EP0965007A2 - Vorrichtung zur verringerung von drehungleichförmigkeiten und verfahren hierzu - Google Patents

Vorrichtung zur verringerung von drehungleichförmigkeiten und verfahren hierzu

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Publication number
EP0965007A2
EP0965007A2 EP98912451A EP98912451A EP0965007A2 EP 0965007 A2 EP0965007 A2 EP 0965007A2 EP 98912451 A EP98912451 A EP 98912451A EP 98912451 A EP98912451 A EP 98912451A EP 0965007 A2 EP0965007 A2 EP 0965007A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
active
unit
active unit
rotational
electrical machine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP98912451A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas GRÜNDL
Bernhard Hoffmann
Thomas Pels
Klaus Revermann
Holger Riekenbrauck
Klaus-Peter Zeyen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co OHG
Original Assignee
Gruendl und Hoffmann GmbH Gesellschaft fuer Elektrotechnische Entwicklungen
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gruendl und Hoffmann GmbH Gesellschaft fuer Elektrotechnische Entwicklungen, ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG, Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG filed Critical Gruendl und Hoffmann GmbH Gesellschaft fuer Elektrotechnische Entwicklungen
Publication of EP0965007A2 publication Critical patent/EP0965007A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/10—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
    • F16F15/18—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using electric, magnetic or electromagnetic means

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for reducing rotational irregularities.
  • Rotational irregularities can e.g. in an internal combustion engine result from the gas and mass forces acting in the engine.
  • this leads to high noise pollution and high wear. They also reduce driving comfort.
  • the most common conventional measure is aimed at passive damping of the rotational uniformities. It consists in using a flywheel to increase the moment of inertia of the rotating part of the engine.
  • a device for actively reducing rotational irregularities is shown, for example, in DE 44 23 577 AI.
  • a first unit of action of an electrical machine - there a sector machine - is with a shaft of an internal combustion engine, and a second unit of rotation is supported, for example, against a housing of the combustion engine. otors.
  • the effect of this device is based on the fact that the electrical machine applies an alternating torque to the shaft, which counteracts the torques which cause the rotational irregularities and thereby reduces them.
  • the motor housing absorbs the reaction torques.
  • EP 0 427 568 B1 proposes to counteract positive rotational irregularities (i.e. rotational states above the speed average) with an electrical machine connected to the shaft of an internal combustion engine and to store the electrical energy obtained in this way in a capacitor and a battery.
  • DE-A-32 30 607 discloses a system in which positive and negative rotational nonuniformities are counteracted with an electrical machine, the energy obtained in the case of positive rotational nonuniformity being temporarily stored in a battery and then used to counteract the negative rotational nonuniformity.
  • Patent Abstracts of Japan, Volume 7, (M-251), January 23, 1982 & JP-58 126 434 (NISSAN) discloses a system for active vibration damping, in which the energy obtained is temporarily stored in a capacitor and then removed again becomes.
  • the invention aims to provide a completely new device for reducing rotational irregularities of a non-uniformly rotating unit, in particular an internal combustion engine. This also includes the provision of a corresponding procedure. It achieves this goal according to claim 1, by an electrical machine which has at least two relatively rotatable active units, the first of which is coupled to the non-uniformly rotating unit, and the second is freely rotatable, and which generates the relative torques between the active units counteracting the rotational nonuniformities, the support being provided against the freely rotatable inertial mass of the second active unit, the generation of the relative torques taking place in an active manner so that the angular momentum transmitted to the freely rotatable inertial mass of the second active unit is greater in the case of rotationally uniformity , as the angular momentum that is generated by simply coupling the second active unit would be transferred to the first knitting unit.
  • inertial mass means the inertia of the second active unit with respect to rotary movements, which is also
  • the invention is based on a different principle of operation than the German Patent 325 363 mentioned at the outset.
  • the "electrical machine” only seeks passively to make a relative rotational speed between the shaft and the flywheel disappear. This means that only the damping effect can be achieved that would also be achievable with the rotationally fixed coupling of the flywheel.
  • the electric machine is controlled so that it actively generates or increases relative rotational speeds between the shaft and the flywheel.
  • the centrifugal mass of the shaft can draw torques of virtually any size or impress it. This achieves a damping effect that goes far beyond what can be achieved with a non-rotatable coupling of the flywheel and i.a. an almost complete compensation of the rotational irregularities allowed.
  • An electrical machine is in particular a rotary machine that can be operated by a motor and a generator. It is, for example, a commutator machine ("DC machine") or a three-phase machine ("three-phase machine”).
  • a rotating field machine is understood to mean a machine, in particular a commutatorless machine, in which a magnetic rotating field occurs, which preferably sweeps over 360 °.
  • the machine can in particular be designed as an asynchronous machine or as a synchronous machine.
  • the Machine has - corresponding to the rotor and the stator of a conventional electrical machine - two active units that are rotatable relative to each other.
  • a relative torque is generated between the active units by a corresponding variation of the rotating field.
  • the variable currents and voltages required for this can be generated, for example, with the aid of an inverter, which can bring about generator and motor operation.
  • the first knitting unit is coupled to the non-uniformly rotating unit, more precisely to a shaft (or another rotating part) which has the rotational irregularity caused by the unit in its rotation.
  • this can be a shaft coupled directly or indirectly to a drive motor, for example an internal combustion engine, for example via pinions, V-belts, etc.
  • rotational irregularities occur due to the acting gas and mass forces of the individual reciprocating pistons.
  • relatively large second-order rotational irregularities ie twice the rotational frequency of the engine
  • rotational irregularities at higher orders and stochastically occurring irregularities.
  • a rotary piston engine for example a Wankel engine
  • the device according to the invention is not only suitable for reducing rotational nonuniformities which result from such a drive motor (for example a motor vehicle, rail vehicle, ship or a machine tool); Rather, they can also be those that arise in a drive train - that is, between the drive motor and the output point - due to cardan joints, torsional vibrations of shafts or gear wear. Shafts (or turned parts) that have rotational nonuniformities from such sources are also to be included here under the term "aggregate".
  • the reduction in the rotational irregularities is brought about by the fact that the electrical machine applies a varying torque to the non-uniformly rotating unit. Over time, this corresponds essentially to the torque fluctuations leading to the rotational irregularities, but is directed in the opposite direction.
  • the second knitting unit can be freely rotated.
  • Freely rotatable is also understood to mean the case in which the second active unit is coupled to the outside world in such a way that it is still essentially freely rotatable. Ultimately, it is only important that - as explained in more detail below - the support against the inertial mass of the second active unit.
  • the second active unit - for example the stator - is active to reduce rotational nonuniformity; for example, it is rotatably coupled to the housing of the drive motor or the vehicle chassis.
  • the application of torques to the non-uniformly rotating unit takes place against the essentially freely rotatable inertial mass of the second active unit. It is advantageous if it rotates in the same direction as the non-uniformly rotating unit.
  • a braking torque is exerted on the unit to brake it.
  • the second knitting unit with the inertial mass can rotate faster than the first knitting unit with the unit.
  • the second knitting unit with the inertial mass can turn slower than the first knitting unit with the unit.
