EP3729617A1 - Electromechanical system and superimposed gearing for transferring rotational energy - Google Patents

Electromechanical system and superimposed gearing for transferring rotational energy

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EP3729617A1
EP3729617A1 EP18826686.0A EP18826686A EP3729617A1 EP 3729617 A1 EP3729617 A1 EP 3729617A1 EP 18826686 A EP18826686 A EP 18826686A EP 3729617 A1 EP3729617 A1 EP 3729617A1
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EP
European Patent Office
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gear
machine
planetary gear
torque
synchronous machine
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Application number
EP18826686.0A
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German (de)
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Jörg RECKTENWALD
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Powertrans SA
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Powertrans SA
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an electromechanical system for particular variable-speed transmission of rotational energy, torque and power and a superposition gear for such a system according to the independent claims.
  • the system described has a plurality of energy conversion machines coupled to a powertrain. The single ones
  • Energy conversion machines can be operated by a motor or by a generator, with the speeds of the input or output shafts to which the individual machines are coupled varying.
  • the electromechanical system has a powertrain including at least first, second, and third powertrain-coupled power conversion machines and a superposition gear having a planetary gear whose sun gear is coupled to the first engine through a first shaft for transmitting torque and the planetary gear at least one planetary gear is coupled via a second shaft for transmitting a torque to the second machine, wherein the third machine is designed as a three-phase synchronous machine and a ring gear of the
  • Planetary gear forms a rotor of the three-phase synchronous machine.
  • Such an electromechanical system which uses a three-phase synchronous machine in a differential gear for wind turbines, is known from AT 507 395 A2.
  • a planetary gear has a centrally disposed, connected to a central shaft, externally toothed sun gear, at least one meshing with the sun gear and a planetary with the at least one planet in engagement befindliches Ring gear, opposite which the at least one planetary gear performs a relative movement.
  • DE 103 14 757 B3 describes a drive train for transmitting a variable power with variable input speed and a substantially constant output speed. It is provided as a planetary gear superposition gear is coupled to a hydrodynamic torque converter to convert the varying speed of the rotor in a constant speed of the drive shaft of a synchronous generator.
  • the superposition gear is arranged in the drive train of the wind turbine between the main gear and synchronous generator.
  • the output shaft of the wind rotor is connected to the planetary gears, the sun gear via the impeller of the torque converter to the generator shaft and the ring gear to the turbine of the torque converter.
  • the braking effect of the torque converter is changed by means of specifically adjustable guide vanes.
  • the invention has for its object to provide a system that has a relatively simple structure is robust and Dynamic loads of the drive train minimized.
  • the system should also be suitable for advantageous use in different technical fields, in particular to enable both an effective regenerative and motor operation.
  • the supply of electrical energy in a power grid should be possible as effectively and largely without the use of complex electronics and other control technologies.
  • the invention relates to an electromechanical system for the transmission of rotational energy, torque and power in a drive train having at least a first, a second and a third coupled to the drive train engine for energy conversion and with a planetary gear superposition gear, with the three machines in Active compound is.
  • the sun gear of the planetary gear is coupled via a first shaft for transmitting a torque to the first machine and at least one planetary gear via a second shaft for transmitting a torque to the second machine.
  • the third machine is designed as a three-phase synchronous machine.
  • a ring gear of the planetary gear forms a rotor of the three-phase synchronous machine, which is referred to in the following description for better readability as a synchronous machine.
  • the invention is characterized in that the ring gear with a housing the planetary gear is connected, and that arranged on the ring gear and / or on the housing of the planetary gear permanent magnets for exciting the three-phase synchronous machine, in particular fixed, are.
  • the synchronous machine is operated as a function of the respective operating state by motor or generator, so that a braking torque or an acceleration torque is introduced into the ring gear of the planetary gear as needed.
  • the suitable control of the synchronous machine takes place in an advantageous manner with the aid of drive electronics, which generates a control signal on the basis of the respective operating situation, thus taking into account in particular the rotational speeds of the sun gear and / or the at least one planetary gear or the shafts coupled to these gear wheels. For example, if the rotational speed of the shaft on the main drive side of the planetary gear is too low with respect to the required on the main output side speed, the synchronous machine can initiate a suitable acceleration torque in the ring gear.
  • the ring gear is fixed by the synchronous machine in position or even that the ring gear is rotated in the reverse direction.
  • the planetary gear in one or more stages.
  • the planetary gear can be coupled to another gear, such as a main drive gearbox of a wind turbine or a transmission gearbox of a work or machine tool.
  • the third machine is designed as a permanent magnet synchronous machine and the rotatably mounted ring gear of the planetary gear is in operative connection with the permanent magnet for exciting the synchronous machine.
  • the permanent magnet synchronous machine is preferably a higher-pole synchronous machine which has more than two, in particular four, poles.
  • the ring gear itself forms the rotor of the synchronous machine and the permanent magnets are arranged directly on the ring gear, in particular fixed.
  • the ring gear is connected to the housing of the planetary gear and the permanent magnets arranged on the ring gear and / or the housing, in particular are fixed.
  • the synchronous machine is controlled by a drive electronics for controlling the energy conversion realized in the synchronous machine.
  • energy conversion is understood to be, above all, the conversion of electrical energy into rotational energy in motor operation and of rotational energy into electrical energy in regenerative operation.
  • a drive electronics is provided, which is designed such that the energy conversion takes place in the synchronous machine at least temporarily as a function of the energy converted by the first and / or second machine or the respective output or recorded by these power.
  • the machines are operated either as a generator or as a motor.
  • the superposition gearing designed according to the invention as a planetary gearing is connected to a main drive shaft and a main drive shaft of a drive train, wherein the main drive shaft or the main output shaft is connected either to the central shaft connected to the sun gear or to the at least one planetary gear via the web Stegwelle acts.
  • a motor or generator via a drive shaft or in generator mode via an output shaft is directly or indirectly connected to the sun gear.
  • the at least one planetary gear or preferably a plurality of planetary gears is or are connected to the web shaft, which directly forms the output shaft during engine operation or is connected to at least one further output stage.
  • the power flow rotates and the ridge wave is driven directly or indirectly and transmits torque, rotational energy and power to the at least one planetary gear.
  • the drive electronics is designed such that the synchronous machine is operated at least temporarily in 4-quadrant operation. Furthermore, it is provided in a particular embodiment of the invention that the drive electronics is designed such that an air gap torque of the synchronous machine is variable depending on the provided and removed from the first and / or second machine power. With the aid of an appropriately provided adjusting device, it is possible to selectively vary the magnetic flux between stator and rotor and the power consumption or power output of the rotor of the coupled to the ring gear of the planetary gear synchronous machine.
  • the planetary gear is arranged with at least one further transmission in a common oil chamber.
  • the further transmission is coupled to the planetary gear and disposed between the planetary gear and the first or the second machine, and these two gears are arranged in a common oil chamber, ie in a sealed housing to the outside oil-tight.
  • a particularly space-saving arrangement of planetary gear and at least one additional transmission possible, on the other hand, the number of in the overall system or overall drive train provided sealing surfaces and thus minimizes the number of seals and maintenance points.
  • the first or the second machine is designed as a three-phase asynchronous machine connected to a power supply. It is advantageous in this context, when the first or the second machine is connected to a power grid.
  • the three-phase asynchronous machine provided for this purpose can operate in both motor and generator mode.
  • a three-phase asynchronous generator converts the power output by a wind rotor or a wind turbine into electrical energy and feeds it into the connected power grid.
  • Essential for the drive train according to the invention is in this case that despite the speed changes on the drive side, so the side of the drive train on which the wind rotor is located, the output side, and thus on the generator side, located generator shaft rotates with an at least approximately constant speed.
  • the generator shaft must be synchronized with the mains frequency via the number of pole pairs.
  • the first machine is a three-phase asynchronous motor which drives a machine tool or a working machine, in particular in mining, via a drive train with the superposition gearbox designed according to the invention.
