DE6607945U

DE6607945U - MECHANICAL-ELECTRIC VEHICLE DRIVE.

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Publication number: DE6607945U
Application number: DE19656607945
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-06-04
Filing date: 1965-06-04
Publication date: 1971-06-03

Description

Die Neuerung betrifft einen mechanisch-elektrischen Fahrzeugantrieb, der aus einem von einer mechanischen Kraftquelle angetriebenen Drehstromgenerator und von diesem über Umrichter gespeisten Drehstrom-Asynchron-Fahrmotoren besteht.The innovation concerns a mechanical-electrical vehicle drive, from a three-phase generator driven by a mechanical power source and from this via a converter powered three-phase asynchronous traction motors.

Der neue fahrzeugantrieb ist zur Verwendung bei Land-, Luft- und Wasserfahrzeugen vorgesehen, deren Antriebsleistung über mitgeführte Kraftquellen, wie s.B. Verbrennungsmotoren oder Turbinen in mechanischer Form zur Verfugung gestellt wird. Die Übertragung der mechanischen Leistung der Kraftquelle zu den Antriebsorganen des Fahrzeuges (Säder, Propeller etc) auf elektrischem Wege bietet bekanntlieh gegenüber mechanischen "ubersetzungs- und Sehältgetrieoes Tor all^s i#©g^atliehe Vorteile hinsichtlich ihrer weit besseren Steuerbarkeit. Zudem sind auch die dabei auftretenden regeltecnniscnes Aufgaben auf elektrischem Wege zufriedenstellender zu lösen oder dadurch überhaupt erst lösbar. Eine elektrische Kraftübertragung hat weiter den Vorteil, daß sie eine weitgehende Freizügigkeit in der räumlichen Zuordnung von Kraftquelle und Antriebsorgan ermöglicht.The new vehicle drive is for use in land, air and watercraft are provided, the propulsion power of which is provided by power sources carried along, such as s.B. Internal combustion engines or Turbines in mechanical form is made available. The transmission of the mechanical power of the power source to the drive units of the vehicle (seeder, propeller, etc.) in the electrical way, as is well known, compared to mechanical transmission and holding gears, gate offers all ^ s i # © g ^ atliehe Advantages in terms of their far better controllability. In addition, the rules that arise are also included Solve tasks more satisfactorily by electrical means or solvable in the first place. An electrical power transmission has the further advantage that it allows extensive freedom of movement in the spatial allocation of the power source and drive member allows.

Diese HöherwertLgkeit der elektrischen Kraftübertragung mußte aber bisher mit einem je nach der Leistung zum Teil erheblichen Mehrgewicht gegenüber einer rein mechanischen Kraftübertragung erkauft werden. Dies ist für stationäre Energieübertragungen ähnlicher Art zwar meist ohne Bedeutung. Auf einem Fahrzeug dagegen liegen meist eng limitierte Gewichts- und Eaumbesehränkungen vor, die oft zur Folge haben, daß die steuer- und regeltechnischen Vorteile einer elektrischen Kraftüber-This superiority of electrical power transmission had to be but so far with a sometimes considerable amount, depending on the performance Additional weight compared to a purely mechanical power transmission are bought. This is for stationary energy transfers of a similar nature mostly without meaning. A vehicle, on the other hand, usually has very limited weight and space restrictions which often have the consequence that the tax and control engineering advantages of an electrical power transmission

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tragung "bei dem Fahrzeug nicht wahrgenommen werden können.wear "can not be perceived in the vehicle.

Pur diese ungünstige Gewichtsbilanz sind vornehmlich die bisher nicht zu umgehende Notwendigkeit, die elektrischen Antriebsmotoren in ihrer Modelleistung gegenüber der Leistung der Kraftquelle überdimensionieren zu müssen und das zu niedrige Drehzahlniveau der elektrischen Maschinen verantwortlich. This unfavorable weight balance is primarily the one So far, the necessity of the electric drive motors in their model performance compared to the performance has not yet been avoided To have to oversize the power source and the too low speed level of the electrical machines are responsible.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besitzt man bei einem mechanischen Übersetzüngs- und Schaltgetriebe anstelle einer elektrischen Kraftübertragung durch Anwendung der Getriebeumschalimng (Gänge) die Möglichkeit, die Leistung der Kraftquelle zumindest In mehreren Geschwindigkeits-Zugkraftbereichen des Fahrzeuges voll auszunutzen. Dort ist die leistungsgleiche Hyperbel Ii der Kraftquellenleistung dargestellt, die für den ,ganzen Diagrammbereich angibt, welche Zugkraft welcher Geschwindigkeit la Ssoses d^r Sraftquellenlsistasg zugeordnet ist. Es sind, drei Schaltgänge eingezeichnet (I - III), auf die je nacä dem <x€3c5iwindigksits=· bsw» Zugkraftbedarf umgescfcaltet werden kann. Die Flächen der drei Hechteeke I, II, II repräsentieren dabei die jeweils gleiche Leistung der Kraftquelle (Leistung» Zugkraft χ Geschwindigkeit bzw. Drehmoment M χ !Drehzahl n). Je größer die Zahl der mechanischen. Gänge ist, desto besser wird die Anpassung an die Kennlinie der Kraftquelle.As can be seen from Fig. 1, you have a mechanical transmission and gearbox instead of an electrical one Power transmission through application of the gear shifting (gears) the possibility of the power of the power source at least To be used to the full in several speed-pulling force ranges of the vehicle. There is the hyperbola Ii with the same performance the power source power, which indicates for the entire diagram area which tractive force at which speed la Ssoses d ^ r Sraftquellenlsistasg is assigned. There are, three gears are shown (I - III), on each of which <x € 3c5iwindigksits = · bsw »traction requirement can be switched can. The surfaces of the three pike teas I, II, II represent the same output from the power source in each case (output »tractive force χ speed or torque M χ! speed n). The greater the number of mechanical. Gears, the better the adaptation to the characteristic curve of the power source.

Demgegenüber verfügt eine elektrische Kraftübertragung sozusagen nur über einen "einzigen Gang", wie die als Beispiel eingetragene Kennlinie K eines Kommutator-Eeihenschlußmotors zeigt. ¥ie ersichtlich, weicht die Form dieser Kennlinie ganz erheblich von der der leistungsgleichen Hyperbel L ab. In dem Bereich zwischen den Kurven L und K liegt die Motorleistung beträchtlich über der Leistung, die von der Kraftquelle her zur Verfügung steht. Der Motor ist also zwangsläufig in seiner Modelleistung, die nur zu einem Bruchteil für den FahrbetriebIn contrast, it has an electrical power transmission so to speak only over a "single gear", like the characteristic curve K of a commutator series motor, entered as an example shows. As can be seen, the shape of this characteristic differs considerably from that of the hyperbola L of the same performance. By doing In the area between curves L and K, the engine output is considerably higher than the output from the power source is available. The engine is therefore inevitably in its model performance, which is only a fraction for driving

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Aktζ.:S 52 921/201 Gb - 3 - VPA 65/1350Current.: S 52 921/201 Gb - 3 - VPA 65/1350

ausgenutzt werden kann, überdimensioniert. In der Praxis kommt man je nach den Diagrammforderungen unter Umständen bis zu einer drei- und mehrfachen Überdimensionierung. Der dreifachen Modelleistung eines solchen Motors würde aber etwa das 2 1/2-fache Gewicht entsprechen.can be exploited, oversized. In practice Depending on the requirements of the diagram, there may be up to three or more oversizing. Of the three times the model power of such an engine would correspond to about 2 1/2 times the weight.

Der neue mechanisch-elektrische Fahrzeugantrieb der eingangs genannten Art vermeidet diese Nachteile neuerungsgemäß dadurch.,· daß die umrichter als in der Spannung und Frequenz steuerbare statische Umrichter ausgebildet si&d. Damit kann man erreichen, daß das vom Asynchron-Fahnaotor entwickelte Drehmoment proportional dem Kehrwert der Motordrehzahl wird.The new mechanical-electric vehicle drive of the type mentioned at the outset avoids these disadvantages according to the innovation. that the converters are designed as static converters with controllable voltage and frequency si & d. With this one can achieve that the torque developed by the asynchronous vane motor is proportional is the reciprocal of the engine speed.