  • the energy generated when the unit is braked is thus stored in the form of kinetic energy in the second active unit.
  • the second active unit is braked when the unit accelerates.
  • the energy required to accelerate the unit is taken from the kinetic energy of the second active unit.
  • the inertial mass of the second active unit thus stores the rotational non-uniformity energy in the form of kinetic energy.
  • the energy generated when braking the unit is stored in the form of electrical energy (e.g. in a capacitor or a battery); and the for
  • the energy required to accelerate is taken from the electrical energy store.
  • the electrical machine has the function of a controllable coupling between two rotating parts, and thus essentially not the function of a device for converting kinetic to electrical energy.
  • the device according to the invention thus leads, for example when used in a vehicle drive system, to: low noise pollution; - low wear; and at the same time low energy consumption.
  • a device is advantageous in which the electrical machine alternately generates braking and driving relative torques for reducing correspondingly alternating rotational irregularities, as is generally the case. occur in reciprocating internal combustion engines (claim 2).
  • a braking and a driving torque then alternately acts on the freely rotatable inertial mass of the second active unit.
  • the electrical machine is advantageously controlled in such a way that the alternating relative torques are essentially in opposite phase to the torques of the assembly which cause the rotational irregularities.
  • the angular velocity of the second knitting unit remains constant averaged over the rotational irregularities or changes only slowly.
  • a store for electrical energy is particularly advantageously provided for the storage and delivery of the energy (claim 3). For example, it is then possible to generate a relative torque in which both active units are accelerated or braked at the same time; the energy required for this is taken from the energy store or the energy thereby generated is stored in the energy store. More generally, the electrical energy store enables energy to be supplied or removed from the system of the two relatively rotatable parts.
  • a device which applies a torque to the second active unit of the electrical machine (claim 4).
  • the device can be a mechanical brake and / or a mechanical drive. It is particularly advantageous to set up a third electromagnetic active unit which, together with the second active unit or a rotating part coupled to it, functionally forms a second electrical one Forms a machine that can generate driving and / or braking torques, for example, through magnetic traveling fields.
  • the second machine can be designed as a sector machine or can extend around the entire circumference.
  • the device is advantageously arranged in a rotationally fixed manner.
  • the total torque acting on the second active unit then results from the sum of the torque applied by the device and the relative torque generated between the first and the second active unit.
  • the second knitting unit can then be accelerated and braked as desired, regardless of the reduction in rotational nonuniformity, and e.g. are brought into a speed range that is favorable for reducing rotational irregularities or are kept in this favorable speed range.
  • an operating state is favorable in which the angular momentum of the two relatively rotating parts of the rotating system (i.e. the shaft of the unit with the first active unit and the second active unit with its inertial mass) are essentially the same. With the same moments of inertia, this means the same speeds, with different moments of inertia, the speed ratio corresponds to the inverse moment of inertia ratio.
  • the device advantageously applies a braking, slowly changing torque to the second active unit in order to act as a generator for supplying consumers.
  • the second active unit is also advantageously fixable (claim 6).
  • the second active unit can be fixable, for example, on the non-uniformly rotating unit, for example an output shaft of the drive system.
  • the electrical machine then acts as an electromagnetic clutch.
  • the second active unit can also be fixable against rotation, for example by coupling to the non-rotatable motor housing (claim 7).
  • the device according to the invention can then advantageously also serve as a starter for the internal combustion engine.
  • the high torques required for starting would lead to a high speed increase of the second active unit in the case of an unfixed second active unit.
  • the device can then be useful as an additional drive and / or brake.
  • An embodiment is particularly advantageous in which the device, when the second active unit (5, 18) is fixed to the output shaft, acts as a starting and / or clutch for a vehicle.
  • the invention is also directed to a method for reducing rotational irregularities.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for reducing rotational irregularities in a vehicle drive system
  • FIGS. 2 and 3 are schematic exemplary representations of the functioning of the device (wherein in FIG. 3 the
  • FIG. 3a illustrates the operation of the prior art, and FIG. 3b relates to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of a device for reducing
  • Fig. 5 is a schematic cross-sectional view of an electrical machine.
  • Fig. 1 against a vehicle chassis 11 supporting internal combustion engine 1 of a vehicle drive system brings a torque Mv according to a shaft 2.
  • Fig. 2 on.
  • a - desired - direct torque Mv is superimposed on an - undesirable - alternating torque Mv Panel.
  • the torque Mv alone would therefore lead to high speed fluctuations of the shaft 2 at a constant load torque.
  • the shaft 2 is rotatably supported relative to the vehicle chassis 11 with bearings 12, 13.
  • An electrical machine 3 sits concentrically on it.
  • a first active unit 4 of the electrical machine 3 sits directly on the shaft 2 and is connected to it in a rotationally fixed manner.
  • a second active unit 5 is rotatably supported with a bearing 6 with respect to the vehicle chassis 11 - and thus also with respect to the internal combustion engine 1.
  • the first active unit 4 corresponds structurally to a rotor, and the second active unit 5 corresponds to a stand, albeit rotatably mounted, of a conventional asynchronous three-phase machine.
  • the windings (not shown) of the second active unit 5 are supplied by an inverter 7 connected to an electrical energy store 8 (for example a capacitor or a battery) with electrical currents and voltages of practically freely adjustable amplitude, phase and frequency.
  • the inverter 7 and the windings are coupled, for example, via slip rings (not shown).
  • the inverter 7 is e.g. a DC link inverter which cuts out modulated pulses from a constant DC link voltage with the help of electronic switches (e.g. field effect transistors or IGBTs), which - averaged by the inductance of the electrical machine 3 - results in almost sinusoidal currents of the desired frequency, Lead amplitude and phase.
  • electronic switches e.g. field effect transistors or IGBTs
  • IGBTs field effect transistors
  • the second active unit 5 Before the reduction in rotational nonuniformity, the second active unit 5 is subjected to a torque such that the second active unit 5 and the shaft 2 rotate in the same direction, and in particular with essentially the same angular momentum.
  • the second active unit 5 is adjusted accordingly, so that the above condition of the same angular momentum is permanently maintained.
  • a rotation angle encoder 10 measures the instantaneous rotation angle of the shaft 2. From this, the control unit 9 derives the torque acting on the shaft 2. In other embodiments (not shown) the instantaneous torque is measured directly, e.g. with the help of a torque sensor placed on the shaft, the functioning of which e.g. is based on a measurement of the torsion of shaft 2.
  • the control device 9 causes the first active unit 4 according to. Fig. 2 to apply an alternating accelerating and braking torque Me opposite the alternating torque Mv Touch to the shaft 2.
  • the total torque Mges shown in dashed lines in FIG. 2 then acts on them. With constant load torque, the speed of shaft 2 then remains essentially constant. The remaining slight speed fluctuations are caused by e.g. from inevitable control and measurement inaccuracies.
  • the counter torque -Me has an accelerating effect on the second active unit 5. Because of its rotatable mounting, its speed is increased. The energy generated during the braking action of the first active unit 4 is therefore stored in the rotational energy of the second active unit 5.
  • the electrical machine 3 thus acts in the manner of a controllable clutch in order to bring kinetic energy into the energy store or to get it out of it.