  • changes in load on the working machine side which are caused, for example, by changes in the loads on the tool, are initiated in a targeted manner via the superposition gear and in particular the ring gear in the synchronous machine coupled thereto.
  • a smooth and controlled start-up of a work machine can be realized by the output power in the drive train controlled by the movement of the ring gear driven synchronous machine, which then works as a generator, is converted into electrical energy at the start of the induction motor, which again in the connected network is delivered.
  • the individual components of the system such as motor, frequency converter and permanent-magnet synchronous machine, are designed to be explosion-proof or impact-resistant.
  • the first or the second machine as an internal combustion engine or turbomachine, for example as a gas turbine, is executed. It is essential in each case that via the first and / or the second machine, a torque or a power is coupled into the drive train or absorbed by the drive train.
  • a torque or a power is coupled into the drive train or absorbed by the drive train.
  • the electromechanical system according to the invention with superposition gearing for transmitting rotational energy, torque and power for a vehicle drive train, in particular the drive train of a vehicle with hybrid drive.
  • a motor in particular an internal combustion engine
  • the first machine wherein such an engine can generally be a diesel, petrol or gas engine.
  • a turbine for driving a vehicle.
  • the drive train of a vehicle is configured such that the internal combustion engine or the turbine preferably runs in an energy-optimal range, while the speed adjustment of the drive shaft of the vehicle is at least partially via the coupled to the ring gear of the planetary gear permanent magnet synchronous machine.
  • the vehicle advantageously located in the vehicle electrical energy storage by the synchronous machine whose rotor is formed by the ring gear of the planetary gear or connected to the ring gear planetary gear, charged.
  • the invention also relates to a superposition gear with a planetary gear and with means for the targeted distribution of an introduced into the planetary gear torque.
  • the planetary gear has a centrally located sun gear and at least one planetary gear meshing with the sun gear, of which the sun gear is connected to a first shaft for transmitting torque and the at least one planetary gear is connected to a second shaft for transmitting torque.
  • the planetary gear has a rotatably mounted ring gear, in which the means for the targeted division of the introduced into the planetary gear torque in response to a control signal, which is preferably generated due to a current operating situation of a drive electronics, a braking or acceleration force.
  • the means for the targeted distribution of an introduced into the planetary gear torque have a synchronous machine whose rotor is formed by the ring gear or a member connected to the ring gear.
  • the superposition gearing according to the invention is characterized in that the ring gear is connected to a housing of the planetary gearing, on which permanent magnets are arranged.
  • the synchronous machine is excited by permanent magnets which are indirectly or directly connected to the ring gear.
  • the ring gear may be connected to a housing of the planetary gear, are attached to the permanent magnets.
  • the permanent magnets can in this case on the Housing of the planetary gear and / or the outer wall of the ring gear to be placed or embedded therein.
  • the inventively designed electromechanical system for the transmission of rotational energy, torque and power and suitable for the realization of a variable speed drive train to be operated superposition gear is characterized in that the ring gear is connected to a housing of the planetary gear, and that on the ring gear and / or on the housing the planetary gear permanent magnets are arranged to excite the three-phase synchronous machine.
  • the ring gear and / or the housing of the planetary gear form the rotor of a synchronous machine.
  • it is a permanent magnet synchronous machine, wherein the permanent magnets are attached in particular to the ring gear and / or connected to the ring gear housing of the planetary gear.
  • powers are introduced or removed in the drive train as a function of different load cases by the synchronous machine. If the synchronous machine receives power from the drive train, electrical energy is generated and fed into the connected power grid.
  • the power of the main driveline and the synchronous machine it is possible for the power of the main driveline and the synchronous machine to add or subtract.
  • a part of the power transmitted by the main drive train or the torque is absorbed and removed by the synchronous machine, whereby due to the use of a suitable drive electronics stepless control and thus a continuous speed adjustment from the speed "0" in the motor and generator direction possible is. Only part of the power is supplied via the drive electronics, which leads to corresponding savings in the electronics.
  • Figure 1 powertrain of a wind turbine
  • FIG. 1 shows an electromechanical system according to the invention for transmitting rotational energy, torque and power, which is used as the drive train of a wind power plant.
  • the system is designed for variable-speed transmission of rotational energy, torque and power.
  • the first and second energy conversion machines 2, 3 are in this case an asynchronous generator 2 and a wind rotor 3, both of which are connected to each other via the main drive train.
  • the wind rotor 3 of the wind power plant is connected to the asynchronous generator 2 via a rotor output shaft 14, a main transmission 12 and a superposition gear 1 connected in series therewith, designed as a planetary gear 7.
  • the asynchronous generator 2 is connected to the power grid and converts the introduced by the wind rotor 3 in the drive train power into electrical energy. It is essential here that the wind rotor 3 and thus the rotor output shaft 14 rotate at varying speeds, while the speed of the generator shaft is at least almost constant.
  • the generator shaft must be synchronized with the mains frequency via the number of pole pairs.
  • the sun gear 8 of the planetary gear 7 is connected to the drive shaft 5 of the asynchronous generator 2.
  • the planetary gears 8 revolving around the sun gear 8 are connected via the web, the web shaft 6 connected thereto and via the main gear 12 at least indirectly to the rotor output shaft 14 and the rotor 3 of the wind power plant.
  • the planet gears 9 also move the ring gear 10 of the planetary gear 7 or are driven by the ring gear 10.
  • the ring gear 10 is in turn connected to the housing 15 of the planetary gear 7, wherein the ring gear 10 and the housing 15 are rotatably mounted.
  • the synchronous machine 4 is controlled by a drive electronics 13 with frequency converter 16 and operated in such a manner depending on the operating situation that needs transmitted power from the synchronous machine 4 to the ring gear 10 or received by the ring gear 10. In this way it is possible, with the aid of the synchronous machine 4 as required to initiate a braking torque or an acceleration torque in the ring gear 10 and thus in the connected to the planetary gear 7 drive train. At low wind speeds and thus low power of the asynchronous generator 2 is blocked.
  • the power generated by the wind rotor 3 is introduced in this case via the rotor output shaft 14, the main gear 12, the web shaft 6, the planetary gears 9 and the ring gear 10 in the synchronous machine 4, so that they are operated as a generator and the generated electrical energy via the drive electronics thirteenth is fed directly into the connected power grid.
  • the rotational speed of the wind rotor 3 has approximately reached the nominal rotational speed of the generator shaft 5 of the asynchronous generator 2, its brake is released and the permanent magnet synchronous machine 4 generates an additional rotation on the generator shaft until the phase angle and rotational frequency correspond to the values present in the connected network and the generator 2 can be switched directly to the network.
  • the permanent-magnet synchronous machine 4 is operated such that it holds only the housing 15 and the associated ring gear 10 of the planetary gear 7. In this operating state, the permanent-magnet synchronous machine 4 neither outputs power into the connected power network, nor does it absorb power to a significant degree from the power grid. This means that over a wide range, the power of the drive train with the help of the constant speed operating asynchronous generator 2 can be fed at the same time sinusoidal voltage and current waveform in the connected power grid. But it is also possible to completely stop the permanent magnet synchronous machine in this speed range of the system when the ring gear 10 is held by a suitable braking device.
  • the additional power provided thereby in the drive train is converted by the rotation of the running as a rotor of the synchronous machine 4 ring gear 10 into electrical energy via the drive electronics 13 in the connected network is fed.
  • stronger wind gusts can be additionally compensated by an adjustment of the air gap torque of the permanent-magnet synchronous machine 4 shown in FIG.
  • a particular advantage of the shown with the drive train of a wind turbine electromechanical system with superposition gear 1 is that gusts of wind lead to an additional acceleration of the rotor of the synchronous machine 4 and thus to increased power production without the overall system is mechanically overloaded.
  • the described system behavior is thus similar to that of wind turbines connected to double-fed asynchronous generators, but avoids their disadvantages, such as the use wear-resistant carbon brushes and the lack of support of the connected power grid.
