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Stufenlos regelbares Antriebsaggregat mit großem Drehzahlbereich,
bestehend aus zwei Elektromotoren und einem Schaltgetriebe Die Erfindung betrifft
ein Antriebsaggregat mit kontinuierlicher Drehzahlregelung, und es wird damit der
Zweck verfolgt, eine Welle über einen großen Drehzahlbereich stufenlos und stetig
in ihrer Drehzahl zu regeln.
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Es sind stufenlos regelbare Getriebe bekannt, durch welche mit Hilfeeines
kontinuierlich regelbaren Getriebes unter Zuhilfenahme von vor- und/ oder nachgeschalteten
Zahnradübersetzungen und Kupplungen der stetige Regelbereich des Regelgetriebes
potenziert werden kann, z. B. quadriert oder kubiert, entsprechend der Anzahl der
Schaltstufen eines Stufenschaltgetriebes oder der Größe der Zahnradübersetzungen
in jeder Schaltstufe. Die solchermaßen aufgebauten Antriebe gestatten zwar die Überstreichung
eines sehr großen Regelbereiches, sie weisen jedoch den Nachteil auf, @daß beim
Übergang von der einen zur anderen Schaltstufe des Stufenschaltgetriebes eine Kraftunterbrechung
notwendig ist.
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Zur Vermeidung :dieses Nachteils sind allerdings schon gewisse Getriebeanordnungen
geschaffen worden, bei denen das Schalten unter Gleichlauf der zu schaltenden Wellen
vor sich geht. Diese Anordnungen :haben aber den Nachteil, eine große Anzahl von
Zahnrädern und Kupplungen für die Durchführung eines stetigen Kraftüberganges von
der einen in die andere Stufe zu benötigen.
Es ist weiter bekannt,
zur kontinuierlichen Drehzahlregelung an Stelle des stufenlosen Regelgetriebes einen
Gleichstromelektromotor für den Antrieb zu benutzen, der durch gittergesteuerte
Elektronenröhren oder Gasentladungsröhren über einen großen Drehzahlbereich geregelt
wird. Eine konstante Leistung ist mit einem solchen elektrisch regelbaren Antrieb
jedoch nur über einen Drehzahlbereich von I : 3 erzielbar. Dieser Regelbereich kann
zwar durch nachgeschaltete Stufenschaltgetriebe beliebig erweitert werden, jedoch
ergibt sich dann wieder der Nachteil, daß beim Schalten eine Kraftunterbrechung
vorgenommen werden muß.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist auch bereits eine Anordnung
mit zwei Elektromotoren bekannt, von denen wenigstens einer stufenlos regelbar ist,
Beide Elektromotoren sind über wenigstens ein Differentialgetriebe und damit kombinierte
Schaltgetriebe zusammengekuppelt und treiben gemeinsam auf die Ausgangswelle des
Getriebeaggregats. Je nach der Drehrichtung und der Drehzahl der beiden durch das
Differentialgetriebe verbundenen Motoren ändert sich die Drehzahl der Ausgangswelle.
Im Grenzfall kann hierbei einer der Motoren die Drehzahl Null aufweisen, muß dann
aber gebremst werden, um das Stützdrehmoment an eine der drei Wellen des Differentialgetriebes
abgeben zu können. Bei dieser Anordnung muß für gewisse Drehzahlbereiche in Kauf
genommen werden, daß einer der beiden Motoren vom anderen angetrieben wird und daher,
als Generator laufend, Leistung ins Netz zurückspeist. Dadurch wird die an der Ausgangswelle
des Getriebeaggregats zur Verfügung stehende Abtriebsleistung stark herabgesetzt.
Außerdem ist ein solches Getriebeaggregat sehr kompliziert in seinem Aufbau und
wegen der Verwendung der Differentialgetriebe und einer Vielzahl von Zahnrädern,
Schaltkupplungen und Bremsen teuer und im Betrieb unwirtschaftlich.