  • the energy generated when braking an irregularly rotating assembly for example a shaft
  • the energy required when accelerating the shaft is taken from the electrical energy store. High losses occur during the transport of the double conversion and the transport of the energy, since the high torques required cause the switching of high electrical powers, in particular at higher speeds.
  • the mode of operation of the invention according to FIG. 3b is completely different: here a substantially greater damping effect is achieved, namely an almost complete compensation of the rotational irregularity.
  • the electrical machine 3 can then e.g. as a conventional device for reducing rotational irregularities, as a starter for the internal combustion engine 1, as a drive or brake unit for accelerating or braking the shaft 2 and / or as an alternator to supply (not shown) electrical consumers.
  • an electrical machine 15 sits concentrically on a non-uniformly rotating shaft 16.
  • a first active unit 17 of the electrical machine 15 sits directly on the shaft 16 and is connected to this rotation test.
  • a second active unit 18 is rotatably mounted with a bearing 21.
  • the shaft 16 - and thus also the first active unit 17 - is rotatably supported by a bearing 20.
  • a third active unit 19 is connected in a rotationally fixed manner to the bearings 20, 21 and thus to the chassis via a connection 22.
  • the third active unit 19 corresponds structurally to the stator body of a sector machine, which is elongated in the shape of a circular sector.
  • the second active unit 18 rotatably mounted with the bearing 21 is composed of an inner part 23 and an outer part 24.
  • the outer part 24 corresponds structurally (a hollow here) rotor body of a sector machine
  • the inner part 23 corresponds to a stator body an asynchronous three-phase machine.
  • the first active unit 17 corresponds structurally to a rotor body of an asynchronous three-phase machine.
  • the windings (not shown) of the third active unit 19 and the inner part 23 of the second active unit 18 are supplied by an inverter 26 connected to an energy store 25 with electrical currents and voltages of practically freely adjustable amplitude, phase and frequency.
  • the inverter 26 and the windings of the inner part 23 are coupled via slip rings (not shown).
  • the inverter 26 can functionally e.g. consist of two independent or one switchable inverter.
  • the outer part 24 of the second knitting unit 18 and the third knitting unit 19 functionally form a sector machine with the third knitting unit 19 as a stator body.
  • the inner part 23 of the second active unit 18 and the first active unit 17 functionally form a three-phase asynchronous machine with the inner part 23 of the second active unit 18 as a rotatable stator body.
  • the inverter 26 - and thus also the torques generated - is controlled by a control unit 27.
  • the second active unit 18 is subjected to a torque such that the second active unit 18 and the shaft 16 rotate in the same direction, e.g. by generating a relative torque between the second and third knitting units 18, 19.
  • a rotary encoder 28 measures the instantaneous angle of rotation of the shaft 16. From this, the control unit 27 derives the torque acting on the shaft 16 and, in accordance with the statements relating to FIGS. 1 to 3, initiates the first by generating a relative torque between the first and second active units 17, 18 Knitting unit 17, to apply a torque to the shaft 16 which counteracts the torque fluctuations causing the rotational irregularities.
  • the total torque acting on the second active unit 18 results from the sum of the relative torque generated between the second and third active unit 18, 19 and the relative torque generated between the first and second active unit 17, 18.
  • the second knitting unit 18 and the first knitting unit 17 can thus be accelerated and braked independently of one another as desired.
  • the second knitting unit 18 according to the above.
  • Condition the same angular momentum are carried with the first active unit 17.
  • the energy obtained in the case of a reduction in speed due to the regenerative braking action of the sector machine can be stored in the energy store 25 and can be reused for later speed increases - in which the sector machine acts as a driving motor. Apart from minor losses, carrying the second active unit 18 on average does not require any energy for the purpose of adjusting the angular momentum.
  • a constant braking torque can additionally be applied to the second active unit 18.
  • the electrical machine formed by the third knitting unit 19 and the outer part 24 of the second knitting unit 18 can thus supply (essentially constant) electrical energy and e.g. save in memory 25.
  • a generator function for supplying consumers is implemented.
  • the second knitting unit is equipped with an output shaft of a motor vehicle, e.g. a gearbox input shaft can be fixed in a rotationally fixed manner.
  • a motor vehicle e.g. a gearbox input shaft
  • the electrical machine formed from the first and second active unit can act as an electromagnetic starting and / or clutch for a motor vehicle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten eines ungleichförmig drehenden Aggregats (1, 2, 16), insbesondere eines Verbrennungsmotors (1), gebildet durch eine elektrische Maschine (3, 15), die wenigstens zwei relativdrehbare Wirkeinheiten (4, 17; 5, 18) aufweist, von denen die erste mit dem ungleichförmig drehenden Aggregat (1, 2, 16) gekoppelt ist, und die zweite im wesentlichen frei drehbar ist, wobei die elektrische Maschine (3, 15) Relativdrehmomente zwischen den Wirkeinheiten (4, 17; 5, 18) erzeugt, die den Drehungleichförmigkeiten entgegenwirken, und hierbei die Abstützung gegen die im wesentlichen frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit (5, 18) erfolgt, wobei die Erzeugung der Relativdrehmomente auf aktive Weise erfolgt, so dass die auf die frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit (5, 18) im Falle einer Drehungleichförmigkeit übertragenen Drehimpulse grösser sind, als diejenigen Drehimpulse, die bei einer blossen Ankopplung der zweiten Wirkeinheit (5, 18) an die erste Wirkeinheit (4, 17) übertragen würden. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren.

Description

Vorrichtung zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten und Verfahren hierzu
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten.
Drehungleichförmigkeiten können z.B. bei einem Verbrennungsmotor von den im Motor wirkenden Gas- und Massenkräften herrühren. Diese führen beispielsweise beim Einsatz des Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug-Antriebssystem zu hoher Lärmbelastung und hohem Verschleiß. Außerdem verringern sie den Fahrkomfort.
Die verbreitetste herkömmliche Maßnahme hat eine passive Dämpfung der Drehungsgleichförmigkeiten zum Ziel. Sie besteht darin, mit Hilfe eines Schwungrades das Trägheitsmoment des rotierenden Teils des Motors zu erhöhen.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der deutschen Patentschrift 325 363 bekannt. Bei ihr ist die Schwungmasse jedoch nicht - wie üblich - drehstarr mit der zu dämpfenden Welle gekoppelt. Vielmehr sind Welle und Schwungmasse weich durch elektromagnetische Kräfte gekoppelt. Und zwar sind drehfest auf der Welle Gleichstrommagnete angeordnet, die in der als Ringkörper ausgebildeten Schwungmasse nach Art einer Asynchronmaschine Spannungen induzieren, wenn die Drehgeschwindigkeit von Welle und Schwungmasse verschieden sind. Die durch die Induktion hervorgerufenen Magnetkräfte trachten danach, diese Relativ-Drehgeschwindigkeit zum Verschwinden zu bringen, koppeln also im Endeffekt die Schwungmasse an die Welle wie bei einem drehfest gekoppelten Schwungrad.