  • FIG. 2 the use of an inventively designed electromechanical system with superposition gear 1 for transmitting torque, rotational energy and power in a drive train of a work machine, as used, for example, in mining, is shown.
  • the system is designed for variable-speed transmission of torque, rotational energy and power.
  • the drive train according to FIG. 2 has an asynchronous motor forming the first machine for energy conversion 2, which is directly connected to the power supply, and the working machine, which according to this embodiment represents the second power conversion machine 3 coupled to the main drive train. If a corresponding powertrain is used in mining or in other potentially explosive areas, all parts of the plant, in particular the electric motors and generators used, must be explosion-proof or flame-proof.
  • asynchronous machine 2 While the asynchronous machine 2 is connected to the grid, at the same time in the air gap of the pe rm a nte excited n synchronous machine, which represents the third coupled to the drive train machine for energy conversion 4, built by the drive electronics 13, a small counter-torque, so that as a runner
  • the synchronous machine 4 executed ring gear 10 is rotated and introduced by the asynchronous machine 2 in the drive train power is fed in large part via the synchronous machine 4 and the drive electronics 13 in the form of electrical energy in the connected power grid.
  • the power output by the asynchronous motor 2 is almost completely fed back into the power grid via the synchronous machine 4.
  • pulse-like overloads of the drive train are almost completely avoided.
  • Overload clutch can be achieved.
  • An overload situation for example, by a blockade of the working machine 3, would cause an acceleration of the rotor of the synchronous machine 4 and feed the additional power generated by the asynchronous machine 2 in the drive train directly back into the grid, without the other components of the drive train are mechanically overloaded. Since only a portion of the power is passed through the drive electronics 13, this can be adapted according to the performance and manufactured comparatively inexpensively.
  • third machine three-phase synchronous machine first shaft: drive or output shaft
  • second shaft drive or output shaft

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Abstract

The invention describes an electromechanical system for transferring rotational energy, torque and power in a powertrain, to which a first, a second and a third machine for energy conversion (2, 3, 4) are coupled, and a superimposed gearing (1) for a system of this kind having a planetary gearbox (7). The sun gear (8) of the planetary gearbox (7) is coupled by means of a first shaft (5) for transferring a torque to the first machine (2) and at least one planetary gear (9) is coupled by means of a second shaft (6) for transferring a torque to the second machine (3). The third machine (4) is designed as a three-phase synchronous machine. An internal gear (10) of the planetary gearbox (7) forms a rotor of the three-phase synchronous machine (4). The described technical solution is characterised in that the internal gear (10) is connected to a housing (15) of the planetary gearbox (7), and that permanent magnets (11) for exciting the three-phase synchronous machine are arranged, more particularly are fastened, on the internal gear (10) and/or on the housing (15) of the planetary gearbox (7).

Description

Elektromechanisches System sowie Überlagerungsgetriebe zur Übertragung von  Electromechanical system and superposition gearbox for the transmission of
Rotationsenergie  rotational energy
B e s c h r e i b u n g : Description :
Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches System zur insbesondere drehzahlvariablen Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung sowie ein Überlagerungsgetriebe für ein derartiges System gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Das beschriebene System verfügt über eine Mehrzahl von Maschinen zur Energiewandlung, die an einen Antriebsstrang gekoppelt sind. Die einzelnenThe invention relates to an electromechanical system for particular variable-speed transmission of rotational energy, torque and power and a superposition gear for such a system according to the independent claims. The system described has a plurality of energy conversion machines coupled to a powertrain. The single ones
Maschinen zur Energiewandlung können motorisch oder generatorisch betrieben werden, wobei die Drehzahlen der Antriebs- oder Abtriebswellen, an die die einzelnen Maschinen gekoppelt sind, variieren. Das elektromechanische System hat einen Antriebsstrang mit wenigstens einer ersten, einer zweiten und einer dritten an den Antriebsstrang gekoppelten Maschine zur Energiewandlung und ein Überlagerungsgetriebe, das ein Planetengetriebe aufweist, dessen Sonnenrad über eine erste Welle zur Übertragung eines Drehmoments an die erste Maschine gekoppelt ist und dessen wenigstens eines Planetenrad über eine zweite Welle zur Übertragung eines Drehmoments an die zweite Maschine gekoppelt ist, wobei die dritte Maschine als Drehstrom-Synchronmaschine ausgeführt ist und ein Hohlrad desEnergy conversion machines can be operated by a motor or by a generator, with the speeds of the input or output shafts to which the individual machines are coupled varying. The electromechanical system has a powertrain including at least first, second, and third powertrain-coupled power conversion machines and a superposition gear having a planetary gear whose sun gear is coupled to the first engine through a first shaft for transmitting torque and the planetary gear at least one planetary gear is coupled via a second shaft for transmitting a torque to the second machine, wherein the third machine is designed as a three-phase synchronous machine and a ring gear of the
Planetengetriebes einen Läufer der Drehstrom-Synchronmaschine bildet. Ein solches elektromechanische System, welches eine Drehstrom-Synchronmaschine in einem Differentialgetriebe für Windkraftanlagen nutzt, ist aus der AT 507 395 A2 bekannt. Planetary gear forms a rotor of the three-phase synchronous machine. Such an electromechanical system, which uses a three-phase synchronous machine in a differential gear for wind turbines, is known from AT 507 395 A2.
Generell sind Anlagen, die über unterschiedliche, mechanisch an einander gekoppelte Maschinen zur Energiewandlung, wie beispielsweise Generatoren, Verbrennungsmaschinen oder Turbomaschinen, verfügen, bekannt. Oftmals sind in solchen Anlagen Überlagerungsgetriebe vorgesehen, mit denen das von den unterschiedlichen Maschinen eingeleitete oder abgenommene Drehmoment drehzahlvariabel geregelt werden kann. In der Regel stellt ein Umlaufräder- oder Planetengetriebe das wesentliche Bauelement der verwendeten Überlagerungsgetriebe dar. Ein Planetengetriebe verfügt über ein zentral angeordnetes, mit einer Zentralwelle verbundenes, außenverzahntes Sonnenrad, wenigstens ein mit dem Sonnenrad kämmendes Planetenrad sowie ein mit dem wenigstens einen Planetenrad in Eingriff befindliches Hohlrad, gegenüber dem das wenigstens eine Planetenrad eine Relativbewegung ausführt. In general, plants that have different, mechanically coupled to each other machines for energy conversion, such as generators, combustion engines or turbomachinery, known. Often superposition gears are provided in such systems, with which the introduced or removed by the different machines torque can be controlled variable speed. In general, an epicyclic or planetary gear is the essential component of the superposition gear used. A planetary gear has a centrally disposed, connected to a central shaft, externally toothed sun gear, at least one meshing with the sun gear and a planetary with the at least one planet in engagement befindliches Ring gear, opposite which the at least one planetary gear performs a relative movement.
