Damit der Generator die höchste Leistung des Brennkraftmotors ausnutzt, muß die Stromspannungscharakteristik des Generators der gleichschenkligen Hyperbei A-B entsprechen, die wiederum die Charakteristik des Brennkraftmotors bei voll ge-■ öffnetem Brennstoffzufuhrorgan und konstanter Drehzahl darstellt.

Erfindungsgemäß entspricht -die Generatarcharakteristik sehr genau der konstanten Lastcharakteristik des Brennkraftmotors über den Arbeitsbereich der Spannung und des Stromes des Generators unter allen vorkommenden Belastungen. Eine solche Charakteristik des Generators wird erfindungsgemäß erzielt durch eine besondere Gestaltung des Magnetfeldes des Generators oder der Erregermaschine, bei der die Pole quer zur Ankerachse in an sich bekannter Weise in magnetisch getrennte Teile unterteilt sind, wobei der eine Teil jedes Poles eine Differentialreihenschlußfeldwicklung erhält, die mit dem Belastungskreis des Generators in Reihe geschaltet ist. Die Erfindung hat den Vorteil, daß der Magnetfluß -an der Ankerachse gleichmäßig und symmetrisch verteilt ist, so daß die Generatorschwierigkeiten und das Geräusch auf ein Mindestmaß herabgesetzt sind. Gleichzeitig wird die erforderliche Veränderung des Magnetflusses entsprechend den Veränderungen des Laststromes der Übertragung erreicht. Die Charakteristik des Generators mit den Erfindungsmerkmalen ist in Abb. 3 durch die Kennlinie C-D dargestellt. Die Linien A-B und C-D zeigen, daß der Generator die Höchstleistung des Brennkraftmotors über den gesamten Arbeitsbereich der Übertragung im wesentlichen voll ausnutzt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 1 besitzt der Generator 11 einen Anker 11" und eine Erregung, die aus einer 'Hauptfeldwicklung 13 besteht, welche unmittelbar über¹ den Anker der Erregermaschine 12 geschaltet ist. Die Erregermaschine 12 besitzt Feldp öle, die quer zur Achse der Erregermaschine in die Teile 14 und 15 unterteilt sind. Die Unterteilung kann durch einen Luftspalt, eine Scheibe aus einem nichtmagnetischen Stoff oder auf irgendeine andere Art vorgenommen werden, so daß die beiden Polteile magnetisch vollkommen getrennt sind. Auf diesen Polteilen angeordnete Hauptfelderregungswicklungen 16, die beide Polteile 14 und 15 ■ umgeben, werden besonders erregt von einem Sammler 17. Der Sammler 17 ist mit der Wicklung 16 über einen veränderlichen Widerstand ι S in Reihe geschaltet. Diese Wicklung 16 genügt, um den Polteil 15 bis. zur Sättigung zu erregen, genügt aber nicht zur Sättigung des Polteils 14. Zusätzlich zu dieser Hauptfelderregungswicklung 16 der Erregermaschine sind noch Felderregungswicklungen 19 und 20 vorgesehen, die mit der Laststromleitung des Generators 11 in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschlußwicklung 19 ist eine Differentialwicklung des Polteils 15, die genügend stark ist, um das Hauptfeld in dem Punkt Y der Kennlinie in Abb. 3 auszugleichen. Wächst der Generatorlaststrom über diesen Punkt hinaus, so sättigt die Wicklung 19 den Polteil 15 mit umgekehrter Polarität. Die Reihenschlußwicklung 20 umgibt nur den Polteil 14 und wirkt mit der Hauptfelderregerwicklung im gleichen Sinne, wobei die Wicklungen 16 und 20 zusammen ge- no nügend stark sind, um den Polteil 14 zu sättien, und zwar bei jedem Strom, der oberhalb des Punktes Y der Kennlinie in Abb. 3 liegt. Die Stärke dieser Reihenschlußfelder verändert sich mit dem Strom, der von dem Triebmotor 21 des Fahrzeugs entnommen wird.