Eine Vorrichtung zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten zeigt zum Beispiel die DE 44 23 577 AI. Eine erste Wirkein- heit einer elektrischen Maschine - dort einer Sektormaschine - ist mit einer Welle eines Verbrennungsmotors, und eine zweite Wirkeinheit stützt sich drehtest z.B. gegen ein Gehäuse des Verbrennungs- otors ab. Die Wirkung dieser Vorrichtung beruht darauf, daß die elektrische Maschine ein wechselndes Drehmoment auf die Welle aufbringt, welches den die Drehungleichförmigkeiten verursachenden Drehmomenten entgegengerichtet ist und diese dadurch verringert. Das Motorgehäuse nimmt die Reaktionsdrehmomente auf.
Entsprechendes ist aus weiteren Veröffentlichungen bekannt. So schlägt die EP 0 427 568 Bl vor, positiven Drehungleichförmigkeiten (d.h. über dem Drehzahlmittel liegendem Drehzuständen) mit einer mit der Welle eines Verbrennungsmotors verbundenen elektrischen Maschine entgegenzuwirken und die dabei gewonnnene elektrische Energie in einem Kondensator und einer Batterie zu speichern. DE-A-32 30 607 offenbart ein System, bei dem positiven und negativen Drehungleichförmigkeiten mit einer elektrischen Maschine entgegengewirkt wird, wobei die bei positiver Drehungleichför- migkeit gewonnene Energie jeweils in einer Batterie zwischengespeichert und dann zum Entgegenwirken der negativen Drehungleichförmigkeit verwendet wird. Patent Abstracts of Japan, Band 7, (M-251) , 23. Januar 1982 & JP-58 126 434 (NISSAN) offen- bart ein System zur aktiven Schwingungsdämpfung, bei dem die jeweils gewonnene Energie in einem Kondensator zwischengespeichert und dann wieder entnommen wird.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine völlig neuartige Vorrichtung zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten eines ungleichförmig drehenden Aggregats, insbesondere eines Verbrennungsmotors, zur Verfügung zu stellen. Hierzu gehört auch die Bereitstellung eines entsprechenden Verfahrens. Sie erreicht dieses Ziel gemäß Anspruch 1, durch eine elektrische Maschine, die wenigstens zwei relativ- drehbare Wirkeinheiten aufweist, von denen die erste mit dem ungleichförmig drehenden Aggregat gekoppelt ist, und die zweite frei drehbar ist, und die Relativdrehmomente zwischen den Wirkeinheiten erzeugt, die den Drehungleichförmigkeiten entgegenwirken, wobei die Abstützung gegen die frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit erfolgt, wobei die Erzeugung der Relativdrehmomente auf aktive Weise erfolgt, so daß die auf die frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit im Falle einer Drehungsgleich- förmigkeit übertragenen Drehimpulse größer sind, als diejenigen Drehimpulse, die bei einer bloßen Ankopplung der zweiten Wirkein- heit an die erste Wirkeinheit übertragen würden. (Genauer ist mit "träger Masse" die Trägheit der zweiten Wirkeinheit gegenüber Drehbewegungen gemeint, die auch Drehmasse oder Massenträgheits- oment genannt wird.)
Die Erfindung beruht auf einem anderen Funktionsprinzip als die eingangs erwähnte deutsche Patentschrift 325 363. Bei jener trachtet die "elektrische Maschine" nur in passiver Weise danach, eine Relativ-Drehgeschwindigkeit zwischen der Welle und der Schwungmasse zum Verschwinden zu bringen. Damit ist nur derjenige Dämpfungseffekt zu erzielen, der auch bei der drehfesten Kopplung der Schwungmasse erzielbar wäre. Bei der Erfindung wird die elektrische Maschine hingegen so gesteuert, daß sie in aktiver Weise Relativ-Drehgeschwindigkeiten zwischen Welle und Schwungmasse erzeugt oder vergrößert. Hierdurch kann die Schwungmasse der Welle praktisch beliebig große Drehmomente entziehen oder ihr aufprägen. Damit ist ein Dämpfungseffekt erzielbar, der weit über das bei drehfester Kopplung der Schwungmasse erzielbare hinausgeht und i.a. eine nahezu völlige Kompensation der Drehungleichförmigkeiten erlaubt.
Eine elektrische Maschine ist insbesondere eine Rotationsmaschine, die motorisch und generatorisch betreibbar ist. Es handelt sich beispielsweise um eine Stromwendermaschine ("Gleichstrommaschine") oder eine Drehfeldmaschine ("Drehstrommaschine") . Unter Drehfeldmaschine wird - im Gegensatz zu einer Stromwendermaschine - eine insbesondere kommutatorlose Maschine verstanden, in der ein magnetisches Drehfeld auftritt, das vorzugsweise 360° überstreicht. Die Maschine kann insbesondere als Asynchron-Maschi- ne oder als Synchron-Maschine ausgebildet sein. Die elektrische
Maschine weist - entsprechend dem Rotor und dem Stator einer herkömmlichen elektrischen Maschine - zwei Wirkeinheiten auf, die relativ zueinander drehbar sind. Zwischen den Wirkeinheiten wird durch eine entsprechende Variation des Drehfelds ein Relativdreh- moment erzeugt. Die hierfür notwendigen veränderlichen Ströme und Spannungen können z.B. mit Hilfe eines Wechselrichters erzeugt werden, der Generator- und Motorbetrieb herbeiführen kann. Die erste Wirkeinheit ist mit dem ungleichförmig drehenden Aggregat gekoppelt, genauer gesagt mit einer Welle (oder einem sonstigen drehenden Teil) , welche in ihrer Drehung die vom Aggregat hervorgerufene Drehungleichförmigkeit aufweist. Dabei kann es sich insbesondere um eine mit einem Antriebsmotor, z.B. einem Verbrennungsmotor direkt oder indirekt, etwa über Ritzel, Keilriemen, etc. gekoppelte Welle handeln. Im Verbrennungsmotor und damit auch in dem mit diesem gekoppelten Aggregat treten Drehungleichförmigkeiten aufgrund der wirkenden Gas- und Massenkräfte der einzelnen Hubkolben auf. Beispielsweise treten bei einem Vierzylinder-Viertaktmotor relativ große Drehungleichförmigkeiten in der zweiten Ordnung (d.h. dem zweifachen der Drehfrequenz des Motors) auf; entsprechend bei einem Sechszylinder-Viertaktmotor in der dritten Ordnung. Daneben gibt es Drehungleichförmigkeiten bei höheren Ordnungen sowie stochastisch auftretende Ungleichförmig- keiten. Auch bei einem Kreiskolbenmotor (z.B. einem Wankelmotor) führen zumindest die Gaskräfte zu Drehungleichförmigkeiten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aber nicht nur geeignet zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten, die von einem derarti- gen Antriebsmotor (z.B. eines Kraftfahrzeugs, Schienenfahrzeugs, Schiffes oder einer Werkzeugmaschine) herrühren; es kann sich vielmehr auch um solche handeln, die in einem Antriebsstrang - also zwischem dem Antriebsmotor und dem Abtriebspunkt - entstehen, etwa durch Kardangelenke, Torsionsschwingungen von Wellen oder Getriebeverschleiß. Auch Wellen (oder Drehteile) , die Drehungleichförmigkeiten aus solchen Quellen aufweisen, sollen hier unter den Begriff "Aggregat" fallen. Die Verringerung der Drehungleichförmigkeiten wird dadurch bewirkt, daß die elektrische Maschine auf das ungleichförmig drehende Aggregat ein variierendes Drehmo- ment aufbringt. Dieses entspricht im zeitlichen Verlauf im wesentlichen den zu den Drehungleichförmigkeiten führenden Drehmoment- schwankungen, ist ihnen aber entgegengerichtet.