In vielen Fällen werden Überlagerungsgetriebe eingesetzt, um trotz einer auf der Hauptantriebsseite variierenden Drehzahl der Hauptantriebswelle an der Hauptabtriebswelle eine zumindest annähernd gleichbleibende Drehzahl sicherzustellen. Entsprechende technische Lösungen werden beispielsweise für Windkraftanlagen benötigt, um die durch Schwankungen der Windstärke verursachten Drehzahlschwankungen des Windrotors auszugleichen und so einerseits den Antriebsstrang der Windkraftanlage vor schlagartig auftretenden Lastspitzen zu schützen und andererseits einen effektiven Betrieb des Generators zu ermöglichen.In many cases, superimposed gears are used to ensure an at least approximately constant speed despite a varying on the main drive side speed of the main drive shaft to the main output shaft. Corresponding technical solutions are needed, for example, for wind turbines to compensate for the variations in wind speed caused by fluctuations in the wind rotor and so on the one hand to protect the drive train of the wind turbine against sudden peak loads and on the other hand to allow effective operation of the generator.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 103 14 757 B3 einen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl und einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl. Es ist ein als Planetengetriebe ausgeführtes Überlagerungsgetriebe vorgesehen, das an einen hydrodynamischen Drehmomentwandler gekoppelt ist, um die variierende Drehzahl des Rotors in eine konstante Drehzahl der Antriebswelle eines Synchrongenerators zu wandeln. Das Überlagerungsgetriebe ist in den Antriebsstrang der Windturbine zwischen Hauptgetriebe und Synchrongenerator angeordnet. Die Abtriebswelle des Windrotors ist mit den Planetenrädern, das Sonnenrad über das Pumpenrad des Drehmomentwandlers mit der Generatorwelle und das Hohlrad mit dem Turbinenrad des Drehmomentwandlers verbunden. Über gezielt verstellbare Leitschaufeln wird die Bremswirkung des Drehmomentwandlers verändert. Nachteilig an der beschriebenen technischen Lösung ist einerseits, dass Drehzahlwandler über einen vergleichsweise aufwändigen Aufbau verfügen und andererseits, dass durch den systembedingten hydraulischen Schlupf gerade im für die Wirtschaftlichkeit einer Windkraftanlage bedeutenden Teillastbereich hohe Verluste auftreten. Im Übrigen ist aus dem Artikel„Drehzahlvariable Windkraftanlagen mit elektrisch geregeltem Überlagerungsgetriebe" von P. Caselitz et al., Konferenzband „DEWEK ’92", S. 171-175“ der Einsatz eines elektrisch geregelten, wiederum als Planetengetriebe ausgeführten Überlagerungsgetriebes für den drehzahlvariablen Betrieb von Windkraftanlagen bekannt. Die beschriebene technische Lösung beruht darauf, die Drehzahlvariabilität, also die gezielte Veränderung des Drehzahlverhältnisses zwischen Rotor und Generator der Windenergieanlage, nicht im elektrischen sondern im mechanischen Teil der Anlage herzustellen. Hierzu wird die mit dem Hohlrad des Planetengetriebes verbundene Welle mit Hilfe einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine mit Käfigläufer bedarfsgerecht angetrieben. In this context, DE 103 14 757 B3 describes a drive train for transmitting a variable power with variable input speed and a substantially constant output speed. It is provided as a planetary gear superposition gear is coupled to a hydrodynamic torque converter to convert the varying speed of the rotor in a constant speed of the drive shaft of a synchronous generator. The superposition gear is arranged in the drive train of the wind turbine between the main gear and synchronous generator. The output shaft of the wind rotor is connected to the planetary gears, the sun gear via the impeller of the torque converter to the generator shaft and the ring gear to the turbine of the torque converter. The braking effect of the torque converter is changed by means of specifically adjustable guide vanes. A disadvantage of the technical solution described on the one hand that speed converter have a relatively complex structure and on the other hand, that occur due to the systemic hydraulic slip just in significant for the efficiency of a wind turbine partial load range high losses. Incidentally, from the article "variable speed wind turbines with electrically controlled superposition gearbox" by P. Caselitz et al., Conference tape "DEWEK '92", p. 171-175 "the use of an electrically controlled, in turn designed as planetary gear superposition gearbox for variable speed operation known from wind turbines. The technical solution described is based on the speed variability, ie the targeted change in the speed ratio between the rotor and generator of the wind turbine, not in the electrical but in the mechanical part of the plant produce. For this purpose, the shaft connected to the ring gear of the planetary gear is driven as needed with the aid of a converter-fed asynchronous machine with squirrel cage.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten technischen Lösungen zur Drehzahlvariation in Antriebssträngen, die unterschiedliche, Rotationsenergie aufnehmende oder abgebende Maschinen zur Energiewandlung aufweisen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, das über einen vergleichsweise einfachen Aufbau verfügt, robust ist und dynamische Belastungen des Antriebsstrangs minimiert. Das System soll ferner für den vorteilhaften Einsatz in unterschiedlichen technischen Gebieten geeignet sein, insbesondere sowohl einen effektiven generatorischen als auch motorischen Betrieb ermöglichen. Weiterhin soll die Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromnetz möglichst effektiv und weitgehend ohne Einsatz aufwändiger Elektroniken und sonstiger Regelungstechnologien möglich sein. Starting from the known from the prior art technical solutions for speed variation in drivelines, which have different, rotational energy receiving or donating machines for energy conversion, the invention has for its object to provide a system that has a relatively simple structure is robust and Dynamic loads of the drive train minimized. The system should also be suitable for advantageous use in different technical fields, in particular to enable both an effective regenerative and motor operation. Furthermore, the supply of electrical energy in a power grid should be possible as effectively and largely without the use of complex electronics and other control technologies.
Die vorstehende Aufgabe wird mit einem elektromechanischen System zur Übertragung von Rotationsenergie gemäß Anspruch 1 sowie einem Überlagerungsgetriebe nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. The above object is achieved with an electromechanical system for transmitting rotational energy according to claim 1 and a superposition gear according to claim 12. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims and are explained in more detail in the following description with partial reference to the figures.
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches System zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung in einem Antriebsstrang mit wenigstens einer ersten, einer zweiten und einer dritten an den Antriebsstrang gekoppelten Maschine zur Energiewandlung und mit einem als Planetengetriebe ausgeführten Überlagerungsgetriebe, das mit den drei Maschinen in Wirkverbindung steht. Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist über eine erste Welle zur Übertragung eines Drehmoments an die erste Maschine und wenigstens ein Planetenrad über eine zweite Welle zur Übertragung eines Drehmoments an die zweite Maschine gekoppelt. Die dritte Maschine ist als Drehstrom-Synchronmaschine ausgeführt. Ein Hohlrad des Planetengetriebes bildet einen Läufer der Drehstrom-Synchronmaschine, die in der folgenden Beschreibung zur besseren Lesbarkeit als Synchronmaschine bezeichnet wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Hohlrad mit einem Gehäuse des Planetengetriebes verbunden ist, und dass am Hohlrad und/oder am Gehäuse des Planetengetriebes Permanentmagnete zur Erregung der Drehstrom- Synchronmaschine angeordnet, insbesondere befestigt, sind. The invention relates to an electromechanical system for the transmission of rotational energy, torque and power in a drive train having at least a first, a second and a third coupled to the drive train engine for energy conversion and with a planetary gear superposition gear, with the three machines in Active compound is. The sun gear of the planetary gear is coupled via a first shaft for transmitting a torque to the first machine and at least one planetary gear via a second shaft for transmitting a torque to the second machine. The third machine is designed as a three-phase synchronous machine. A ring gear of the planetary gear forms a rotor of the three-phase synchronous machine, which is referred to in the following description for better readability as a synchronous machine. The invention is characterized in that the ring gear with a housing the planetary gear is connected, and that arranged on the ring gear and / or on the housing of the planetary gear permanent magnets for exciting the three-phase synchronous machine, in particular fixed, are.
