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Stufenloser elektromagnetischer Drehmomentwandler Die Erfindung betrifft
einen stufenlosen elektromagnetischen Drehmomentwandler, durch welchen die Aufgabe
gelöst werden soll, ein stark veränderliches Lastdrehmoment automatisch und stufenlos
einem gegebenen Kraftdrehmoment, welches ebenfalls veränderlich sein kann, derart
anzupassen, daß sich entsprechend der von der Antriebsmaschine abgegebenen Leistung
die jeweils größtmögliche Drehzahl einstelft. Die Drehmomentwandlung erfolgt ausschließlich
auf elektromagetischem Wege.
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Es sind bereits Drehmomentwandler bekanntgeworden, bei denen die Drehmomentwandlung
zu dem obengenannten Zweck auf ,hydraulischem Wege erreicht wird. Diese Getriebe,
die vielfach im modernen Kraftwagenbau Verwendung finden, haben jedoch einen schlechten
Wirkungsgrad, und die mit ihnen erzielbaren Beschleunigungen sind gering.
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Weiterhin sind bereits Konstruktionen bekanntgeworden, welche auf
elektromagnetischem Wege arbeiten und zur Drehzahlregelung bestimmt sind. Bei diesen
Konstruktionen ist auf der treibenden Seite ein Elektrogenerator und auf der getriebenen
Seite ein Elektromotor angeordnet. Die Drehmomente aus Generator und Motor werden
dabei addiert. Die Drehzahlregelung erfolgt bei diesen älteren Anordnungen jedoch
stets durch eine Änderung der Magnetfelderregung des Motors oder Generators oder
sogar beider Aggregate mit Hilfe besonderer Schaltelemente, wobei die gewünschte
Drehzahl von Hand eingestellt werden muB,..
Außerdem sind die zur
Regelung der Magnetfelderregung erforderlichen Schaltelemente unvorteilhaft in den
Leistungsstromkreis geschaltet, oder es ist ein zusätzliches Zahnradgetriebe angeordnet.
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Die den bereits bekannten Konstruktionen noch anhaftenden Mängel sollen
durch den Gegenstand der Erfindung beseitigt werden.
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Der neue Vorschlag gemäß der Erfindung besteht darin, daß als Generator
eine Elektromaschine mit Nebenschlußcharakteristik bzw. mit von der Belastung unabhängiger,
praktisch unveränderlicher Felderregung und als Motor eine Elektromaschine mit Hauptschlußcharakteristik
Verwendung findet. Ferner können beim Gegenstand der Erfindung die Statorwicklungen
von Generator und Motor entgegen den sonst bei Elektromaschinen gegebenen Bedingungen
aus wenigen Windungen starker Stäbe hergestellt werden, wobei zwar starke Ströme
auftreten, .die jedoch bei den kurzen Stromwegen zu keinen erhöhten Verlusten führen,
andererseits aber infolge der vorhandenen niedrigen Spannungen erhebliche fäbrikatorische
Vereinfachungen gestatten. Darüber hinaus ist es beim Gegenstand der Erfindung durch
Verwendung einer Rücklaufsperre möglich, .den Motoranker als mechanischen Energiespeicher
zu benutzen, der z. B. im Kraftfahrzeug bei Fahrtverlangsamung bremsend wirkt und
beim Beschleunigen die aufgespeicherte Energie wieder abgibt, wodurch eine wirkungsvolle,
wenn auch nur kurzzeitige Unterstützung des Antriebsmotors erfolgt., In den Zeichnungen
sind die Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung veranschaulicht, und zwar zeigt
Abb. I einen Längsschnitt durch einen Drehmomentwandler, Abb. 2 einen Querschnitt
durch den Drehmomentwandler gemäß Abb. I, Abb. 3 das Schaltschema für die Anordnung
der Wicklungen von Generatorstator und Motorstator gemäß Abb. I und 2, Abb.4 einen
Längsschnitt durch einen Drehmomentwandler in einer abgeänderten Anordnung, Abb.5
einen Längsschnitt durch einen Drehmomentwandler in einer weiteren abgeänderten
Anordnung, Abb. 6 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Abb. 5.
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Bei dem Drehmomentwandler nach Abb. I, 2 und 3 bedeutet I die Generatorwelle,
2 den Generatoranker, 3 den Generatorstator, 4 die Statorwicklung des Generators,
5 die Statorwicklung des Motors, 6 den Motorstator, 7 das Statorengehäuse, 8 den
Motoranker, g die Motorankerwicklung, IO Motorwelle, II die Rücklaufsperre, 12 das
Zahnrad für den Abtrieb, 13 das Getriebegehäuse, 14, 15 und 16 Wälzlager.
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Bei dem Drehmomentwandler wird als Generator zweckmäßig ein Drehstromsynchrongenerator
und als Motor ein Drehstromkurzschlußläufermotor gewählt. Der Generatoranker 2 als
Magnetfeldträger wird, wie bereits bekannt, .durch die Antriebsmaschine in Drehung
versetzt und die dabei I im Generatorstator 3 erzeugte elektrische Energie unmittelbar
in den Motorstator 6 geleitet. Die Motorstatorwicklung 5 ist dabei so geschaltet,
daß das Motordrehfeld im entgegengesetzten Sinne des Generatoranrkers 2 umläuft.
Aus Abb. 3 ist zu ersehen, wie die Statorwicklung I9 des Motors 2o an die Statorwicklung
18 des Generators 17 angeschlossen ist, um das Motordrehfeld im entgegengesetzten
Drehsinn des Generatorankers 2 umlaufen zu lassen. Das Motordrehfeld versucht den
Motoranker 8 in seinem Drehsinne, in Drehung zu setzen. Der Motoranker 8 wird jedoch
über die IO durch die Rücklaufsperre II für die Drehrichtung des Motordrehfeldes
gesperrt. Infolgedessen addieren sich die Drehmomente von Generator und Motor. und
setzen den Generatorstator 3 und den Motorstator 6 mit ihrem gemeinsamen Statorgehäuse
7 im Drehsinn des Generatorankers 2 in Drehung. Der Abtrieb erfolgt über das mit
dem Statörgehäuse 7 fest verbundene Zahnrad 12. Das Statorgehäuse 7 ist gegenüber
den Ankern und dem feststehenden Getriebegehäuse 13 frei drehbar gelagert.
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Die Drehmomentwandlung kommt dadurch zu-' stande, daß bei zunehmendem
Lastdrehmoment und der dadurch bedingten vergrößerten Motorschlupffrequenz die Stromstärke
in der Motorankerwicklung 8 anwächst, während gleichzeitig infolge des verringerten
elektrischen Widerstandes im Motor die Stromstärke in den Statorwicklungen 4 und
5 zunimmt, was wiederum eine Verstärkung des Magnetfeldes des Motorstators 6 zur
Folge hat, sofern in einem geeigneten Abschnitt der Hysteresiskurve gearbeitet wird.
Da das Drehmoment von der Magnetfeldstärke und der Größe des Stromflusses des im
Magnetfeld liegenden Leiters abhängig ist, wächst das Motordrehmoment erheblich
stärker an als das Generatordrehmoment,weil im Generator nur die Stromstärke anwächst,
während das Magnetfeld unverändert bleibt. Mit zunehmendem Lastdrehmoment wächst
also der prozentuale Anteil des Motordrehmomentes an dem Lastdrehmoment, während
der prozentuale Anteil des Generatordrehmomentes abnimmt. Umgekehrt fällt mit abnehmendem
Lastdrehmoment der prozentuale Anteil des Motordrehmomentes am Lastdrehmoment, während
der prozentuale Anteil des Generatordrehmomentes zunimmt, so daß bei entsprechend
niedrigem Lastdrehmoment die gesamte Leistung der Antriebsmaschine über den jetzt
nur noch als Kupplung wirkenden Generator auf den Abtrieb übertragen wird, wenn
man von den Leerlaufverlusten des Motors absieht. Infolgedessen ist .der Drehmomentwandler
in der Lage, Lastdrehmomente zu überwinden, welche um ein Vielfaches über dem vorhandenen
'Kraftdrehmoment liegen. Die Drehzahl des mit dem Abtrieb verbundenen Statorgehäuses7
stellt sich dabei in-Abhängigkeit von dem geforderten Lastdrehmoment und der von
der Antriebsmaschine abgegebenen . Leistung jeweils auf den möglichen Höchstwert
ein. Wird die Drehzahl der Antriebsmaschine während des Be-12 triebes so stark herabgemindert,
däß die Drehzahl
des Generatorankers 2 vorübergehend geringer ist
als diejenige des Statorgehäuses 7, so wird die Stromrichtung im ganzen System umgekehrt.
Infolgedessen wird der Motorstator 8 im Sinne des Generatorankers 2 mit zunehmender
Geschwindigkeit in Drehung versetzt, da die Rücklaufsperre II dem Motoranker 8 in
dieser Richtung freien Lauf läßt. Die Beschleunigung des Motorankers 8 hat dabei
eine Bremsung des Statorgehäuses 7 zur Folge. Wird hiernach die Drehzahl des Generatorankers
2 wieder über die Tourenzahl des Statorgehäuses 7 hinaus erhöht, so wird der Motoranker
8 abgebremst, wobei er seine kinetische Energie an das Statorgehäuse 7 abgibt, bis
der Motoranker 8 zum Stillstand kommt.
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Bei dem abgewandelten Drehmomentwandler gemäß Abb. 4 bedeutet 21 die
Generatorwelle, 22 den Generatoranker, 23 den Generatorstator, 24 die Statorwicklung
des Generators, 25 die Statorwicklung des Motors, 26 den Motorstator, 27 das Statorgehäuse,
28 den Motoranker, 29 das Motorankergehäuse, 3o die Motorankerwicklung, 31 die Motorwelle,
32 die Rücklaufsperre, 33 das Getriebegehäuse, 34 das Wälzlager.
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Hierbei ist der Motorstator innen und der Motoranker außen angeordnet.
Der Motoranker 28 erhält ein eigenes Motorankergehäuse 29, an welchem die Rücklaufsperre
32 angebracht ist. Die Wirkungsweise ist sinngemäß wie bei der Anordnung nach Abb.
I und 2. Der Vorteil der Anordnung nach Abb. 4 besteht darin, daß Antriebswelle
und Abtriebswelle in einer Achse liegen. Außerdem sind die Massen des Motorankers
größer, wodurch die Wirkung als mechanischer Energiespeicher verbessert wird.
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Eine weitere Abwandlung des Drehmomentwandlers zeigen die Abb. 5 und
6. Hierin stellt dar: 35 den Wellenstumpf des Generators, 36 das Generatorankergehäuse,
37 den Generatoranker, 3$ den Generatorstator, 39 die Generatorstatorwicklung, 4
die Motorstatorwicklung, 41 die Statorwelle, 42 das Statorzwischenstück, 43 den
Motorstator, 44 den Motoranker, 45 die Motorankerwicklung, 46,das Motorankergehäuse,
47 die Rücklaufsperre, 48 das Getriebegehäuse, 49 das Wälzlager.
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Bei dieser Anordnung sind die Anker in eigenen Gehäusen außen angeordnet.
Die Statoren sitzen auf einer gemeinsamen Welle, über die der Abtrieb erfolgt. Der
Antrieb erfolgt über den Wellenstumpf 35 .des Generators. Die Wirkungsweise ist
sinngemäß wie bei der Anordnung nach Abb. I und 2, deren Umkehrung sie darstellt.
Bei entsprechender Wahl der Generatorerregung kann für den Hauptarbeitsbereich des
Drehmomentwandlers dessen Leistungsfaktor annähernd cos 9 = I gehalten werden.
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Eine gleichartige Wirkung ,des Drehmomentwandlers, wie sie bei Verwendung
eines Drehstromsynchrongenerators und eines Drehstromkurzschlußläufermotors beschrieben
worden ist, kann auch erzielt werden, wenn man einen Motor in Hauptschlußschaltung
und einen Generator in Nebenschlußschaltung bzw. einen fremderregten Generator verwendet.
Hierbei sind sogar einige betriebstechnische Vorteile erreichbar, welche jedoch
gegenüber dem zuerst beschriebenen System durch wirtschaftliche Nachteile erkauft
werden müssen. Gegenüber allen bisher im Kraftwagenbau bekannten stufenlosen und
automatischen Getriebekonstruktionen besitzt der beschriebene Drehmomentwandler
die Vorteile eines wesentlich höheren Wirkungsgrades, größerer Betriebssicherheit
und niedriger Fabrikationskosten. Gegenüber allen bekannten Getrieben einschließlich
der Zahnradstufengetriebe besitzt der Drehmomentwandler den Vorzug größerer Unempfindlichkeit
bei geringerer Wartung. Nicht zuletzt verleiht der Drehmomentwändler dem .mit ihm
ausgerüsteten Kraftfahrzeug bei Geschwindigkeitsänderungen ein Beschleunigungsvermögen,
welches von keinem Fahrzeug mit gleich starker Antriebsmaschine erreicht wird.