Die zweite Wirkeinheit ist frei drehbar. Unter "frei drehbar" wird auch der Fall verstanden, bei dem die zweite Wirkeinheit so an die Außenwelt angekoppelt ist, daß sie noch im wesentlichen frei drehbar ist. Letztlich kommt es nur darauf an, daß - wie unten näher erläutert - die Abstützung gegen die träge Masse der zweiten Wirkeinheit erfolgt. Bei den eingangs erwähnten Vorrichtungen zur aktiven zur Drehungleichförmigkeitsverringerung ist dagegen die zweite Wirkeinheit - z.B. der Stator - drehtest; z.B. ist er mit dem Gehäuse des Antriebsmotors oder dem Fahrzeugschassis drehfest gekoppelt.
Bei der Erfindung erfolgt das Aufbringen von Drehmomenten auf das ungleichförmig drehende Aggregat unter Abstützung gegen die im wesentlichen frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit. Vorteilhaft ist es, wenn diese sich im gleichen Drehsinn wie das ungleichförmig drehende Aggregat dreht. Zum Abbremsen des Aggregats wird auf dieses ein Bremsmoment ausgeübt. Auf die zweite Wirkeinheit wirkt dabei ein entsprechendes Gegendrehmoment, das die zweite Wirkeinheit beschleunigt (actio = reactio) . Am Ende dieses Bremsvorgangs kann die zweite Wirkeinheit mit der trägen Masse schneller drehten als die erste Wirkeinheit mit dem Aggregat. Umgekehrt kann bei einem Beschleunigungsvorgang am Ende die zweite Wirkeinheit mit der trägen Masse langsamer drehen als die erste Wirkeinheit mit dem Aggregat. Die beim Abbremsen des Aggregats anfallende Energie wird somit in Form von kinetischer Energie in der zweiten Wirkeinheit gespeichert. Umgekehrt wird beim Beschleunigen des Aggregats die zweite Wirkeinheit abgebremst. Die zum Beschleunigen des Aggregats benötigte Energie wird dabei der kinetischen Energie der zweiten Wirkeinheit entnommen. Die träge Masse der zweiten Wirkeinheit speichert also die Drehungleichför- migkeitsenergie in Form kinetischer Energie.
Demgegenüber wird bei herkömmlichen aktiven Vorrichtungen zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten die beim Bremsen des Aggregats anfallende Energie in Form von elektrischer Energie (z.B. in einem Kondensator oder einer Batterie) gespeichert; und die zum
Beschleunigen notwendige Energie wird dem elektrischen Energie- speicher entnommen. Bei der Umwandlung der mechanischen in die elektrische Energie und zurück und beim Energietransport treten aber zum Teil erhebliche Verluste auf. Diese werden bei der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung durch die zumindest teilweise direkte Speicherung der Energien in Form kinetischer Energie vermieden bzw. erheblich reduziert, denn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat die elektrische Maschine die Funktion einer steuerbaren Kupplung zwischen zwei Drehteilen, und damit im wesentlichen nicht die Funktion einer Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer in elektrische Energie. Die erfindungsgemäße Vorrichtung führt damit - z.B. beim Einsatz in einem Fahrzeug-Antriebssystem - zu: geringer Lärmbelastung; - geringem Verschleiß; und gleichzeitig geringem Energieverbrauch.
Vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welcher die elektrische Maschine alternierend bremsende und antreibende Rela- tivdrehmomente zum Verringern entsprechend alternierender Drehungleichförmigkeiten erzeugt wie sie i.a. bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren auftreten (Anspruch 2) . Auf die frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit wirkt dann alternierend ein bremsendes und ein antreibendes Drehmoment. Vorteilhaft wird die elek- trische Maschine so gesteuert, daß die alternierenden Relativdrehmomente im wesentlichen gegenphasig zu den die Drehungleichförmigkeiten hervorrufenden Momenten des Aggregats sind. Die Winkelgeschwindigkeit der zweiten Wirkeinheit bleibt, gemittelt über die Drehungleichförmigkeiten konstant bzw. ändert sich nur langsam.
Besonders vorteilhaft ist für die Speicherung und Abgabe der Energie zusätzlich zu dem kinetischen Energiespeicher ein Speicher für elektrische Energie vorgesehen (Anspruch 3) . Zum Beispiel ist es dann möglich, ein Relativdrehmoment zu erzeugen, bei dem beide Wirkeinheiten gleichzeitig beschleunigt bzw. gebremst werden; die hierzu nötige Energie wird dem Energiespeicher entnommen bzw. die dabei anfallende Energie im Energiespeicher gespeichert. Allgemeiner ermöglicht der elektrische Energiespeicher, dem System der beiden relativdrehbaren Teile Energie zuzuführen oder zu entnehmen.
Zusätzlich kann eine Einrichtung vorgesehen sein, welche die zweite Wirkeinheit der elektrischen Maschine mit einem Drehmoment beaufschlagt (Anspruch 4) . Die Einrichtung kann eine mechanische Bremse und/oder ein mechanischer Antrieb sein. Besonders vorteilhaft ist die Einrichtung einer dritten elektromagnetischen Wirkeinheit, die zusammen mit der zweiten Wirkeinheit oder einem mit ihr gekoppelten Drehteil funktionell eine zweite elektrische Maschine bildet, die z.B. durch magnetische Wanderfelder antreibende und/oder bremsende Drehmomente erzeugen kann. Räumlich kann die zweite Maschine als Sektormaschine ausgebildet sein oder sich um den ganzen Umfang erstrecken. Vorteilhaft ist die Einrichtung drehfest angeordnet.
Das auf die zweite Wirkeinheit wirkende Gesamtdrehmoment ergibt sich dann aus der Summe aus dem von der Einrichtung aufgebrachten Drehmoment und dem zwischen der ersten und der zweiten Wirkeinheit erzeugten Relativdrehmoment. Die zweite Wirkeinheit kann dann - unabhängig von der Drehungleichförmigkeitsverringerung - beliebig beschleunigt und abgebremst werden und z.B. in einen zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten günstigen Drehzahlbreich gebracht bzw. in diesem günstigen Drehzahlbereich gehalten werden. Günstig ist vor allem ein Betriebszustand, bei dem die Drehimpulse der beiden relativdrehenden Teile des Drehsystems (d.h. der Welle des Aggregats mit der ersten Wirkeinheit und die zweite Wirkeinheit mit ihrer trägen Masse) im wesentlichen gleich sind. Bei gleichen Trägheitsmomenten bedeutet dies gleiche Drehzahlen, bei unterschiedlichen Trägheitsmomenten entspricht das Drehzahlverhältnis dem inversen Trägheitsmomentverhältnis.