Die Synchronmaschine wird in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes motorisch oder generatorisch betrieben, sodass bedarfsgerecht ein Bremsmoment oder ein Beschleunigungsmoment in das Hohlrad des Planetengetriebes eingeleitet wird. Die geeignete Ansteuerung der Synchronmaschine erfolgt auf vorteilhafte Weise mit Hilfe einer Antriebselektronik, die auf der Grundlage der jeweiligen Betriebssituation, also insbesondere unter Berücksichtigung der Drehzahlen des Sonnenrades und/oder des wenigstens einen Planetenrades bzw. der an diese Zahnräder gekoppelten Wellen, ein Steuersignal erzeugt. Ist beispielsweise die Drehzahl der Welle auf der Hauptantriebsseite des Planetengetriebes zu gering in Bezug auf die auf der Hauptabtriebsseite erforderliche Drehzahl, so kann die Synchronmaschine ein geeignetes Beschleunigungsmoment in das Hohlrad einleiten. Ebenso ist es denkbar, dass das Hohlrad durch die Synchronmaschine in seiner Position fixiert wird oder sogar, dass das Hohlrad in umgekehrter Richtung gedreht wird. Grundsätzlich ist es denkbar, das Planetengetriebe einstufig oder mehrstufig auszuführen. Ferner kann das Planetengetriebe an ein anderes Getriebe, beispielsweise ein Hauptantriebsgetriebe einer Windkraftanlage oder ein Übersetzungsgetriebe einer Arbeits- oder Werkzeugmaschine gekoppelt sein. The synchronous machine is operated as a function of the respective operating state by motor or generator, so that a braking torque or an acceleration torque is introduced into the ring gear of the planetary gear as needed. The suitable control of the synchronous machine takes place in an advantageous manner with the aid of drive electronics, which generates a control signal on the basis of the respective operating situation, thus taking into account in particular the rotational speeds of the sun gear and / or the at least one planetary gear or the shafts coupled to these gear wheels. For example, if the rotational speed of the shaft on the main drive side of the planetary gear is too low with respect to the required on the main output side speed, the synchronous machine can initiate a suitable acceleration torque in the ring gear. It is also conceivable that the ring gear is fixed by the synchronous machine in position or even that the ring gear is rotated in the reverse direction. In principle, it is conceivable to design the planetary gear in one or more stages. Furthermore, the planetary gear can be coupled to another gear, such as a main drive gearbox of a wind turbine or a transmission gearbox of a work or machine tool.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die dritte Maschine als permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgeführt und das drehbar gelagerte Hohlrad des Planetengetriebes steht mit den Permanentmagneten zur Erregung der Synchronmaschine in Wirkverbindung. Vorzugsweise handelt es sich bei der permanentmagneterregten Synchronmaschine um eine höherpolige Synchronmaschine, die mehr als zwei, insbesondere vier Pole aufweist. According to a particular embodiment of the invention, the third machine is designed as a permanent magnet synchronous machine and the rotatably mounted ring gear of the planetary gear is in operative connection with the permanent magnet for exciting the synchronous machine. The permanent magnet synchronous machine is preferably a higher-pole synchronous machine which has more than two, in particular four, poles.
Generell ist es denkbar, dass das Hohlrad selbst den Läufer der Synchronmaschine bildet und die Permanentmagnete direkt am Hohlrad angeordnet, insbesondere befestigt sind. Vorzugsweise ist allerdings vorgesehen, dass das Hohlrad mit dem Gehäuse des Planetengetriebes verbunden ist und die Permanentmagnete an dem Hohlrad und/oder dem Gehäuse angeordnet, insbesondere befestigt sind. In general, it is conceivable that the ring gear itself forms the rotor of the synchronous machine and the permanent magnets are arranged directly on the ring gear, in particular fixed. Preferably, however, it is provided that the ring gear is connected to the housing of the planetary gear and the permanent magnets arranged on the ring gear and / or the housing, in particular are fixed.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Synchronmaschine von einer Antriebselektronik zur Steuerung der in der Synchronmaschine realisierten Energieumwandlung gesteuert. Unter Energieumwandlung wird in diesem Zusammenhang vor allem die Umwandlung von elektrischer Energie in Rotationsenergie im motorischen Betrieb sowie von Rotationsenergie in elektrische Energie im generatorischen Betrieb verstanden. Auf vorteilhafte Weise ist eine Antriebselektronik vorgesehen, die derart ausgeführt ist, dass die Energieumwandlung in der Synchronmaschine zumindest zeitweise in Abhängigkeit der von der ersten und/oder zweiten Maschine umgewandelten Energie bzw. der jeweils von diesen abgegebenen oder aufgenommenen Leistung erfolgt. In a further embodiment of the invention, the synchronous machine is controlled by a drive electronics for controlling the energy conversion realized in the synchronous machine. In this context, energy conversion is understood to be, above all, the conversion of electrical energy into rotational energy in motor operation and of rotational energy into electrical energy in regenerative operation. Advantageously, a drive electronics is provided, which is designed such that the energy conversion takes place in the synchronous machine at least temporarily as a function of the energy converted by the first and / or second machine or the respective output or recorded by these power.
Auch in Bezug auf die erste sowie die zweite Maschine zur Energieumwandlung ist es denkbar, dass die Maschinen entweder als Generator oder als Motor betrieben werden. Das erfindungsgemäß als Planetengetriebe ausgeführte Überlagerungsgetriebe ist dabei mit einer Hauptantriebs- und einer Hauptabtriebswelle eines Antriebsstrangs verbunden, wobei es sich bei der Hauptantriebs- bzw. der Hauptabtriebswelle jeweils entweder um die mit dem Sonnenrad verbundene Zentralwelle oder die mit dem wenigstens einen Planetenrad über den Steg verbundene Stegwelle handelt. Auf diese Weise ist es möglich, dass ein Motor oder Generator über eine Antriebswelle oder im generatorischen Betrieb über eine Abtriebswelle direkt oder indirekt mit dem Sonnenrad verbunden ist. Das wenigstens eine Planetenrad oder die bevorzugt mehreren Planetenräder ist bzw. sind mit der Stegwelle verbunden, die im motorischen Betrieb direkt die Abtriebswelle bildet oder mit wenigstens einer weiteren Abtriebsstufe verbunden ist. Im generatorischen Betrieb dreht sich der Leistungsfluss um und die Stegwelle wird direkt oder indirekt angetrieben und überträgt ein Drehmoment, Rotationsenergie sowie eine Leistung auf das wenigstens eine Planetenrad. Also with regard to the first and the second machine for energy conversion, it is conceivable that the machines are operated either as a generator or as a motor. The superposition gearing designed according to the invention as a planetary gearing is connected to a main drive shaft and a main drive shaft of a drive train, wherein the main drive shaft or the main output shaft is connected either to the central shaft connected to the sun gear or to the at least one planetary gear via the web Stegwelle acts. In this way, it is possible that a motor or generator via a drive shaft or in generator mode via an output shaft is directly or indirectly connected to the sun gear. The at least one planetary gear or preferably a plurality of planetary gears is or are connected to the web shaft, which directly forms the output shaft during engine operation or is connected to at least one further output stage. In regenerative operation, the power flow rotates and the ridge wave is driven directly or indirectly and transmits torque, rotational energy and power to the at least one planetary gear.
Im Übrigen ist es besonders vorteilhaft für das Gesamtsystem, insbesondere die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad und die Minimierung elektrischer Verluste, dass die Antriebselektronik derart ausgeführt ist, dass die Synchronmaschine zumindest zeitweise im 4-Quadranten-Betrieb betrieben wird. Im Weiteren ist in einer besonderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Antriebselektronik derart ausgeführt ist, dass in Abhängigkeit der von der ersten und/oder zweiten Maschine bereitgestellten oder abgenommenen Leistung ein Luftspaltmoment der Synchronmaschine veränderbar ist. Mit Hilfe einer entsprechend vorgesehenen Verstellvorrichtung ist es möglich den magnetischen Fluss zwischen Stator und Läufer und die Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe des Läufers der an das Hohlrad des Planetengetriebes gekoppelten Synchronmaschine gezielt zu variieren. Incidentally, it is particularly advantageous for the overall system, in particular the efficiency or the efficiency and the minimization of electrical losses, that the drive electronics is designed such that the synchronous machine is operated at least temporarily in 4-quadrant operation. Furthermore, it is provided in a particular embodiment of the invention that the drive electronics is designed such that an air gap torque of the synchronous machine is variable depending on the provided and removed from the first and / or second machine power. With the aid of an appropriately provided adjusting device, it is possible to selectively vary the magnetic flux between stator and rotor and the power consumption or power output of the rotor of the coupled to the ring gear of the planetary gear synchronous machine.