Der Anker 22 der Erregermaschine 12 besitzt eine Wicklung, die als Reihenwicklung, Mehrfachwicklung oder nach einer anderen Wicklungsart ausgebildet sein kann, da die Verteilung des von den Felderregerwickrungen erzeugten Magnetflusses für jeden Pol

gleich und gleichmäßig ist. Der Magnetkern des Ankers ist durch einen nichtmagnetischen Trennkörper 23 in zwei Magnetwege unterteilt. Der Trennkörper 23 kann irgendeiner bekannten Art sein, die eine zuverlässige magnetische Trennung des Ankers ergibt. Dieser nichtmagnetische Trennkörper soll bei verschiedenen Polaritäten der Polteile 14 und 15 den zwischen diesen beiden Polteilen entstehenden Magnetfluß verringern. Die Polteile 14 und ι S haben verschiedene Polaritäten, wenn das Differentialfeld des Polteils 15 stärker wird als das Hauptfeld. Der nichtmagnetische Trennkörper zwingt den Magnetfluß, bei allen Verhältnissen der Felderregung seinen Weg über den Anker zu- nehmen. Der Sammler 17 wird zum Aufladen über die Klemmen des Ankers 22 in Reihe mit einer Hilfswicklung 24 der Pole des Generators 11 ao geschaltet. Die Wicklung 24 dient zugleich zum teilweisen Erregen des Generators. Ein Rückstromrelais 25 schließt den Ladekreis des Sammlers 17 nur dann, wenn die Spannung der Erregermaschine höher ist als die Sammlerspannung.

Die Wirkung des elektrischen Antriebs nach Abb. 1 ist die folgende: Beim Schließen des Stromkreises zwischen dem Generator 11 und dem Triebmotor 21 zum Anfahren ist der Generatorstrom hoch und die Spannung niedrig. Dies entspricht dem Punkt X der Kennlinie C-D in Abb. 3. Die Polteile 15 der Erregermaschine 12 sind mit einer Polarität gesättigt, die der Polarität des durch die Wicklungen 16 erzeugten Feldes entgegensteht. Die Reihenschlußfelderregungswicklungen 19 verursachen diese Polarität, indem sie eine stärkere Wirkung ausüben als die Wicklungen 16. Beim Anfahren des Fahrzeugs sinkt der Laststrom des Generators, wobei auch der Einfluß der Reihenschlußerregungsfeldwicklungen 20 sinkt und die Polteile 14 weniger gesättigt werden. Die anderen Polteile 15 verlieren auch an Sättigung, wobei auch der Magnetfluß nachläßt. Bei weiterem Sinken des Laststromes sinkt nilmählich der Einfluß der Reihenschlußdifferentialfelderregerwicklung 19, bis der Punkt F (Abb. 3) erreicht wird, wo die Reihenschlußdifferentialf elderregerwicklung den' Einfluß der gesondert erregten Feldwicklung 16 in den Polteilen 15 ausgleicht. In diesem Punkt ist der umgekehrte Magnetfluß in den Polteilen 15 auf Null herabgesetzt. Bei weiterem Sinken des Stromes steigt die Erregerspannung in wesentlich geringerem Maße als während des größten Teiles der Arbeitskennlinie. Die gleichsinnig wirkenden Reihenschlußfelderregungswicklungen 20 sind vorgesehen, um eine niedrigere Leerlauf erregungsspannung zu erzielen. Es ist ersichtlich, daß weniger Hauptfeldwindungen erforderlich sind, weil der Magnetfluß des Verbundpolteiles 14 teilweise durch das Reihenschlußfeld erzeugt wird. Die Folge davon ist, daß bei Leerlauf, wenn also keine Reihenschlußamperewindungen vorhanden sind, der gesamte Magnetfluß geringer ist als in einer Maschine, die kein verbundenes Feld besitzt, und weil die Leerlauf spannung geringer ist. Ist die Generatorlast gleich Null, so ist der Polteil 15 durch die Wicklung 16 mit einem Magnetfluß gesättigt, der dieselbe Richtung besitzt wie der Magnetfluß in dem Polteil 14. Die Erregerspannung ist so gewählt, daß die durch die Felder 13 und 24 im Generator 11 hervorgerufene Erregung einen normalen Arbeitsbereich der Generatorspannung und des Stromes erzeugt, der in dem Teil X-Y der Kennlinie C-D mit der Leistungskennlinie A-B des Brennkraftmotors übereinstimmt.