Vorteilhaft beaufschlagt die Einrichtung die zweite Wirkeinheit mit einem bremsenden, langsam veränderlichen Drehmoment, um als Generator zur Verorgung von Verbrauchern zu fungieren.
Vorteilhaft ist die zweite Wirkeinheit zudem fixierbar (Anspruch 6) . Die zweite Wirkeinheit kann z.B. an dem ungleichförmig drehenden Aggregat, z.B. einer Abtriebswelle des Antriebssystems, fi- xierbar sein. Die elektrische Maschine fungiert dann als elektromagnetische Kupplung. Die zweite Wirkeinheit kann auch gegen Drehung fixierbar sein, z.B. durch Kupplung an das drehfeste Motorgehäuse (Anspruch 7) . Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dann außer ihrer erfindungsgemäßen Funktion der Verringerung von Drehungleichförmigkeiten vorteilhaft auch als Starter für den Verbrennungsmotor dienen. Die zum Starten notwendigen hohen Drehmomente würden nämlich bei unfixierter zweiter Wirkeinheit zu einer hohen Drehzahlzunahme der zweiten Wirkeinheit führen. Außerdem kann die Vorrichtung dann sinnvoll als zusätzlicher Antrieb und/oder Bremse dienen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Vorrichtung im mit der Abtriebswelle fixierten Zustand der zweiten Wirkeinheit (5, 18) als Anfahr- und/oder Schaltkupplung für ein Fahrzeug wirkt.
Die Erfindung ist gemäß Anspruch 9 auch auf ein Verfahren zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten gerichtet. Bezüglich der Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile des Verfahrens wird auf die vorstehenden und folgenden Ausführungen und die Patentansprüche 1-8 verwiesen.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Vorrichtung zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten in einem Fahrzeug-Antriebssystem; Fig. 2 und 3 schematische beispielhafte Darstellungen der Funk- tionsweise der Vorrichtung (wobei in Fig. 3 die
Fig. 3a die Funktionsweise des Standes der Technik illustriert, und sich die Fig. 3b auf die Erfindung bezieht) ;
Fig. 4 eine Schemadarstellung eines zweiten Ausführungs- beispiels einer Vorrichtung zur Verringerung von
Drehungleichförmigkeiten und einer Welle;
Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine.
Ein sich gem. Fig. 1 gegen ein Fahrzeugchassis 11 abstützender Verbrennungsmotor 1 eines Fahrzeug-Antriebssystems bringt auf eine Welle 2 ein Drehmoment Mv gem. Fig. 2 auf. Bei diesem ist aufgrund der im Verbrennungsmotor 1 wirkenden Gas- und Massenkräfte einem - gewünschten - Gleichdrehmoment Mvgleich ein - unerwünschtes - Wechseldrehmoment Mvwechs überlagert. Das Drehmoment Mv alleine würde deshalb bei einem konstanten Lastdrehmoment zu hohen DrehzahlSchwankungen der Welle 2 führen. Gem. Fig. 1 ist die Welle 2 gegenüber dem Fahrzeugchassis 11 mit Lagern 12, 13 drehbar gelagert. Auf ihr sitzt konzentrisch eine elektrische Maschine 3. Ein erste Wirkeinheit 4 der elektrischen Maschine 3 sitzt direkt auf der Welle 2 und ist mit dieser dreh- fest verbunden. Eine zweite Wirkeinheit 5 ist mit einem Lager 6 gegenüber dem Fahrzeugchassis 11 - und damit auch gegenüber dem Verbrennungsmotor 1 - drehbar gelagert. Die erste Wirkeinheit 4 entspricht baulich einem Läufer, und die zweite Wirkeinheit 5 einem - allerdings drehbar gelagerten - Ständer einer herkömm- liehen Asynchron-Drehstrommaschine. Die (nicht dargestellten) Wicklungen der zweiten Wirkeinheit 5 werden von einem mit einem elektrischen Energiespeicher 8 (z.B. einem Kondensator oder einer Batterie) verbundenen Wechselrichter 7 mit elektrischen Strömen und Spannungen praktisch frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz versorgt. Der Wechselrichter 7 und die Wicklungen sind z.B. über Schleifringe (nicht dargestellt) gekoppelt.
Der Wechselrichter 7 ist z.B. ein Gleichspannungs-Zwischenkreis- Wechselrichter, welcher aus einer konstantgehaltenen Zwischen- kreis-Gleichspannung mit Hilfe von elektronischen Schaltern (z.B. Feldeffekttransistoren oder IGBT's) breitenmodulierte Pulse herausschneidet, die - gemittelt durch die Induktivität der elektrischen Maschine 3 - zu nahezu sinusförmigen Strömen der gewünschten Frequenz, Amplitude und Phase führen. Diese rufen elek- tromagnetische Felder hervor, durch welche die erste Wirkeinheit 4 (und damit auch die Welle 2) und die zweite Wirkeinheit 5 mit einem entgegengesetzt-betragsgleichen Drehmoment beaufschlagt werden. Ein Steuergerät 9 steuert den Wechselrichter 7 und damit auch die elektrische Maschine 3.
Vor der Drehungleichförmigkeitsverringerung wird die zweite Wirkeinheit 5 derart mit einem Drehmoment beaufschlagt, daß sich die zweite Wirkeinheit 5 und die Welle 2 im gleichen Drehsinn, und insbesondere mit im wesentlichen gleichem Drehimpuls, drehen.
Wenn sich die Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 und damit der Welle 2 ändert, z.B. durch Öffnen der (nicht gezeigten) Drosselklappe, wird die zweite Wirkeinheit 5 entsprechend nachgeführt, so daß die o.g. Bedingung gleichen Drehimpulses permanent aufrechterhalten wird.
Ein Drehwinkelgeber 10 mißt den momentanen Drehwinkel der Welle 2. Aus diesem leitet das Steuergerät 9 das auf die Welle 2 wirkende Drehmoment ab. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen wird das momentane Drehmoment direkt gemessen, z.B. mit Hilfe eines an der Welle plazierten Drehmomentsensors , dessen Funktionsweise z.B. auf einer Messung der Torsion der Welle 2 beruht. Das Steuergerät 9 veranlaßt die erste Wirkeinheit 4 gem. Fig. 2 ein dem Wechseldrehmoment Mvwechs entgegengerichtetes, alternierend beschleunigend und bremsend wirkendes Drehmoment Me auf die Welle 2 aufzubringen. Auf diese wirkt dann das in Fig. 2 gestrichelt dargestellte Gesamtdrehmoment Mges. Bei konstantem Lastdrehmoment bleibt die Drehzahl der Welle 2 dann im wesentlichen konstant. Die verbleibenden geringfügigen Drehzahlschwankungen rühren z.B. von unvermeidliche Regel- und Meßungenauigkeiten her.