Auf besonders bevorzugte Weise ist das Planetengetriebe mit wenigstens einem weiteren Getriebe in einem gemeinsamen Ölraum angeordnet. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass das weitere Getriebe an das Planetengetriebe gekoppelt und zwischen dem Planetengetriebe und der ersten oder der zweiten Maschine angeordnet ist, und diese beiden Getriebe in einem gemeinsamen Ölraum, also in einem nach außen öldicht abgedichteten Gehäuse angeordnet sind. Auf diese Weise ist einerseits eine besonders platzsparende Anordnung von Planetengetriebe und wenigstens einem zusätzlichen Getriebe möglich, andererseits wird die Anzahl von im Gesamtsystem bzw. Gesamtantriebsstrang vorgesehenen Dichtflächen und damit die Anzahl von Dichtungen und Wartungspunkten minimiert. In a particularly preferred manner, the planetary gear is arranged with at least one further transmission in a common oil chamber. In this context, it is conceivable that the further transmission is coupled to the planetary gear and disposed between the planetary gear and the first or the second machine, and these two gears are arranged in a common oil chamber, ie in a sealed housing to the outside oil-tight. In this way, on the one hand, a particularly space-saving arrangement of planetary gear and at least one additional transmission possible, on the other hand, the number of in the overall system or overall drive train provided sealing surfaces and thus minimizes the number of seals and maintenance points.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste oder die zweite Maschine als eine mit einer Stromversorgung verbundene Drehstrom- Asynchronmaschine ausgeführt ist. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn die erste oder die zweite Maschine an ein Stromnetz angeschlossen ist. Die hierbei vorgesehene Drehstrom-Asynchronmaschine kann sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb arbeiten. So ist es beispielsweise denkbar, dass ein Drehstrom-Asynchrongenerator die von einem Windrotor bzw. einer Windturbine drehzahlvariabel abgegebene Leistung in elektrische Energie wandelt und in das angeschlossene Stromnetz einspeist. Wesentlich für den erfindungsgemäß ausgeführten Antriebsstrang ist hierbei, dass trotz der Drehzahlveränderungen auf der Antriebsseite, also der Seite des Antriebsstrangs, auf der sich der Windrotor befindet, sich die ausgangsseitig, und somit auf der Generatorseite, befindliche Generatorwelle mit einer zumindest annähernd konstanten Drehzahl dreht. According to a further embodiment of the invention it is provided that the first or the second machine is designed as a three-phase asynchronous machine connected to a power supply. It is advantageous in this context, when the first or the second machine is connected to a power grid. The three-phase asynchronous machine provided for this purpose can operate in both motor and generator mode. Thus, it is conceivable, for example, that a three-phase asynchronous generator converts the power output by a wind rotor or a wind turbine into electrical energy and feeds it into the connected power grid. Essential for the drive train according to the invention is in this case that despite the speed changes on the drive side, so the side of the drive train on which the wind rotor is located, the output side, and thus on the generator side, located generator shaft rotates with an at least approximately constant speed.
Es kann aber auch als erste oder zweite Maschine eine fremderregte oder permanentmagneterregte Synchronmaschine verwendet werden. In diesem Fall muss die Generatorwelle mit der Netzfrequenz über die Anzahl der Polpaare synchron sein. But it can also be used as the first or second machine, a foreign-excited or permanent magnet synchronous machine. In this case, the generator shaft must be synchronized with the mains frequency via the number of pole pairs.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der ersten Maschine um einen Drehstrom-Asynchronmotor, der über einen Antriebsstrang mit dem erfindungsgemäß ausgeführten Überlagerungsgetriebe eine Werkzeugmaschine oder eine Arbeitsmaschine, insbesondere im Bergbau, antreibt. In diesem Fall werden auf vorteilhafte Weise Laständerungen auf der Arbeitsmaschinenseite, die beispielsweise durch Änderungen der Belastungen am Werkzeug verursacht werden, gezielt über das Überlagerungsgetriebe und insbesondere das Hohlrad in die hieran gekoppelte Synchronmaschine eingeleitet. Darüber hinaus kann ein sanfter und kontrollierter Anlauf einer Arbeitsmaschine realisiert werden, indem beim Start des Asynchronmotors die in den Antriebsstrang abgegebene Leistung gesteuert über die durch die Bewegung des Hohlrades angetriebene Synchronmaschine, die dann als Generator arbeitet, in elektrische Energie gewandelt wird, welche wieder in das angeschlossene Netz abgegeben wird. According to an alternative embodiment of the invention, the first machine is a three-phase asynchronous motor which drives a machine tool or a working machine, in particular in mining, via a drive train with the superposition gearbox designed according to the invention. In this case, changes in load on the working machine side, which are caused, for example, by changes in the loads on the tool, are initiated in a targeted manner via the superposition gear and in particular the ring gear in the synchronous machine coupled thereto. In addition, a smooth and controlled start-up of a work machine can be realized by the output power in the drive train controlled by the movement of the ring gear driven synchronous machine, which then works as a generator, is converted into electrical energy at the start of the induction motor, which again in the connected network is delivered.
Um einen erfindungsgemäß ausgeführten Antriebsstrang in explosions- oder schlagwettergeschützten Bereichen einsetzen zu können, werden die einzelnen Komponenten des Systems, wie etwa Motor, Frequenzumrichter und permanenterregte Synchronmaschine explosions- oder schlagwettergeschützt ausgeführt. In order to use a drive train designed according to the invention in explosive or impact-resistant areas, the individual components of the system, such as motor, frequency converter and permanent-magnet synchronous machine, are designed to be explosion-proof or impact-resistant.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die erste oder die zweite Maschine als Verbrennungsmotor oder Turbomaschine, beispielsweise als Gasturbine, ausgeführt ist. Wesentlich ist jeweils, dass über die erste und/oder die zweite Maschine ein Drehmoment bzw. eine Leistung in den Antriebsstrang eingekoppelt oder vom Antriebsstrang aufgenommen wird. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, das erfindungsgemäß ausgeführte elektromechanische System mit Überlagerungsgetriebe zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung für einen Fahrzeugantriebsstrang, insbesondere den Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit Hybridantrieb, zu nutzen. In einem derartigen Fall kommt als erste Maschine ein Motor, insbesondere ein Verbrennungsmotor, zum Einsatz, wobei es sich bei einem derartigen Motor generell um einen Diesel-, Benzin- oder Gasmotor- handeln kann. Ebenso ist es denkbar, eine Turbine für den Antrieb eines Fahrzeugs zu verwenden. Further embodiments of the invention provide that the first or the second machine as an internal combustion engine or turbomachine, for example as a gas turbine, is executed. It is essential in each case that via the first and / or the second machine, a torque or a power is coupled into the drive train or absorbed by the drive train. In this context, it is conceivable to use the electromechanical system according to the invention with superposition gearing for transmitting rotational energy, torque and power for a vehicle drive train, in particular the drive train of a vehicle with hybrid drive. In such a case, a motor, in particular an internal combustion engine, is used as the first machine, wherein such an engine can generally be a diesel, petrol or gas engine. It is also conceivable to use a turbine for driving a vehicle.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird der Antriebsstrang eines Fahrzeugs derart konfiguriert, dass der Verbrennungsmotor oder die Turbine bevorzugt in einem energetisch optimalen Bereich läuft, während die Drehzahlverstellung der Antriebswelle des Fahrzeugs zumindest teilweise über die an das Hohlrad des Planetengetriebes gekoppelte permanenterregte Synchronmaschine erfolgt. Bei Stillstand des Fahrzeugs werden vorteilhafterweise die im Fahrzeug befindlichen elektrischen Energiespeicher durch die Synchronmaschine, deren Läufer durch das Hohlrad des Planetengetriebes oder das mit dem Hohlrad verbundene Planetengetriebegehäuse gebildet wird, aufgeladen. In a particular embodiment of the invention, the drive train of a vehicle is configured such that the internal combustion engine or the turbine preferably runs in an energy-optimal range, while the speed adjustment of the drive shaft of the vehicle is at least partially via the coupled to the ring gear of the planetary gear permanent magnet synchronous machine. At standstill of the vehicle advantageously located in the vehicle electrical energy storage by the synchronous machine whose rotor is formed by the ring gear of the planetary gear or connected to the ring gear planetary gear, charged.