In Abb. 2 ist eine andere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung veranschaulicht. Der Generator 26 besitzt an Stelle einer Erregermaschine eine Reihenschlußdifferential- und zusätzliche Felderregungswicklung ähnlich der der Erregermaschine nach Abb. 1. DerBrennkraf tmotor ι ο treibt wiederum unmittelbar den . Generator 26 und die Erregermaschine 27 an. Die Erregermaschine 27 besitzt einen Anker 27« und getrennt erregte Feldwicklungen 28. Der Generator 26 ist ähnlich gebaut wie die Erregermaschine 12 nach Abb. 1. Die Feldpole sind quer zur Generatorachse in die Polteile 29 und 30 unterteilt. Die Hauptfelderregungswicklung 31 mit einer von einem Sammler 17 gespeisten Wicklung 24 umgeben beide Polteile und sind über den Anker der Erregermaschine 27 geschaltet. Differentialreihenschlußfelderregungs wicklungen 32 und zusätzliche Reihenschlußfelderregungswicklungen33 umgeben die Polteile 29 bzw. 30. Der Querschnitt der Polteile 29 ist genügend gering, um ihre Sättigung durch die Hauptfelderregungswicklungen 31 und 24 zu ermögliehen. Ihre Sättigung ist auch möglich mittels der D iff er entialfel derregungs wicklungen 32, nachdem diese einen stärkeren Einfluß erlangt haben als das Hauptfeld. Der Querschnitt der Polteile 30 ist so bemessen, daß n₀ sie von dem Haupt- und dem im gleichen Sinne wirkenden zusätzlichen Feld unter hoher Last gesättigt werden. Der Anker 34 des Generators 26 besitzt eine Wicklung irgendeiner Art, beispielsweise Reihenschlußwicklung oder Vielfachwicklung, entsprechend der gewählten Bauart. Der Magnetkern ist durch einen nichtmagnetischen Trennkörper quer zur Achse magnetisch unterteilt, so daß der Magnetfluß gezwungen ist, seinen Weg über den Anker zu nehmen und so das Entstehen eines Magnetflusses zwischen den

Claims (10)

1. beiden Polteilen vermindert wird. In dem Lastkreis des Generators liegen die Felderregvmgswicklungen 32 und 33 und der Triebmotor 21 des Fahrzeugs. Der Sammler ladungskreis ist der gleiche wie in Abb. 1, wobei gleiche Teile auch gleiche Bezugs zeichen erhielten.

   Die Charakteristik des Antriebs nach Abb. 2 kann in ähnlicher Weise dargestellt werden wie die nach Abb. 1. Die Erregung des Hauptfeldes 31 des Generators 26 bleibt im wesentlichen konstant, weil sie von der Erregermaschine 27 geliefert wird, die für jedes von dem Brennkraftmotor erzeugte Drehmoment mit konstanter Drehzahl arbeitet und getrennt von einer konstanten Spannungsquelle erregt wird. Wenn der Generatorlastkreis die größte Last erhält, also beim Anfahren des Fahrzeugs, so besitzt der Strom in der Reihenschluß wicklung einen Höchstwert, und die Polteile 29 sind von den Reihenschlußfelderrungswicklungen 32 gesättigt, die entgegen den gesondert erregten Feldwicklungen 31 und 24 wirken.- Dies entspricht dem unteren Teil X der Kennlinie C-D. Sobald das Fahrzeug anfährt und die Last sinkt, sinkt auch der Reihenschlußstrom, 'und die Wirkung der Differential elderregungswicklungen 32 wird kleiner mit dem Ergebnis, daß die Polteile 29 weniger gesättigt werden. Beim Sinken des Reihenschlußstromes entspricht die Charakteristik dem Teil X-Y der Kennlinie C-D. Im Punkt Y ist die Wirkung der Differentialfelderregungswicklungen 32 durch die Wirkung der gesondert erregten Feldwicklungen 31 und 24 überragt. Ein weiteres Absinken des Laststromes hat eine verhältnismäßig geringere Steigerung der Spannung zur Folge. Auch bei dieser Ausführung wie auch bei der Ausführung nach Abb. 1 ist das zusätzliche Reihenschlußfeld vorgesehen, um die Leerlaufspannung zu verringern, wenn nur die Hauptfelder erregt sind.