Beim Beaufschlagen der ersten Wirkeinheit 4 mit dem Drehmoment Me wirkt auf die zweite Wirkeinheit 5 ein entgegengesetzt-betrags- gleiches Gegendrehmoment -Me. Wirkt das Drehmoment Me beschleunigend auf die erste Wirkeinheit 4 und die Welle 2, wirkt das Gegendrehmoment -Me bremsend auf die zweite Wirkeinheit 5. Aufgrund deren drehbaren Lagerung wird deren Drehzahl verringert. Die für die beschleunigende Wirkung der ersten Wirkeinheit 4 notwendige Energie wird also der Drehenergie der zweiten Wirkeinheit 5 entnommen.
Wirkt umgekehrt das Drehmoment Me bremsend auf die erste Wirkein- heit 4 und die Welle 2, wirkt das Gegendrehmoment -Me beschleunigend auf die zweite Wirkeinheit 5. Aufgrund deren drehbaren Lagerung wird deren Drehzahl erhöht. Die bei der bremsenden Wirkung der ersten Wirkeinheit 4 anfallende Energie wird also in der Drehenergie der zweiten Wirkeinheit 5 gespeichert. Die elektrische Maschine 3 wirkt also nach Art einer steuerbaren Kupplung, um kinetische Energie in den Energiespeicher zu bringen bzw. aus ihm zu holen. Dagegen wird bei herkömmlichen aktiven Vorrichtungen zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten die beim Bremsen eines ungleichmäßig drehenden Aggregats, z.B. einer Welle anfallende Energie in einem elektrischen Energiespeicher gespeichert, und die beim beschleunigen der Welle notwendige Energie dem elektrischen Energiespeicher entnommen. Bei der Transport der zweimaligen Umwandlung und dem Transport der Energie treten hohe Verluste auf , da die erforderlichen hohen Momente insbesondere bei höheren Drehzahlen das Schalten hoher elektrischer Leistungen verursachen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dagegen lediglich die zur gleichzeitigen Erfüllung von Drehimpuls- und Drehenergieerhal- tungssätzen fehlende bzw. überschüssige Energie dem elektrischen Energiespeicher 8 entnommen bzw. in diesem gespeichert. Da dies inbesondere bei Erfüllung der o.g. Drehimpulsgleichheit nur ein sehr geringer Anteil der Gesamtspeicherenergie ist, sind hier die Verluste sehr gering.
In Fig. 3a und b sind die Funktionsweisen der Vorrichtungen gemäß der deutschen Patentschrift 325 363 und der Erfindung veranschaulicht. Aufgetragen, als Funktion der Zeit t, ist die Drehgeschwin- digkeit ψ folgender Teile:
i) Drehgeschwindigkeit der Welle, welche diese ohne jede Ankopplung an die Schwungmasse hätte (mit gestrichelter Linie) ; ii) Drehgeschwindigkeit der Welle, welche diese tatsächlich aufgrund der Übernahme von Drehmoment durch die Schwungmasse hat (mit durch- gezogener Linie) ; und iii) Drehgeschwindigkeit der Schwungmasse (mit strichpunktierter Linie.
Bei Fig. 3a (Stand der Technik) wurden zwecks Vereinfachung tat- sächlich auftretende Phasenverschiebungen zwischen den drei Kurven nicht dargestellt. Die Drehgeschwindigkeit der Schwungmasse (Kurve iii) liegt bei einer Erhöhung oder Erniedrigung der Wellen-Drehgeschwindigkeit (Kurve ii) immer unterhalb bzw. oberhalb dieser. Bei einer drehfesten Ankopplung der Schwungmasse an die Welle würden die Kurven ii) und iii) zusammenfallen.
Ganz anders ist die Funktionsweise der Erfindung gemäß Fig. 3b: Hier wird ein wesentlich größerer Dämpfungseffekt erzielt, nämlich eine fast völlige Kompensation der Drehungleichförmigkeit . Dies beruht darauf, daß die Schwungmasse (d.h. die zweite Wirkeinheit 5) in aktiver Weise gegenüber der Welle 2 bescheunigt bzw. gebremst wird und so größere bzw. kleinere Drehgeschwindigkeiten erzielt und damit größere Drehmomentbeträge aufnimmt bzw. abgibt. (Es ist sogar möglich, mit der Schwungmasse 5 größere bzw. kleinere Drehgeschwindigkeiten als die Welle zu erzielen, die diese im ungedämpften Fall hätte, wie dies in Fig. 3b beispielhaft dargestellt ist.)
Wird eine Kupplung 14 geschlossen, stützt sich die zweite Wirkeinheit 5 gegenüber dem Fahrzeuchassis 11 ab und ist dann gegenüber dem Verbrennungsmotor 1 drehfest. Die elektrische Maschine 3 kann dann z.B. wie eine herkömmliche Vorrichtung zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten, als Starter für den Verbrennungsmotor 1, als Antriebs- oder Bremsaggregat zum Beschleunigen oder Bremsen der Welle 2 und/oder als Lichtmaschine zur Versorgung (nicht dargestellter) elektrischer Verbraucher betrieben werden.
Gem. Fig. 4 sitzt eine elektrische Maschine 15 konzentrisch auf einer ungleichförmig drehenden Welle 16. Eine erste WirKeinheit 17 der elektrischen Maschine 15 sitzt direkt auf der Welle 16 und ist mit dieser drehtest verbunden. Eine zweite Wirkeinheit 18 ist mit einem Lager 21 drehbar gelagert. Ebenso ist die Welle 16 - und damit auch die erste Wirkeinheit 17 - mit einem Lager 20 drehbar gelagert. Eine dritte Wirkeinheit 19 ist über eine Verbindung 22 mit den Lagern 20, 21 und damit dem Chassis drehfest verbunden.
Gem. Fig. 5 entspricht die dritte Wirkeinheit 19 baulich dem kreissektorförmig gestreckten Ständerkörper einer Sektormaschine. Die mit dem Lager 21 drehbar gelagerte zweite Wirkeinheit 18 ist aus einem Innenteil 23 und einem Außenteil 24 zusammengesetzt. Das Außenteil 24 entspricht baulich (einem hier hohlen) Läuferkörper einer Sektormaschine, und das Innenteil 23 einem Ständerkörper einer Asynchron-Drehstrommaschine. Die erste Wirkeinheit 17 entspricht baulich einem Läuferkörper einer Asynchron-Drehstrommaschine.
Gem. Fig. 4 werden die (nicht dargestellten) Wicklungen der dritten Wirkeinheit 19 und des Innenteils 23 der zweiten Wirkeinheit 18 von einem mit einem Energiespeicher 25 verbundenen Wechselrichter 26 mit elektrischen Strömen und Spannungen praktisch frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz versorgt. Der Wechsel- richter 26 und die Wicklungen des Innenteils 23 sind über Schleifringe (nicht dargestellt) gekoppelt. Der Wechselrichter 26 kann funktioneil z.B. aus zwei unabhängigen oder einem umschaltbaren Wechselrichter bestehen.
Das Außenteil 24 der zweiten Wirkeinheit 18 und die dritte Wirkeinheit 19 bilden funktionell eine Sektormaschine mit der dritten Wirkeinheit 19 als Ständerkörper. Das Innenteil 23 der zweiten Wirkeinheit 18 und die erste Wirkeinheit 17 bilden funktioneil eine Drehstrom-Asynchronmaschine mit dem Innenteil 23 der zweiten Wirkeinheit 18 als drehbarem Ständerkörper. Die vom Wechselrichter
26 gelieferten Ströme erzeugen elektromagnetische Felder, durch welche jeweils zwischen zweiter und dritter Wirkeinheit 18, 19 bzw. erster und zweiter Wirkeinheit 17, 18 Relativdrehmomente erzeugt werden.
Der Wechselrichter 26 - und damit auch die erzeugten Drehmomente - wird von einem Steuergerät 27 gesteuert.
Vor der Drehungleichförmigkeitsverringerung wird die zweite Wirk- einheit 18 derart mit einem Drehmoment beaufschlagt, daß sich die zweite Wirkeinheit 18 und die Welle 16 im gleichen Drehsinn drehen, z.B. durch Erzeugen eines Relativdrehmoments zwischen zweiter und dritter Wirkeinheit 18 , 19.
Ein Drehwinkelgeber 28 mißt den momentanen Drehwinkel der Welle 16. Aus diesem leitet das Steuergerät 27 das auf die Welle 16 wirkende Drehmoment ab und veranlaßt entsprechend den Ausführungen zu Fig. 1 bis 3 durch Erzeugen eines Relativdrehmoments zwischen erster und zweiter Wirkeinheit 17, 18 die erste Wirkeinheit 17, ein Drehmoment auf die Welle 16 aufzubringen, welches den die Drehungleichförmigkeiten verusachenden Momentschankungen entgegenwirkt .
Das auf die zweite Wirkeinheit 18 wirkende Gesamtdrehmoment ergibt sich aus der Summe des zwischen zweiter und dritter Wirkeinheit 18, 19, und des zwischen erster und zweiter Wirkeinheit 17, 18 erzeugten Relativdrehmoments. Die zweite Wirkeinheit 18 und die erste Wirkeinheit 17 können somit unabhängig voneinander beliebig beschleunigt und abgebremst werden. Somit kann die zweite Wirkeinheit 18 gemäß der o.g. Bedingung gleiche Drehimpulse mit der ersten Wirkeinheit 17 mitgeführt werden. Die bei Drehzahlverringerung durch generatorische Bremswirkung der Sektormaschine gewonnene Energie kann im Energiespeicher 25 gespeichert und für spätere Drehzahlvergrößerungen - bei denen die Sektormaschine als antreibender Motor wirkt - wiederverwendet werden. Abgesehen von geringfügigen Verlusten benötigt daher die Mitführung der zweiten Wirkeinheit 18 zwecks Drehimpulsanpassung im Mittel keine Energie.
Mit Hilfe der dritten Wirkeinheit 19 kann zusätzlich ein konstantes bremsendes Moment auf die zweite Wirkeinheit 18 aufgebracht werden. Die durch die dritte Wirkeinheit 19 und das Außenteil 24 der zweiten Wirkeinheit 18 gebildete elektrische Maschine kann so (im wesentlichen konstante) elektrische Enrgie liefern und z.B. im Speicher 25 speichern. Hierdurch wird eine Generatorfunktion zur Versorgung von Verbrauchern realisiert.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Wirkeinheit mit einer Abtriebswelle eines Kraftfahrzeugs, z.B. einer Getriebeeingangswelle drehfest fixierbar. Im fixierten
Zustand dreht die erste Wirkeinheit mit dem Antriebsmotor, die zweite Wirkeinheit mit der zum Getriebe führenden Welle. Im fixierten Zustand kann die aus erster und zweiter Wirkeinheit gebildete elektrische Maschine als elektromagnetische Anfahr- und/oder Schaltkupplung für ein Kraftfahrzeug wirken.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten eines ungleichförmig drehenden Aggregats (1, 2, 16), insbesondere eines Verbrennungsmotors (1) , gebildet durch eine elektrische Maschine (3, 15), die wenigstens zwei relativdrehbare Wirkeinheiten (4, 17; 5, 18) aufweist, von denen die erste mit dem ungleichförmig drehenden Aggregat (1, 2, 16) gekoppelt ist, und die zweite frei drehbar ist, wobei die elektrische Maschine (3, 15) Relativdrehmomente zwischen den Wirkeinheiten (4, 17; 5, 18) erzeugt, die den Drehungleichförmigkeiten entgegenwirken, und hierbei die Abstützung gegen die frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit (5, 18) erfolgt, wobei die Erzeugung der Relativdrehmomente auf aktive Weise erfolgt, so daß die auf die frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit (5, 18) im Falle einer Drehungleichförmigkeit übertragenen Drehimpulse größer sind, als diejenigen Drehimpulse, die bei einer bloßen
Ankopplung der zweiten Wirkeinheit (5, 18) an die erste Wirkeinheit (4, 17) übertragen würden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die elektrische Maschine (3, 15) alternierend bremsende und antreibende
Relativdrehmomente zum Verringern entsprechend alternierender Drehungleichförmigkeiten erzeugt.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher für die Speicherung und Abgabe der bei der Drehungleich- förmigkeitsverringerung anfallenden Energie, zusätzlich zu dem durch die frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit (5, 18) gebildeten Energiespeicher ein Speicher (8, 25) für elektrische Energie vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher eine Einrichtung (19) zum Beaufschlagen der zweiten Wirkeinheit (5, 18) der elektrischen Maschine (3, 15) mit einem Drehmoment vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Einrichtung (19) die zweite Wirkeinheit (5, 18) mit einem bremsenden, langsam veränderlichen Drehmoment beaufschlagt, um als Generator zur Verorgung von Verbrauchern zu fungieren.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die zweite Wirkeinheit (5, 18) fixierbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die zweite Wirkein- heit (5, 18) an einer Abtriebswelle fixierbar ist oder gegen
Drehung fixierbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, welche im mit der Abtriebswelle fixierten Zustand der zweiten Wirkeinheit (5, 18) als Anfahr- und/oder Schaltkupplung für ein Fahrzeug wirkt.
9. Verfahren zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten eines ungleichförmig drehenden Aggregats (1, 2, 16), insbesondere eines Verbrennungsmotors (1) , - bei dem eine elektrische Maschine (3, 15) verwendet wird, die wenigstens zwei relativdrehbare Wirkeinheiten (4, 17; 5, 18) aufweist, von denen die erste mit dem ungleichförmig drehenden Aggregat (1, 2, 16) gekoppelt ist, und die zweite frei drehbar ist; - die elektrische Maschine (3, 15) Relativdrehmomente zwischen den Wirkeinheiten (4, 17; 5, 18) erzeugt, die den Drehungleichförmigkeiten entgegenwirken; und hierbei die Abstützung gegen die frei drehbare Masse der zweiten Wirkeinheit (5, 18) erfolgt, wobei die Erzeugung der Relativdrehmomente auf aktive Weise erfolgt, so daß die auf die frei drehbare träge Masse der zweiten Wirkeinheit (5, 18) im Falle einer Drehungleichför- migkeit übertragenen Drehimpulse größer sind, als diejenigen Drehimpulse, die bei einer bloßen Ankopplung der zweiten Wirkeinheit (5, 18) an die erste Wirkeinheit (4, 17) übertragen würden.
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