Neben einem elektromechanischen System zur Übertragung von Rotationsenergie betrifft die Erfindung auch ein Überlagerungsgetriebe mit einem Planetengetriebe und mit Mitteln zur gezielten Aufteilung eines in das Planetengetriebe eingeleiteten Drehmoments. Das Planetengetriebe verfügt über ein zentral angeordnetes Sonnenrad und wenigstens ein mit dem Sonnenrad in Eingriff befindliches Planetenrad, von denen das Sonnenrad mit einer ersten Welle zur Übertragung eines Drehmoments und das wenigstens eine Planetenrad mit einer zweiten Welle zur Übertragung eines Drehmoments verbunden ist. Ferner weist das Planetengetriebe ein drehbar gelagertes Hohlrad auf, in das die Mittel zur gezielten Aufteilung des in das Planetengetriebe eingeleiteten Drehmoments in Abhängigkeit eines Steuersignals, das bevorzugt aufgrund einer aktuellen Betriebssituation von einer Antriebselektronik erzeugt wird, eine Brems- oder Beschleunigungskraft einleiten. Die Mittel zur gezielten Aufteilung eines in das Planetengetriebe eingeleiteten Drehmoments verfügen über eine Synchronmaschine, deren Läufer durch das Hohlrad oder ein mit dem Hohlrad verbundenes Bauteil gebildet wird. Das erfindungsgemäß ausgeführte Überlagerungsgetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass das Hohlrad mit einem Gehäuse des Planetengetriebes verbunden ist, an dem Permanentmagnete angeordnet sind. Vorzugsweise wird die Synchronmaschine durch Permanentmagnete erregt, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Hohlrad verbunden sind. Insbesondere kann das Hohlrad mit einem Gehäuse des Planetengetriebes verbunden sein, an dem Permanentmagnete befestigt sind. Die Permanentmagnete können hierbei auf das Gehäuse des Planetengetriebes und/oder die Außenwand des Hohlrades aufgesetzt oder darin eingebettet sein. In addition to an electromechanical system for the transmission of rotational energy, the invention also relates to a superposition gear with a planetary gear and with means for the targeted distribution of an introduced into the planetary gear torque. The planetary gear has a centrally located sun gear and at least one planetary gear meshing with the sun gear, of which the sun gear is connected to a first shaft for transmitting torque and the at least one planetary gear is connected to a second shaft for transmitting torque. Further, the planetary gear has a rotatably mounted ring gear, in which the means for the targeted division of the introduced into the planetary gear torque in response to a control signal, which is preferably generated due to a current operating situation of a drive electronics, a braking or acceleration force. The means for the targeted distribution of an introduced into the planetary gear torque have a synchronous machine whose rotor is formed by the ring gear or a member connected to the ring gear. The superposition gearing according to the invention is characterized in that the ring gear is connected to a housing of the planetary gearing, on which permanent magnets are arranged. Preferably, the synchronous machine is excited by permanent magnets which are indirectly or directly connected to the ring gear. In particular, the ring gear may be connected to a housing of the planetary gear, are attached to the permanent magnets. The permanent magnets can in this case on the Housing of the planetary gear and / or the outer wall of the ring gear to be placed or embedded therein.
Das erfindungsgemäß ausgeführte elektromechanische System zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung sowie ein für die Realisierung eines drehzahlvariabel zu betreibenden Antriebsstrang geeignete Überlagerungsgetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass das Hohlrad mit einem Gehäuse des Planetengetriebes verbunden ist, und dass am Hohlrad und/oder am Gehäuse des Planetengetriebes Permanentmagnete zur Erregung der Drehstrom- Synchronmaschine angeordnet sind. Das Hohlrad und/oder das Gehäuse des Planetengetriebes bilden den Läufer einer Synchronmaschine. Bevorzugt handelt es sich um eine permanenterregte Synchronmaschine, wobei die Permanentmagnete insbesondere am Hohlrad und/oder am mit dem Hohlrad verbundenen Gehäuse des Planetengetriebes befestigt sind. Durch eine geeignete Ansteuerung der Synchronmaschine in Abhängigkeit von Betriebsparametern, wie etwa Drehzahl einer Hauptantriebs- oder Hauptabtriebswelle des Planetengetriebes, werden in Abhängigkeit unterschiedlicher Lastfälle durch die Synchronmaschine Leistungen in den Antriebsstrang eingeleitet oder entnommen. Sofern die Synchronmaschine Leistung aus dem Antriebsstrang aufnimmt, wird elektrische Energie erzeugt und in das angeschlossene Stromnetz eingespeist. The inventively designed electromechanical system for the transmission of rotational energy, torque and power and suitable for the realization of a variable speed drive train to be operated superposition gear is characterized in that the ring gear is connected to a housing of the planetary gear, and that on the ring gear and / or on the housing the planetary gear permanent magnets are arranged to excite the three-phase synchronous machine. The ring gear and / or the housing of the planetary gear form the rotor of a synchronous machine. Preferably, it is a permanent magnet synchronous machine, wherein the permanent magnets are attached in particular to the ring gear and / or connected to the ring gear housing of the planetary gear. By a suitable control of the synchronous machine in dependence on operating parameters, such as speed of a main drive or main output shaft of the planetary gear, powers are introduced or removed in the drive train as a function of different load cases by the synchronous machine. If the synchronous machine receives power from the drive train, electrical energy is generated and fed into the connected power grid.
Während des Betriebs eines Antriebsstrangs mit einem Überlagerungsgetriebe gemäß der Erfindung ist es somit möglich, dass sich die Leistung des Hauptantriebsstrangs und der Synchronmaschine addieren oder subtrahieren. Im Fall der Subtraktion wird ein Teil der durch den Hauptantriebsstrang übertragenen Leistung oder des Drehmoments von der Synchronmaschine aufgenommen und abgeführt, wobei aufgrund des Einsatzes einer geeigneten Antriebselektronik eine stufenlose Regelung und somit eine stufenlose Drehzahlverstellung ab der Drehzahl„0“ in motorische und generatorische Richtung möglich ist. Dabei wird nur ein Teil der Leistung über die Antriebselektronik geführt, was zu entsprechenden Einsparungen in der Elektronik führt. Thus, during operation of a powertrain having a superposition gearing according to the invention, it is possible for the power of the main driveline and the synchronous machine to add or subtract. In the case of subtraction, a part of the power transmitted by the main drive train or the torque is absorbed and removed by the synchronous machine, whereby due to the use of a suitable drive electronics stepless control and thus a continuous speed adjustment from the speed "0" in the motor and generator direction possible is. Only part of the power is supplied via the drive electronics, which leads to corresponding savings in the electronics.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: In the following, the invention without any limitation of the general inventive concept is explained in more detail with reference to specific embodiments with reference to the figures. Showing:
Figur 1 : Antriebsstrang einer Windenergieanlage sowie Figure 1: powertrain of a wind turbine and
Figur 2: Antriebsstrang einer Arbeitsmaschine. Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäß ausgeführtes elektromechanisches System zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung, das als Antriebsstrang einer Windenergieanlage verwendet wird. Insbesondere ist das System zur drehzahlvariablen Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung ausgebildet. Die erste und zweite Maschine zur Energieumwandlung 2, 3 sind in diesem Fall ein Asynchrongenerator 2 sowie ein Windrotor 3, die beide über den Hauptantriebsstrang mit einander verbunden sind. Der Windrotor 3 der Windkraftanlage ist über eine Rotorabtriebswelle 14, ein Hauptgetriebe 12 und ein damit in Reihe geschaltetes, als Planetengetriebe 7 ausgeführtes Überlagerungsgetriebe 1 mit dem Asynchrongenerator 2 verbunden. Der Asynchrongenerator 2 ist mit dem Stromnetz verbunden und wandelt die durch den Windrotor 3 in den Antriebsstrang eingeleitete Leistung in elektrische Energie um. Wesentlich hierbei ist, dass sich der Windrotor 3 und damit die Rotorabtriebswelle 14 mit variierender Drehzahl dreht, während die Drehzahl der Generatorwelle zumindest nahezu konstant ist. Figure 2: drive train of a working machine. FIG. 1 shows an electromechanical system according to the invention for transmitting rotational energy, torque and power, which is used as the drive train of a wind power plant. In particular, the system is designed for variable-speed transmission of rotational energy, torque and power. The first and second energy conversion machines 2, 3 are in this case an asynchronous generator 2 and a wind rotor 3, both of which are connected to each other via the main drive train. The wind rotor 3 of the wind power plant is connected to the asynchronous generator 2 via a rotor output shaft 14, a main transmission 12 and a superposition gear 1 connected in series therewith, designed as a planetary gear 7. The asynchronous generator 2 is connected to the power grid and converts the introduced by the wind rotor 3 in the drive train power into electrical energy. It is essential here that the wind rotor 3 and thus the rotor output shaft 14 rotate at varying speeds, while the speed of the generator shaft is at least almost constant.