   Bei beiden Ausführungen wird eine Strom-Spannungscharakteristik des Generators erzeugt, die genau der Höchstleistungscharakteristik der Energiequelle folgt und die Leistung der Energiequelle über den Bereich des Stromes und der Spannung des Generators voll ausnutzt.

   Der Antrieb gemäß der Erfindung ist im wesentlichen für Fahrzeuge u. dgl. bestimmt, bei welchen eine primäre Antriebsmaschine einen Generator antreibt, welcher die mit den Achsen des Fahrzeugs verbundenen Triebmotoren mit Strom speist, wobei die primäre Antriebsmaschine vom Generator so belastet wird, daß sie über den Spannungs- und Stromarbeitsbereich der elektrischen Übertragung im wesentlichen ihre Höchstleistung abgibt.

   Pa τ ε ν τ λ ν s ρ κ V c η ε: ι. Elektrische Übertragung, insbesondere für verbrennungselektrische Fahrzeugantriebe, bestehend aus einem von 6g einer Kraftquelle angetriebenen Hauptgenerator und einem oder mehreren vom Hauptgenerator gespeisten Elektromotoren, wobei die Erregung des Hauptgenerators durch eine Erregermaschine erfolgt und die Pole des Erregers quer zur Achse unterteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilpole (14 und 15) Hauptwicklungen (16) besitzen und mit Gegenfeldwicklungen (19) ausgerüstet sind, die im Lastkreis des Hauptgenerators (11) in Reihe liegen, um dem Hauptgenerator (11) eine solche Charakteristik zu erteilen, daß der Brennkraftmotor (10) für jede Brennstoffzufuhreinstellung mit jeweils gleichbleibender Leistung arbeitet (Abb. 1).
2. 2. Elektrische Übertragung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilpole (29, 30) des quer zur Achse unterteilten Hauptgenerators (26) Hauptfeld-(31) und Gegenfeldwicklungen (32) besitzen, welch letztere mit dem Lastkreis in Reihe geschaltet sind (Abb. 2).
3. 3. Elektrische Übertragung nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Polteile (14 bzw. 30) Verbundwicklungen (20 bzw. 33) besitzen, die mit den Gegenfelderregungswicklungen (19 bzw. 29) der ersten Polteile (15 bzw. 29) im Lastkreis des Hauptgenerators (11 bzw. 26) in Reihe geschaltet sind.
4. 4. Elektrische Übertragung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der beiden Polteile (14, 15 bzw. 29,30) verschieden sind, wobei die Polteile mit dem geringeren Querschnitt (15 bzw. 29) die Gegenfelderregungsivvicklungen, (19 bzw. 32) erhalten.
5. 5. Elektrische Übertragung nach Anspruch ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfelderregungswicklungen (16 bzw. 31) für die gesamten Teilpole eines Poles gemeinsam sind.
6. 6. Elektrische Übertragung nach Anspruch ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilpole ones Poles voneinander magnetisch getrennt sind.
7. 7. Elektrische Übertragung nach Anspruch ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkern (22, 23 bzw. 34, 35) der mit unterteilten Polen ausgeführten Erregermaschine (12) bzw. des in gleicher Weise ausgebildeten Hauptgenerators (26) quer zur Achse entsprechend der Unterteilung der Pole magnetisch unterteilt ist.
8. 8. Elektrische Übertragung nach Anspruch ι bis 7, dadurch gekennzeichnet,

   daß zur Fremderregung der Erregermaschine (12 bzw. 27) und des Hauptgenerators (11 bzw. 26) ein Sammler (17) vorgesehen ist.
9. 9. Elektrische Übertragung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet., daß der Sammler (17) von der Erregermaschine (11 bzw. 27) aufgeladen wird.
10. 10. Elektrische Übertragung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Ladekreis des Sammlers (17) ein Rückstromrelais (25) vorgesehen ist.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen