-
Verfahren und Anlage zur elektromechanischen Kraftübertragung insbesondere
für Motorfahrzeuge Es sind e:ektrome.chanis.che Kraftübertragungen bekannt, bei
welchen eine antreibende Welle das Feldsystem eines Stromerzeugers antreibt, von
dessen Kommutatoranker eine abtreibende Welle angetriebenwird. Vom Kommutatoranker
wird ein Kommutatgrmotor gespeist, welcher die im Anker des Stromerzeugers erzeugte
überschüssige Energie verwendet und gleichfalls die ersterwähnte oder eine zweite
abtreibende Welle antreibt. Zwecks Regelung der Drehzahl der abgetrieb.enen Welle
bei gleichbleibender Drehzahl. der antreibenden Welle, wie dies z. B. bei durch
Verbrennungskraftm.aschiinen angetriebenen Fahrzeugen bei der Anfahrt oder bei Fahrt
auf verschiedenen Steigungen notwendig ist, war es üblich, die durch Reihenschlußwicklungen
erregten Felder der beiden Maschinen zu regeln, z. B. durch abwechselndes Shunten
der Reihenschlußwicklungen der beiden Maschinen. Es isf auch bekannt, beim Motor
zwei gegeneinandergeschaltete Reihenschlußwicklungen zu verwenden, von welchen eine
durch Nebenwiderstände geregelt wurde.
-
Bekannte Schaltungen dieser Art weisen verschiedene Nachteile auf.
Der Schaltvorgang bei denselben ist nur stufenweise möglich, so daß eine vollkommene
Ausnutzung des Antriebsmotors nur in einigen Punkten erreichbar ist. Das Schalten
von verhältnismäßig großen Strömen ist kostspielig, insbesondere wenn die in -den
meisten Fällen dabei verwendeten Schütze den zu stellenden. schweren Anforderungen
entsprechen sollen. Die bisherigen Schaltungen sind für selbsttätige Steuerungen
und Vielfachsteuerungen wenig geeignet.
-
Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Vervollkommnung
der elektromechanischen Kraftübertragung, durch welche die Mängel der bisherigen
Schaltungen vermieden werden. Die Regelung kann bei der Kraftüb rtragung nach der
Erfindung stetig vor sich gehen, und die Erfindung gestattet
eine
betriebsmäßige Energieübertragung bei Drehzahlen der abtreibenden Welle, die auch
über der Drehzahl der antreib-enden Welle liegen. Die Lösung nach der Erfindung
ermöglicht eine gute Ausnutzung der e'.,ektromechanischen Kraftübertragung, und
zwar sowohl der elektrischen Maschinen als auch des Antriebsmotors, welcher vollkommen
selbsttätig mit seiner Dauerleistung belastet wird, bei gleichzeitiger Vermeidung
von Überlas:tungen auch bei stoß--weiser Beanspruchung. Die elektrischen Maschinen
können aus sehr klein in der Bemessung sowie im Gewicht gewählt werden. Alle diese
Vorteile weiden ohne Verwendung von Hauptstromgeräten erzielt. Die Erfindung befaßt
sich in erster Linie mit einem Verfahren zur elektromechanischen Kraftübertragung
unter Anwendung eines Vordermotors, dessen Feldmagnetsys:em bzw. Anker mit der antreibenden
bzw. der abtreibenden Welle verbunden ist, und eitles mit der abtreibenden bz,w.
antreibenden Welle mechanisch gekuppelten elektrischen Hintermotors und besteht
darin, daß zur betriebs; mäßigen Energieübertragwng vom Primärmotor zur anzutreibenden
Wellte de Drehzahlen der abtreibenden Welle des Vordermotors so bestimmt werden,
daß sie teils unterhalb, teils oberhalb der Drehzahl der den Vordermotor antreib,end,e!n
Welle des Primärmoors liegen, wobei einmal die überschüssige elektrische Leistung
dies Ankers des Vordermotors einem Kommutatorhin;erinotor zugeführt, das andere
Mal die überschüssige mechanische Lestung dier abtreibenden Welle vom g'.ei.chen,
als Generator wirkenden Kommutatorhintermoto.r in den Anker dies Vordermotars zuriückgeführt
wird.
-
Auf der Zeichnung ist eine Schaltanlage zur Ausübung des Verfahrens
nach der Erfindung schematisch dargestellt.
-
Durch eine Energiequelle, z. B. eine Dieselmaschine i, we:.che weiter
immer als Primärmotor bezeichnet wird, wird das Magnetsystem 2 eines Ko.mmutatorstromerzeugers
angetrieben, welcher im weiteren als Vordermotor bezeichnet wird; ein im Feldmagnet
2 ebenfalls drehbar gelagerter Anker 3 treibt die abtreibende Welle q. an, welche
im dargestellten Atisführungsbeisp:el ihrerseits die Achse 15 eines Fahrzeuges antreibt.
Da die Kommutatorbürs:en umlaufen, wird der Strom über Schleifringe 5 abgeleitet.
Der Anker speist über eine gegenkompoundierendeWicklung 6 dies Feldmagnetsystems
2 einen Kommutatormotor 7, welcher im weiteren als Hintermotor bezeichnet wird und
seinerseits dieselbe oder eine andere Welle :1' und unter Vermittlung derselben
dieselbe oder eine andere Achse 15' des Fahrzeuges antreibt. Das Feldsystem 2 des
Vordermotors 2, 3 ist durch eine «eitere Wicklung 8 fremd- _ (durch eine Batterie
19) oder eigenerregt, zu deren Regelung ein Widerstand 2o dient.
-
Der Hintermoor 7 wird durch eine Wkklung 9 von einer Erregermaschine
io fremderregt. Die Erregermascl--,iiie to wird z. B. von. dem Primärmotor i mit
ungefähr konstanter Drehzahl angetrieben. Die Erregung der Erregermaschine to besteht
aus einer fremd- oder eigenerregten Wicklung i t und einer entgegengesetzt wirkenden
Erregerwicklung 12, die vom Strom des Vorder- und des Hintermotors durchflossen
bzw. auf einem anderen. Wege, aber diesen Strömen propo-rtional erregt wird, sowie
einer N?ebenschlußwicklung 13, die über einen regelbaren Widerstand 1.1 an die Klemmender
Erregermaschine io angeschlossen ist. Die Wicklung 13 wird nveckmäßig so
bemessen, daß bei der betreffenden Drehzahl der Erregermaschine io diese Maschine
bei einer Allenwirkung der Wicklung 13 labil erregt «-erden würde. Die Erregerwicklung
i i kann von einer Batterie i9 gespeist «-erden. Zur Re-elung derselben dient ein.
regelbarer Widerstand 16. Die Wicklung 12 ist so geschaltet, daß sie im untersynchronen
Bereich das Hintermotorfeld 9 verstärkt, die Wicklung i i hingegen schwächt.
-
Es ist giinstig, den Hin:ermotor ; mit einer Reihensehlußwicklung
18 zu versehen. die so angeschlossen ist, daß sie im untersynchronen Bereich das
Feld der Wicklung g verstärkt, im übersynchronen lßereicb, wo die Hintermaschine
7 als Generator wirkt, das Feld 9 schwächt. Die Wirkung der Wicklung 18 ist zwar
im stationären Zustande nicht unbedingt notwendig, ist aber güns:ig bei Schaltvorgängen
und insbesondere bei unbeabsichL,gtem Ausbleiben der Erregung 9 oder bei absichtlichem
Ausschalten dieser Fremderregung, welches z. B. bei Ausfallen des Primärmotors 1
notwendig wird. Auch für das Anfahren ist die Wirkung der Wi.clclung i8 vorteilhaft.
Durch die Anwendung de:- Wicklung 18 wird auch die Erregermaschine io in beiden
Richtungen gleichmä ßiger ausgenutzt, da die Flüsse des Hintermotors ; im Lrbersynchronismus
niedriger sind als im Untersynchronismus.
-
Die Wicklungen i 1, 12, 13 sind ini Gehäuse 21 der Erregermaschine
io und die Wicklungen 9, 18 im Gehäuse 22 des Hintermotors 7 untergebracht. Anstatt
der beiden W""cklungen i i und 13 kann auch eine einzige Wicklung, angewendet werden,
die durch die Spannungen der Erregermaschine io und der Fremdspannungsquelle i 9
erregt wird.
-
D:e @irkungs@@-ci#@e der beschiel,eren Anlage ist folgende: Im Gleichge;s-Lclitszustand
wird dem Moment des Primärmoors i durch das Drehmoment des Vordermotors 2, 3, welches
dem
Produkt dies Feldes z und dem Strom des Ankers 3 entspricht, GleIchgenvicht gehalten.
Ein Teil der Leistung entsprechend der Drehzahl der abtreibenden Welle 4 wird unmittelbar
der Wagenachse 15 mechanisch zugeführt, während der Rest der Leistung unter der
Voraussetzung, daß die. abtreibende Welle 4 langsamer als die antreibende Welle
des Primärmotors läuft, entsprechend ihrer Drehzahldifferenz dem Hintermotor 7 zugeführt
wird, welcher gleichfalls die Achse 15 oder, wie dargestellt, unter Vermittlung
einer weiteren Welle 4' eine andere Achse 15' antreibt.- Die Erregermas.chin.e i
o sorgt für- dEe diesem Gleichgewichtszustand @entsprechende Erregung des Hintermotors
7.
-
Diese Wirkung der Erregeimaschine i o geht aus falgender Überlegung
hervor: Man nehme an, daß aus irgendeiner Ursache, z. B. infolge einer Änderung
der Steigung, die das Fahrzeug zu befahren habe, die Belastung abnimmt, @ d. h.
die Steigung sich vermindert. Das vorhandene Drehmoment wird daher das Fahrzeug
beschleunigen. Dadurch sinkt. die relative Drehzahl des Vordermotors 2, 3 und damit
auch die in seinem Anker 3 induzierte Spannung; ande-erseits ste_gt nfo'ge der erhöhten
Drehzahl die induzierte Spannung sm Anker 7 des Hintermotors. Beide Änderungen bewirken
eine Abnahme des Sxrom:es, wodurch de fremderregte Wicklung i i der Erregerm.as:chine
io das Übergewicht bekommt und die labi'.-e Spannung der ErreaermaschIne io herunterdrückt.
Hierdu°:ch wird eine Ab-nahm-e des Erregerstromes des Hintermoors 7 in die Wege
geleitet, die so, lange andauert, bis s;e@nie induzierte Spannung auf einen s:o,'
:chen Wert sinkt, daß wieder der ursprüngliche Strom fließt. Die Größe des Stromes
ist daher @durch die Größe der Fremderregung i i der Erragermas.chine io gegeben
und wird durch den Widerstand 16 eingestellt.
-
Bei einer Znnahnie der Belastung spielt sich ,ein ähnlicher Vorgang
im umgekehrten Sinne ab.
-
Da, wie gezergt, der Strom auch bei großen Änderungen der Drehzahlen
konstant bleibt und der Fl:uß des Vordermotors infolge der Fremderregung und der
Reiherns:chlußgegenerr:egumg infolge des konstant gebliebenen Stromes ebenfalls
konstant ist, ist der Primärmotor i in großen Bere:,chen der Fahrgeschwindigkeit
mit einem konstanten, durch dien Widerstand 16 einstellbaren Moment belastet, was
heutigen Anforderungen am besten entspricht, da z. B. der Ölverbrauch bei Dieselmotoren
bei der Arbeit mit vollem Drehmoment, bezogen auf die Einheit der Leistung, am kleinsten
ist.
-
Falls die Spannung des Vordermotors 213 nicht ausreicht, um den eingestellten
Strom durch den Stromkreis 3, 7 hindurchzudrücken, was z. B. eintritt, wenn die
Abtr:iebsdrehzahl nahe an die Antriebsdrehzahl heranrückt, so polt sich unter der
Wirkung der fremderregten Wicklung i i die Erregermaschine i o um, wodurch die Erregung
und die Spannurig cles Hintermotors 7 nach überwindung der Erregung 18 sich gleichfalls
umkehren. Dadurch wird der Hintermotor 7 zum Generator und hilft zunächst der im
Anker des Vordermotors 2, 3 induzierten Spannung den eingestellten Strom durch beide
Anker 3, 7 hin(durchzudrükken. Der nunmehr als Generator wirkende Hintermotor 7
wird von der Fahrzeugachse, z. B. 15'. angetrieben. Infolge des Aufrechterhaltens
des eingestellten Stromes bleibt trotz Abnahme des Unterschiedes zwischen der Antriebs-
und der Abtriebsdrehzahl des Vordermotors 2, 3, die sogar auf Null sinken kann,
also trotz Verschwindens der im Vordermotor induzierten S,panindng sein Drehmoment
in unveränderter Höhe vorhanden, so daß bei weiterer Abnahme des Fahrwiderstandes
das Drehmoment de: Abtrieb.swelle 4 bzw. 4' weiter beschleunigt, bis sichließlich
der Unterschied zwischen der Antriebs- und der Abtriebs.drehzahl negativ wird. Die
im Anker 3 induzierte Spannung wird daher ihre Richtung ändern, wogegen der Strom
nicht nur der Größe, sondern auch der Richtung nach unverändert bleibt. Dem Anker
3 des Vordermotors wird daher Leistung - zugeführt, im Gegensatz zu bisherigen Anlagen,
wo der Anker 3 immer Leistung e:ektrisch abgab.