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Durch die Erfindung werden die verschiedenartigen Nachteile der bisher
bekannten Einrichtungen vermieden und besonders zweckmäßige Lösungen für die Aufgabe
angegeben, die Ausgangswelle eines Getriebeaggregats über einen beliebig großen
Drehzahlbereich stufenlos, ohne Kraftflußunterbrechung und ohne Minderung der übertragbaren
Leistung zu regeln und dabei mit einer besonders geringen Anzahl von Zahnradpaaren
und Schaltkupplungen auszukommen. Hierbei wird von einem stufenlos regelbaren Antriebsaggregat,
bestehend aus zwei Elektromotoren und einem Schaltgetriebe, ausgegangen, wobei wenigstens
einer der Elektromotoren stufenlos regelbar ist und das Schaltgetriebe mittels Schaltkupplungen
-zwischen die Abtriebswellen der beiden Elektromotoren und die Ausgangswelle des
gesamten Aggregats derart einschaltbar ist, daß mit zunehmender Drehzahl der Ausgangswelle
bei der größten Drehzahl des ersten Motors der mit seiner kleinsten oder einer konstanten
Drehzahl laufende zweite Motor den Antrieb der Ausgangswelle übernehmen und der
erste Motor abgeschaltet werden kann (und umgekehrt bei abnehmender Drehzahl der
Ausgangswelle) und daß die Ausgangswelle beim Wechsel des antreibenden Motors ununterbrochen
und mit derselben Drehzahl angetrieben wird. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt
erfindungsgemäß dadurch, daß der erste stufenlos regelbare Elektromotor im Wechsel
mit dem zweiten Motor mit der Ausgangswelle über verschieden große Übersetzungen
des mehrstufigen Schaltgetriebes kuppelbar ist, daß der erste Motor bei zunehmender
Drehzahl der Ausgangswelle von seiner kleinsten zu seiner größten Drehzahl geregelt
wird (oder umgekehrt bei abnehmender Drehzahl der Ausgangswelle) und daß der erste
Motor unbelastet im .entgegengesetzten Sinne zurückregelbar ist, solange der zweite
Motor die Ausgangswelle antreibt, wobei die Übersetzungen des Schaltgetriebes so
gewählt sind, daß die beim Wechsel des Antriebes miteinander zu kuppelnden Teile
mit gleicher Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit und gleicher Drehrichtung (synchron)
laufen. Der Antrieb der Ausgangswelle erfolgt also immer nur durch einen der beiden
Motoren und geht am Ende des Regelbereiches des treibenden Motors ohne Stoß und
ohne Kraftflußunterbrechung auf den anderen bisher nicht treibenden Motor über.
Der an der Ausgangswelle zur Verfügung stehende Drehzahlbereich läßt sich dadurch
beliebig erweitern, daß der erste stufenlos regelbare Elektromotor mehrmals nacheinander
im Wechsel mit dem zweiten Motor mit der Ausgangswelle gekuppelt wird, wobei der
jeweils nicht treibende Motor mechanisch abgekuppelt ist oder, ohne elektrisch eingeschaltet
zu sein, vom Wechselgetriebe leer mitgenommen wird. Das Antriebsaggregat kann sowohl
mit einem drehzahlregelbaren und einem konstant laufenden Elektromotor als auch
mit zwei Regelelektromotoren ausgeführt werden. Im ersteren Falle wird erfindungsgemäß
die Anordnung so getroffen, daß der zweite Motor als Motor mit konstanter Drehzahl
ausgebildet ist und die bei der Übernahme des Antriebs vom ersten auf den zweiten
Motor vorhandene Drehzahl der Ausgangswelle aufrechterhält, bis der erste Motor
zurückgeregelt und unter Zwischenschaltung einer der aufrechterhaltenen Drehzahl
der Ausgangswelle angepaßten Übersetzung des Schaltgetriebes im Synchronlauf erneut
mit der Ausgangswelle gekuppelt ist. Im zweiten Falle dagegen ist dann die Anordnung
erfindungsgemäß so zu treffen, daß auch der zweite Motor als stufenlos regelbarer
Motor ausgebildet ist und nach der Übernahme des Antriebs der vorher vom ersten
Motor angetriebenen Ausgangswelle zur weiteren Änderung ihrer Drehzahl geregelt
wird, während gleichzeitig der erste Motor zurückgeregelt und dann unter Zwischenschaltung
einer der erreichten Drehzahl der Ausgangswelle angepaßten Übersetzung erneut im
Synchronlauf mit der Ausgangswelle gekuppelt und dann erneut geregelt wird.
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Die Erfindung und dazugehörige, Einzelheiten sind an Hand von Fig.
i bis ¢ beispielsweise erläutert, und zwar zeigt
Fig. I eine Antriebseinheit
mit kontinuierlicher Drehzahlregelung unter Verwendung eines Regelmotors und eines
nicht regelbaren Kurzschlußläufermotors für eine Quadrierung des Regelbereiches
des Regelmotors, Fig. 2 die gleiche Antriebseinheit mit einem erweiterten Getriebe
für eine Kubierung des Regelbereiches des Regelmotors, Fig. 3 eine Antriebseinheit
mit kontinuierlicher Drehzahlregelung unter Verwendung von zwei Regelmotoren für
eine Quadrierung des Regelbereiches und Fig. 4 den gleichen Antrieb mit erweitertem
Getriebe für eine Kubierung des Regelbereiches.
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In Fig. I steht der Regelelektromotor I über die Welle 3 mit einem
kleinen Zahnrad 9 in Verbindung. Mit der Welle 3 ist außerdem durch eine Kupplung
8 ein weiteres Zahnrad 6 kuppelbar, mit dem ein Zahnrad 7 kämmt, das einerseits
mit der Abtriebswelle 5 andererseits mit dem drehzahlkonstanten Elektromotor 2 über
die Hilfswelle 4 verbunden ist. Ferner ist über die Kupplung II ein größeres Zahnrad
Io mit der Abtriebswelle 5 kuppelbar, das mit dem mit der Welle 3 des Regelelektromotors
I verbundenen kleinen Zahnrad 9 kämmt.
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Der Regelmotor I treibt die Abtriebswelle 5 mit der höchsten Drehzahl
über die Kupplung 8 und das Zahnradpaar 6, 7 an. Der über die Hilfswelle 4 mit der
Abtriebswelle 5 verbundene nicht regelbare Motor 2 wird leer mitgnommen. Die Kupplung
8 ist dabei geschlossen und die Kupplung II gelöst. Die Übersetzung des Zahnradpaares
6,7 ist so gewählt, daß bei unterster Drehzahl des Regelmotors I, die noch mit konstanter
Leistung gefahren werden kann, der ungeregelte Motor 2 seine Nenndrehzahl erreicht.
Soll jetzt die Drehzahl der Abtriebswelle 5 weiter reduziert werden, so wird der
Motor 2 zur Lastübernahme veranlaßt, z. B. durch Einschalten der Netzspannung, sofern
der Motor 2 ein Kurzschlußläufermotor ist. Nunmehr kann der Regelmotor I abgeschaltet
werden, trotzdem läuft die Abtriebswelle 5 mit der vorher erreichten Drehzahl weiter.
Dann wird die Kupplung 8 gelöst und der Regelmotor I auf seine höchste Drehzahl
zurückgeregelt. Ist diese höchste Drehzahl erreicht, so ist Gleichlauf zwischen
den zu kuppelnden Elementen der Kupplung II eingetreten, da das Übersetzungsverhältnis
des Zahnradpaares 9, Io entsprechend bemessen ist. Jetzt kann die Kupplung II geschlossen
werden, nachdem vorher der Regelmotor I wieder eingeschaltet worden war. Der Regelmotor
I übernimmt somit wieder den Antrieb, und der Motor 2 kann abgeschaltet werden,
ohne daß eine Kraftunterbrechung an der Abtriebswelle 5 vorgenommen zu werden braucht.
Der Regelmotor I kann nunmehr wieder in seiner Drehzahl verringert werden, bis die
kleinste Drehzahl des Antriebs erreicht ist. Beim Aufwärtsregelen wird entsprechend
umgekehrt vorgegangen. Beträgt der Drehzahlregelbereich des Regelmotors I beispielsweise
I : 3, so kann mit Hilfe dieses quadrierenden Antriebs insgesamt ein Regelbereich
von I : 9 mit konstanter Leistung ohne Kraftunterbrechung durchfahren werden.
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Bei Fig. 2 ist der Regelelektromotor I über eine Welle 3 mit dem kleinen
Zahnrad I3 verbunden und mit einer Kupplung 15, die andererseits mit der Antriebswelle
5 in Verbindung steht. An. die Abtriebswelle 5 ist über eine Kupplung 2o wahlweise
ein Zahnrad 18 oder über eine weitere Kupplung 22 ein größeres Zahnrad 23 ankuppelbar.
Der drehzahlkonstante Elektromotor 2 ist über eine Welle 4 mit einem mit dem größeren
Zahnrad 23 kämmenden kleinen Zahnrad 24 verbunden sowie mit einer Kupplung 2I, über
die ein mit dem Zahnrad I8 kämmendes Zahnrad I9 an die Welle 4 ankuppelbar ist.
An das Zahnrad I9 ist über eine Welle I7 und eine Kupplung I6 ein größeres Zahnrad
I4 ankuppelbar, das mit dem kleinen Zahnrad I3 kämmt.
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Bei der Schaltstufe I dieses Antriebs, also im Gebiet der höchsten
Drehzahl der Abtriebswelle 5, geht die Antriebskraft vom Regelmotor I über die geschlossene
Kupplung I5 unmittelbar auf die Abtriebswelle 5. Außer der Kupplung I5 ist noch
die Kupplung 2I geschlossen, und der Elektromotor 2 läuft mit seiner Nenndrehzahl.
Die Kupplungen I6, 2o, 22 sind geöffnet, so daß der Motor 2 keinen Einfluß auf die
Abtriebswelle 5 und die Welle 3 ausübt. Ist der Regelmotor I an seiner unteren Drehzahl
für konstante Leistung angelangt, so ist Gleichlauf zwischen den Elementen der Kupplung
2o eingetreten.
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In diesem Betriebszustand beginnt der Übergang auf die Schaltstufe
II. Die Kupplung 2o wird geschlossen und gleichzeitig die Kupplung 15 gelöst. Der
drehzahlkonstante Motor 2 treibt ü über Welle 4, Kupplung 21, Zahnradpaar 18, i9
und die Kupplung 2o die Abtriebswelle 5 mit derselben Drehzahl weiter an, während
der Regelmotor i hochgeregelt wird, bis er wieder seine höchste Drehzahl erreicht
hat. Dabei gelangen die Elemente der Kupplung. 16 in Gleichlauf, denn die Übersetzung
des Zahnradpaares 13, 14 ist gleich dem Regelmotor i bemessen. Nunmehr wird die
Kupplung 16 geschlossen und. die Kupplung 21 gelöst, so daß der Regelmotor i den
Antrieb ohne Kraftunterbrechung wieder übernimmt. Der Antrieb geht in dieser Schaltstellung
vom Regelmotor i über Welle 3, Zahnradpaar 13, 14, Kupplung 16, Welle 17, Zahnradpaar
18, i9 und Kupplung 2o auf die Abtriebswelle 5.. Die Drehzahl der Abtriebswelle
5 kann jetzt.durch Herabregeln des Regelmotors i weiter stetig reduziert werden.
Soba1.d der Regelmotor i seine untere Drehzahl konstanter Leistung erreicht. hat,
ist Gleichlauf zwischen .den Elementen der Kupplung22 eingetreten, da de. Übersetzung
des Zahnradpaares 23, 24 entsprechend eingerichtet ist.
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Jetzt kann die Schaltstufe III eingeleitet werden, indem die Kupplung
22 geschlossen und die Kupplung 2o gelöst wird. Nunmehr übernimmt wiederum der MOtor
2 den Antrieb der Welle 5, und der Regelmotor i kann wieder auf höchste Drehzahl
geregelt werden. In dieser Drehzahlstellung
sind die Elemente der
Kupplung 21 in Gleichlauf, die nunmehr eingerückt wird. Der Kraftantrieb geht jetzt
vom Regelmotor i über Welle 3, Zahnradpaar 13, 14, Kupplung I6, Welle 17, Kupplung
21, Zahnradpaar 23, 24 und Kupplung 22 auf die Abtriebswelle 5. Nunmehr wird der
Regelmotor i wieder heruntergeregelt, und bei seiner niedrigsten Drehzahl konstanter
Leistung ist die geringste Drehzahl der Abtriebswelle 5 erreicht.
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Bei Fig. 3 ist ein Regelmotor i über seine Welle 3 mit der Abtriebswelle
5 verbunden und ein zweiter Regelmotor IoI über eine Welle 4 mit einem kleinen Zahnrad
31, das mit einem über eine Kupplung 32 an die Abtriebswelle 5 ankuppelbaren größeren
Zahnrad 30 kämmt.
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Inder Schaltstufe I, nämlich der Stufe größerer Geschwindigkeit, treibt
der Regelmotor I die Abtriebswelle 5 direkt an. Während der Regelmotor i seinen
Drehzahlbereich konstanter Leistung nach unten durchfährt, läuft der Regelmotor
IoI mit höchster Drehzahl. Die Übersetzung des Zahnradpaares 30, 31 ist so gewählt,
daß bei der untersten Drehzahl, die der Regelmotor i mit konstanter Leistung abzugeben
vermag, Gleichlauf zwischen den Elementen der Kupplung 32 eintritt. Nunmehr wird,
wenn die Drehzahl der Abtriebswelle 5 weiter verringert werden soll, auf Schaltstufe
II übergegangen, indem die Kupplung 32 eingeschaltet und der bisher leer, aber mit
höchster Drehzahl laufende Motor IoI auf Leistung gesteuert, während der Regelmotor
I auf Leerlauf gesteuert wird. Der Motor IoI übernimmt infolgedessen jetzt die Kraftübertragung
über Welle 4, Zahnradpaar 30, 31 und Kupplung 32 zur Abtriebswelle 5. Der Motor
i verringert beim Herunterregeln des Motors IoI auch seinerseits seine Drehzahl,
da seine Verbindung zur Abtriebswelle 5 nicht gelöst wird. Bei dieser Anordnung
wird mit Hilfe nur eines Zahnradpaares und einer Kupplung und zweier Regelmotoren
ohne Kraftunterbrechung ein Regelbereich der Abtriebswelle bei konstanter Leistung
durchfahren, der dem Quadrat des Regelbereiches eines Regelmotors entspricht.
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Bei Fig. 4 ist ein Regelelektromotor i über eine Welle 3 mit einem
kleinen Zahnrad 4I verbunden sowie mit einer Kupplung 43, die andererseits mit der
Abtriebswelle 5 in Verbindung steht, an die über eine Kupplung 47 ein größeres Zahnrad
45 ankupgelbar ist. Ein zweiter Regelelektromotor IoI ist über eine Welle 4 mit
einem kleinen Zahnrad 46 verbunden, das mit dem Zahnrad 45 kämmt. An die Welle 4
ist über eine Kupplung 44 ein größeres Zahnrad 42 ankuppelbar, das mit dem kleinen
Zahnrad 41 der ersten Motorwelle 3 kämmt.
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In Schaltstufe I ist die Kupplung 43 geschlossen, und die Kraftübertragung
geht vom Regelmotor i unmittelbar auf die Abtriebswelle 5. Die Kupplungen 44 und
47 sind dabei gelöst. Wenn der Regelmotor I heruntergeregelt wird, führt der leer
laufende Regelmotor IoI die entgegengesetzte Drehzahländerung durch, d. h. seine
Drehzahl wird erhöht. Nach Erreichen der unteren Drehzahl des Regelmotors i ist
Gleichlauf der zu kuppelnden Wellen an der Kupplung 47 vorhanden. Nun beginnt die
Schaltstufe II, indem die Kupplung 47 geschlossen und gleichzeitig die Kupplung
43 gelöst wird. Der Regelmotor IoI übernimmt jetzt die Kraftübertragung über Welle
4, Zahnradpaar 45, 46 und Kupplung 47 zur Abtriebswelle 5. Der Regelmotor i ist
zwar ausgekuppelt, er führt jedoch die umgekehrte Drehzahländerung durch. Ist der
Regelmotor IoI an seiner unteren Drehzahl konstanter Leistung angelangt, so ist
Gleichlauf der Elemente der Kupplung 44 vorhanden. Jetzt beginnt der Übergang zur
Schaltstufe III, indem die Kupplung 44 geschlossen und der Drehzahlbereich des Regelmotors
i durchfahren wird. Die Kraftübertragung geht dabei vom Regelmotor i über Welle
3, Zahnradpaar 4i, 42, Kupplung 44, Zahnradpaar 45, 46 und Kupplung 47 zur Abtriebswelle
5. Die Kupplung 43 ist gelöst, und der Regelmotor IoI läuft leer mit. Mit dieser
Anordnung wird bei Verwendung von nur zwei Zahnradpaaren, drei Kupplungen und zwei
Regelelektromotoren der Regelbereich eines Motors kubiert.