!lach einer Ausgestaltung sind als Drehstromgeneratoren Synchrongeneratoren verwendet, die zur GewicotserspäEsis als Mittel= frequenzgeneratoren für z.B. 1500 Hz, d.h. als sehr schnell laufende Maschinen, ausgeführt sind, wodurch die bei Kommutatormaschinen durch die zulässige Kommutator-Umfangsgeschwindigkeit gegebene Drehzahlbegrenzung vermieden ist. Ebenso werden die Fahrmotoren als schnell laufende Asynchronmaschinen ausgebildet .According to one embodiment, the three-phase generators are synchronous generators used for GewicotserspäEsis as a means = frequency generators for e.g. 1500 Hz, i.e. as very fast running machines, whereby the commutator machines by the permissible commutator peripheral speed given speed limit is avoided. Likewise be the traction motors are designed as high-speed asynchronous machines .

Allein durch die Verwendung von Drehstrom-Asynchron-Motoren zusammen mit diesen Generatoren lassen sich jedoch die eingangs geschilderten Nachteile der bekannten mechanischelektrischen Antriebe nicht beseitigen. Wie die in Fig. 1 neben der leistungsgleichen Hyperbel I» der Kraftquelle dargestellte Kennlinie D eines Drehstrom-Asynchronmotors zeigt, würde auf diesem Wege sogar der in die Motoren zu installierende leistungsüberschuß gegenüber der Kraftquellenleistung noch weit größer als beim Kommutatormotor (Kurve K)· Die Kennlinie D des Asynchronmotors mit seinem Nebenschluß verhalten weicht offensichtlich noch mehr als die Reihenschlußkennlinie K eines Gleichstromkommutatormotors von der Hyperbelform der Kraftquellen-Kennlinie 1 ab.Simply by using three-phase asynchronous motors together with these generators, however, the disadvantages of the known mechanical-electrical drives described at the outset cannot be eliminated. Like the one in Fig. 1 Characteristic curve D of a three-phase asynchronous motor shown next to the hyperbola I »of the power source with the same power shows, in this way even the power surplus to be installed in the motors would be compared to the power source power still much larger than with the commutator motor (curve K) · The characteristic curve D of the asynchronous motor behave with its shunt evidently deviates even more than the series connection characteristic K of a direct current commutator motor Hyperbolic shape of the power source characteristic curve 1 from.

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Man hat deshalb auch schon daran gedacht, die Wirkungsweise eines mechanischen Schaltgertriebes mit mehreren Gängen elektrisch zu imitieren, indem man polumschaltbar Asynchronmotoren vorschlug. Eine polumschaltbar Ausführung der notören exforaext jedöeh wiederum fdn nicht unbeträchtliches Mehrgewicht, so daß auch auf diesem Wege eine zur Verwendung eines mechanisch-elektrischen Antriebes auf Fahrzeugen erforderliche GewichtsSenkung nicht zu erreichen ist.That is why one has already thought of the mode of operation of a mechanical gearbox drive with several gears to mimic electrically by using pole-changing asynchronous motors proposed. A pole-changing version of the notören exforaext however, in turn, is not inconsiderable More weight, so that also in this way one for the use of a mechanical-electric drive on vehicles required weight reduction cannot be achieved.

Die Neuerung ermöglicht es nun aber, Asynchronmotoren für den Fahrzeugantrieb zu verwenden, um damit das Drehzahlniveau hochlegen zu können und eine Überdimensionierung der Motoren zu vermeiden. Ss gelingt auf diese Meise, die Modelleistung der Fahrmotoren mit der von der Kraftquelle zur Verfügung gestellten Leistung im gesamten Fahrbereich in Übereinstimsiuü, zu bringen und damit das Gewichts- unö. Aufwandsminimum zu erreichen.The innovation now makes it possible to use asynchronous motors for to use the vehicle drive in order to be able to increase the speed level and an oversizing of the motors to avoid. Ss succeeds in this way, the model power of the traction motors with that of the power source available provided performance in the entire driving range in agreement, to bring and thus the weight unö. To achieve minimum effort.

Zur nähren Erläuterung des neuen Antriebes wird auf Jfig. 2 verwiesen, in der die Neuerung schematisch dargestellt ist. Sin Drehstromgenerator DG ist je nach den Drehsaiilverliältniaaen mit der Kraftquelle A. z.B. einer Gasturbine direkt oder mit einer langsam laufenden Antriebsmaschine A über ein Getriebe verbunden, um die erwünschte hohe Generatordrehzahl zu erhalten. Der oder die Generatoren DG sind vorzugsweise Mittelfrequenz-Generatoren für möglichst hohe Frequenz, z.B. 1500 Hz, um kleinstes Gewicht und kleinsten Raumbedarf zu erzielen. Wegen der hohen Generatordrehzahl wird der Läufer des Generators DG in an sich bekannter Weise wicklungslos ausgeführt.For a more detailed explanation of the new drive, refer to Jfig. 2 referenced, in which the innovation is shown schematically. Sin alternator DG is depending on the Drehsaiilverliältniaaen with the power source A. e.g. a gas turbine directly or with a slow-running drive machine A via a gearbox connected to obtain the desired high generator speed. The generator or generators DG are preferably medium-frequency generators for the highest possible frequency, e.g. 1500 Hz, in order to achieve the lowest weight and smallest space requirements. Because Due to the high generator speed, the rotor of the generator DG is designed without windings in a manner known per se.

Dem oder den Generatoren DG naehgeschaltet sind ein oder j mehrere statische Shyristor-Uarichter XSI, Ü2. Als UmrichterOne or more static shyristor units XSI, Ü2 are connected close to the generator (s) DG. As a converter

Ü1, U2 kommen vorzugsweise direkte DrehstromTa.-rich.ter mitÜ1, U2 preferably come with direct three-phase current correctors

]' zwei Shyristörstroarichtern in Gegenparallelsehaltang in] 'two Shyristörstroarichtern in Gegenparallelsehaltang in

■ Betracht, es können äedocii säen umrichter alt Gleiehstrom-■ Consideration, there can be äedocii sowing converters old trailing current

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zwischenkreis verwendet werden, Dabei ist es vorteilhaft₃ die Generatoren mit konstanter Drehzahl aneiben unä aufintermediate circuit can be used, it is advantageous ₃ to rub the generators at constant speed

6607345-3.8.71 - 5 -6607345-3.8.71 - 5 -

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konstante Spannung zu regeln·to regulate constant voltage

Pur die Neuerung ist es wesentlich, daß die Umrichter so ausgebildet sind, daß sie nicht nur ihre Ausgangsfrequenz von Null "bis zum Höchstwert, sondern auch, und zwar völlig unabhängig davon, ihre Ausgangs spannung von Null "bis zum Höchstwert freizügig verändern lassen.Purely the innovation, it is essential that the converter so are designed so that they not only increase their output frequency from zero "to the maximum value, but also, and completely regardless of this, you can freely change your output voltage from zero "to the maximum value.

Die Fahrmotoren FI, P2 sind asynchrone Drehstrom-Käfigläufermotoren für hohe Drehzahl. Die den Motoren FI, F2 von den Umrichtern U1, U2 zugeführte Frequenz bestimrt ihre Drehzahl und damit die Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Die den Motoren 5¹I, F2 gemäß der verlangten Geschwindigkeit zugeführte Bsquenz, die zugeführte Spannung und damit das Motorfeld sind durch eine elektronische Regelung R der Umrichtersteuerung U1, U2 so geführt, daß das von den Motoren F1, F2 entwickelte Drehmoment proportional dem Kehrwert der Motordrehzahl wird. Die Regeleinrichtung gibt den Fahrmotoren durch entsprechende fortlaufende Zündwinkelverschiebung den erforderlichen Stromwert vor. Um eine Drehrichtungsumkehr der Fahraotoren F1, F2 ohne starkstromtechnische Umschaltungen ausführen zu können, wird die Phasenfolge der* Stromes und damit der Drehsinn des Feldes über elektronische Kippstufen festgelegt. Das Luftspaltfeld der Asynchron-Fahrmotoren F1, F2 wird somit nach Maßgabe des Momentensollwertes durch elektronische Regler geregelt. Der Istwert der Feldinduktion kann auf an sich bekannte Weise durch Hallsonden direkt oder durch andere Meßmethoden indirekt erfaßt werden.The drive motors FI, P2 are asynchronous three-phase squirrel cage motors for high speeds. The frequency fed to the motors FI, F2 by the converters U1, U2 determines their speed and thus the speed of the vehicle. The sequence supplied to the motors 5 ¹ I, F2 according to the required speed, the supplied voltage and thus the motor field are controlled by an electronic control R of the converter control U1, U2 so that the torque developed by the motors F1, F2 is proportional to the reciprocal of the Engine speed will. The control device specifies the required current value for the traction motors by means of a corresponding continuous ignition angle shift. In order to be able to reverse the direction of rotation of the drive motors F1, F2 without high-voltage switchings, the phase sequence of the * current and thus the direction of rotation of the field is determined via electronic flip-flops. The air gap field of the asynchronous traction motors F1, F2 is thus regulated by electronic controllers in accordance with the torque setpoint. The actual value of the field induction can be detected in a manner known per se directly by Hall probes or indirectly by other measuring methods.