-
Durch die erläuterte Anordnung wird daher eine Regelung der Abtriebsdrehzahl
in walten Grenzen, und zwar sowohl unterhalb wie oberhalb der Antriebsdrehzahl erreicht,
wobiei, was besonders wertvoll ist, der Durchgang durch dien relativen Synchronismus
beider Drehzahlen vollkommen se@bsttä.ig und gefahrlos vor sich geht und der Primärmotor
(Dieselmotor) stets praktisch mit konstantem Drehmoment he.'.astet ist.
-
Die oben beschriebene Schaltung gemäß der Erfindung weist gegenüber
den bisherigen e:ektromechanischen Antrieben folgende weitere Vort,eile auf.
-
Die re'.ative Drehzahl gleich Null, bei welcher geringste Vexluste
vorfanden sind, kann in dien am häufigsten zu verwendenden Drehzahlbereich verlegt
werden, wodurch der mittlere Wirkunsgrad der ganzen Anlage verbessert wird. Derselbe
kann durch Anwendung einer unmittelbaren Kupplung der beiden Teile 2, 3 weiter verbessert
werden. Es kann ein kleinerer Hntermo.ül 7 angewendet werden, weicher geringere
Verluste aufweist, da die umgewandelte. Energie infolge der Aufteilung das Gesamtdrehzahlbereiches
in zwei Bereiche, eines, in welchem die Hinterniaschine
7 motorisch,
un.deines , in. welchem die HintermascIiin.e generatorisch wirkt, wesentlich vermindert
wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die höchste Betriebsdrehzahl der abtreibenden
Welle 4 Iizw.4' von der Drehzahl der Antriebsmaschine, z. B. düs Primärmo@to-rs
i. weitgeb:end unabhängig geworden ist, so daß die höchste Betriebsdrehzahl, falls
nicht die volle Leistung be-nöti.gt wird, mit .entsprechend niedriger Drehzahl des
Primärmotors i erreicht wird, wodurch der
Primärmotor in. seiner Lebensdauer
und im Ülverbrauch geschont wird. Gegenüber den üblichen Kraftübertragungen weist
die be-
schriebene unter- und übersynchrone elektromechanische Kraftübertragung
den Vorteil eines -wesentlich besseren Wirkungsgrades und eines geringeren Gewichtes
auf, da niemals die ganze Leistung zweimal umgeformt wird. Bei sehr niedrigen Drehzahlen,
bei welchen infolge einer Sätti:Mtng im Hintermotor 7 trotz kräftigster Wirkung
der Erregermaschine io eine Erhöhung seines Flusses nicht möglich ist, steigt der
Strom an, in welchem Falle die entsprechend bemessene Gz-genkompoundwicklutig 6
des Vordermotors 2,3 zur Wirkung gelangt und seinen Fluß entsprechend herabsetzt,
wodurch die Größe des AnfahrstroMes, also des Anztigsmornents. eingestellt werden
kamt.
-
Die Gegenkompoundwickluing 6 kann, zum Anwerfen des Primärmotors i
angewendet werden, gegebenenfalls in Reihe mit einigen weiteren Windungen.
-
Um im relativen Synchronismus ein überflüssiges Fließen von Strömen
zu vermeiden, kann die Erregermaschine io in bekamiter Selbstentregungsschaltuiig-
angewendet -verded. Natürlich kann, hierzu die ErregerwIcklu:ng 9 des Hintermotors
7 selbst angewendet werden. Zwecks Umkehr der Drehrichtung kann der Anker des Hintermotors
7 mit Hilfe eines Wendeschalters 17 unigepolt -werden. Wenn keine @Vicklung 13 vorhanden
ist, kann der Umschalter 17 in die Zuleitungen der Wicklung 9 verlegt ,werden, -wodurch
Hauptstromschütze entbehrlich werden.
-
Die Erregermaschine io wird zweckmäßig mit geringer Reman:enz, z.
B. mit geblättertem Joch., ausgeführt. Die gegenseitige Induktivität der Erregerwicklungen
i 1, 12, 13 soll mÖglichst klein sein, bzw. es können ,diese Wicklungen durch besondere
negative Gegeniind.uktivitäten kompensiert oder überkompensiert ,werden. Die beiden
umlaufendien Teile des Vordermotors 2, 3 können selbstverständlich untereinander
vertauscht werden; es kanlnalso der Anker angetrieben -werden, und die Feldmagnete
können die antreibende Welle-1 antreiben.
-
Als Elektromotoren der Anlage nach der Erfindung können Gleichstrommaschinen
angewendet -werden. Als Vordermotor kaini aber auch sinngemäß z. B. ein --#Iehrpliasenmo,tor
dienen. Der Hintermotor 7 kann statt mit der abtreibenden U'elie .l' mit der antreibenden
Welle i gekuppelt sein.
-
Wenn aus irgeirdeiner Ursache Glas im Vordermotor ; elektrisch ausgeübte
Drehmoment größer ,-@ ird als das Moment des Primärmotors i und dies vom Regler
nicht ausgeglichen wird, so wird durch diesen Überschul,') des Drehmoments das Mag1ictgestell
z abgebremst. Da. wie bereits beschrieben, die Regelmaschine io den Strom im Anker
3 des Vordermotors aufrechtzuerhalten bestrebt ist, -wobei die Hintermaschine 7
auch zum Generator werden kann. besteht die Gefahr. d.aß das Feldgestelle und der
mit demselben gekuppelte Primärmotor i vollständig abgebremst oder sogar auf entgegengesetzte
Drehzahl. beschleunigt werden` können. falls, -was ja meistens der Fall sein wird.
:m Fahrzeug eine genügende Energie vorhanden ist: um die Hintermaschine 7 als Generator
antreiben zu können.
-
Um diese unerwünschte Wirkung zu unterbinden, empfiehlt es sich, die
Erregermaschine io von dem Primärmotor i aus anzutreiben, so daß beim Eintreten
der vorerwähnten Erscheinung die Drehzahl der Erre;ermas:Iiine to gleichfalls abnehmen
wird. Info:gedessen sinkt diie Fähigkeit der Erregermaschine io, einen konstanten
Strom atifrcclitztierhalten, so daß die gegenkon ipound:@ereiide Wirkung der Wicklung
18 allmählich die Oberhand gerinnt und den alsGereratorwirkenidenHinter-Motor 7
entregt. Eine Umkehr der Drehrichtung des Primärmotors i wird hierdurch verl.äßlich
vermieden.
-
Ein weiterer Vorteil dies Antriebes der Erregermaschine io durch den
Primärmotor i besteht darin, daß sowohl die verminderte Sellisterregui:;"s`ähigkeit
der Erregermaschine io, falls der Widerstand 14 nicht vermindert -wird, als auch
die verminderte elektromotorisclie Kraft Lei niedrigen Drehzahlen des,Primärmot.ors
i eine starke Erregung der Hintermaschine 7 durch die Erregermaschine io verhindern,
-wodurch die Hintermaschine 7 unter dem Einfiuß ihrer eigenen Reihetischlußwicklung
i ä steht, die beim Anfahren, wo die Wel-Ien,l und 4' im Verhältnis zum Primärmotor
i untersynchron laufen, den Hintermotor 7 in günstiger Weise stark erregt und zur
Abgabe hoher Anzugskräfte befähigt, -wogegen bei ' hohem f hersynchronismtis der
Wellen 4 und4' dem Primä rmotoi r gegenüber, also z. B. bei Talfahrten, wo der Primärmotor
i auf niedrige Leerlaufdrehzahlen eingestellt oder sogar abgestellt -wird, die Wicklung
i S gegenkonipntindierend wirkt und dadurch die Erzeugung
übermäßig.
hoher Spannungenl ärn relativ rasch laufenden Hintermotor 7 verhindert.
-
Die vorstehend genau beschriebene Wirkung der drei Wicklungen i i,
12, 13 kann selbstverständlich durch irgendeine andere bekannte wirkungsgleiche
Ausbildung, z. B. durch die Anordnung :eines selbsttätigen Schnellreglers, welche
auf die vollständige oder annähernde Konstanthaltung des Vordermotorstromes hinzielt,
ersetzt werden.