Auch über eine durch die Umrichtersteuerung erzwungene Schlupfbegrenzung der Motoren F1, F2 ist es realisierbar, die Motorkennlinie - abweichend von der natürlichen Nebenschlußkennlinie einer Asynchronmaschine - identisch mit der leistungsgieichen Hyperbel der Kraftquelle zu formen. Damit geht die Motormodelleistung auf die von der Kraftquelle zurAlso via one enforced by the converter control Slip limitation of motors F1, F2 can be implemented, the motor characteristic - deviating from the natural shunt characteristic an asynchronous machine - identical to the powerful hyperbola of the power source. In order to the engine model power goes to that of the power source

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Verfügung gestellte Leistung surück, so daß keine Überdimensionierung der Motoren eehr eriorderlich. wird und das denkbare Gevicntssainima* der Gessstlcombination erreicht ist. Die Motoren erhalten darait auch das für einen Fahrzeugantrieb unerläßliche HeihenschluSverhalten, wodurch sich mit zunehmendem Drehmomentbedarf die Geschwindigkeit selbsttätig ohne Leistungsüberforderung der Kraftquelle zurücksetzt.Provided power back, so that no oversizing the engines are very necessary. will and that conceivable Gevicntssainima * the Gessstlcombination is reached. In this way, the motors also receive the coupling behavior that is essential for a vehicle drive, which increasing torque requirement, the speed automatically resets without overloading the power source.

Durch die Torgeseheaen Punktionsgeber ist das Moment der Fahrmotoren derart begr&nstt daß die ton der Antriebsmaschine A vorgegebene Maximalleistung in keinem Punkt der leistungsgleichen Hyperbel überschritten werden kann.Through the Torgeseheaen puncture giver, the moment is the Traction motors so welcomed that the sound of the engine A specified maximum power cannot be exceeded at any point in the hyperbola of the same power.

Claims

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File number: S 52 921/20 1 Gbm - 7 - "TPi- 65/1350

Protection claims

1. Mechanical-electric vehicle drive, the aas a τοη a mechanical power source driven three-phase generator and from this via converter fed three-phase asynchronous motors 'consists, characterized in that the converter is controllable in terms of voltage and frequency Static converters (U1, U2) are designed>

2. Vehicle drive according to claim 1, characterized that the static converters (U1, U2) are thyristor converters.

3. Vehicle drive according to claim 1 and 2, characterized in that the static converters (U1, U2) are direct Inverters are.

4. Vehicle drive according to one of the preceding claims, characterized in that the static converters (U1, U2) are equipped with electronic control devices «

5. Vehicle drive according to one of the preceding claims, characterized in that for reversing the direction of rotation of the drive without high-voltage switchings Converters (U1, U2) equipped with electronic Elipp stages are"

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Vehicle drive according to one of the preceding claims, characterized in that the three-phase generator as Medium frequency generator for z.3. 1500 Ez is executed.

7. Pahrzeugantries) according to claim 6, characterized in that that de ^ .- medium frequency generator with regard to his high speed is provided with a winding-free rotor,