Es kann anstelle des Asynchrongenerators 2 auch ein Synchrongenerator verwendet werden. In diesem Fall muss die Generatorwelle mit der Netzfrequenz über die Anzahl der Polpaare synchron sein. It can be used instead of the asynchronous generator 2, a synchronous generator. In this case, the generator shaft must be synchronized with the mains frequency via the number of pole pairs.
Das Sonnenrad 8 des Planetengetriebes 7 ist mit der Antriebswelle 5 des Asynchrongenerators 2 verbunden. Außerdem sind die das Sonnenrad 8 umlaufenden Planetenräder 9 über den Steg, die hiermit verbundene Stegwelle 6 und über das Hauptgetriebe 12 zumindest mittelbar mit der Rotorabtriebswelle 14 und dem Rotor 3 der Windkraftanlage verbunden. Die Planetenräder 9 bewegen ferner das Hohlrad 10 des Planetengetriebes 7 oder werden vom Hohlrad 10 angetrieben. Das Hohlrad 10 ist wiederum mit dem Gehäuse 15 des Planetengetriebes 7 verbunden, wobei Hohlrad 10 und Gehäuse 15 drehbar gelagert sind. The sun gear 8 of the planetary gear 7 is connected to the drive shaft 5 of the asynchronous generator 2. In addition, the planetary gears 8 revolving around the sun gear 8 are connected via the web, the web shaft 6 connected thereto and via the main gear 12 at least indirectly to the rotor output shaft 14 and the rotor 3 of the wind power plant. The planet gears 9 also move the ring gear 10 of the planetary gear 7 or are driven by the ring gear 10. The ring gear 10 is in turn connected to the housing 15 of the planetary gear 7, wherein the ring gear 10 and the housing 15 are rotatably mounted.
Am Gehäuse 15 des Planentengetriebes 7 sowie der Außenwand des Hohlrades 10 sind Permanentmagnete 11 derart befestigt, dass das Hohlrad 10 mit dem Gehäuse 15 den Läufer einer höherpoligen permanenterregten Synchronmaschine bilden, die eine dritte an den Antriebsstrang gekoppelte Maschine zur Energiewandlung 4 darstellt. Die Synchronmaschine 4 wird durch eine Antriebselektronik 13 mit Frequenzumrichter 16 gesteuert und derart in Abhängigkeit der Betriebssituation betrieben, dass bedarfsgerecht Leistung von der Synchronmaschine 4 auf das Hohlrad 10 übertragen oder vom Hohlrad 10 aufgenommen wird. Auf diese Weise ist es möglich, mit Hilfe der Synchronmaschine 4 je nach Bedarf ein Bremsmoment oder ein Beschleunigungsmoment in das Hohlrad 10 und damit in den mit dem Planetengetriebe 7 verbundenen Antriebsstrang einzuleiten. Bei geringen Windgeschwindigkeiten und somit geringen Leistungen wird der Asynchrongenerator 2 blockiert. Die vom Windrotor 3 erzeugte Leistung wird in diesem Fall über die Rotorabtriebswelle 14, das Hauptgetriebe 12, die Stegwelle 6, die Planetenräder 9 und das Hohlrad 10 in die Synchronmaschine 4 eingeleitet, sodass diese als Generator betrieben und die erzeugte elektrische Energie über die Antriebselektronik 13 direkt in das angeschlossene Stromnetz eingespeist wird. Sobald die Drehzahl des Windrotors 3 annähernd die Nenndrehzahl der Generatorwelle 5 des Asynchrongenerators 2 erreicht hat, wird dessen Bremse gelöst und durch die permanenterregte Synchronmaschine 4 eine Zusatzdrehung an der Generatorwelle erzeugt, bis Phasenwinkel und Drehfrequenz den Werten, die im angeschlossenen Netz vorhanden sind, entsprechen und der Generator 2 direkt auf das Netz geschaltet werden kann. On the housing 15 of the planetary gear 7 and the outer wall of the ring gear 10 permanent magnets 11 are fixed such that the ring gear 10 with the housing 15 form the rotor of a higher pole permanent magnet synchronous machine, which represents a third coupled to the drive train machine for energy conversion 4. The synchronous machine 4 is controlled by a drive electronics 13 with frequency converter 16 and operated in such a manner depending on the operating situation that needs transmitted power from the synchronous machine 4 to the ring gear 10 or received by the ring gear 10. In this way it is possible, with the aid of the synchronous machine 4 as required to initiate a braking torque or an acceleration torque in the ring gear 10 and thus in the connected to the planetary gear 7 drive train. At low wind speeds and thus low power of the asynchronous generator 2 is blocked. The power generated by the wind rotor 3 is introduced in this case via the rotor output shaft 14, the main gear 12, the web shaft 6, the planetary gears 9 and the ring gear 10 in the synchronous machine 4, so that they are operated as a generator and the generated electrical energy via the drive electronics thirteenth is fed directly into the connected power grid. As soon as the rotational speed of the wind rotor 3 has approximately reached the nominal rotational speed of the generator shaft 5 of the asynchronous generator 2, its brake is released and the permanent magnet synchronous machine 4 generates an additional rotation on the generator shaft until the phase angle and rotational frequency correspond to the values present in the connected network and the generator 2 can be switched directly to the network.
Sobald der Asynchrongenerator 2 auf das Stromnetz geschaltet wurde, wird die permanenterregte Synchronmaschine 4 derart betrieben, dass diese lediglich das Gehäuse 15 und das damit verbundene Hohlrad 10 des Planetengetriebes 7 festhält. In diesem Betriebszustand gibt die permanenterregte Synchronmaschine 4 weder Leistung in das angeschlossene Stromnetz ab noch nimmt sie in nennenswertem Maß Leistung aus dem Stromnetz auf. Dies führt dazu, dass über einen weiten Bereich die Leistung des Antriebsstrangs mit Hilfe des mit konstanter Drehzahl arbeitenden Asynchrongenerators 2 bei gleichzeitig sinusförmigem Spannungs- und Stromverlauf in das angeschlossene Stromnetz eingespeist werden kann. Es ist aber auch möglich, die permanenterregte Synchronmaschine in diesem Drehzahlbereich der Anlage komplett stillzusetzen, wenn das Hohlrad 10 über eine geeignete Bremseinrichtung gehalten wird. Once the asynchronous generator 2 has been switched to the power grid, the permanent-magnet synchronous machine 4 is operated such that it holds only the housing 15 and the associated ring gear 10 of the planetary gear 7. In this operating state, the permanent-magnet synchronous machine 4 neither outputs power into the connected power network, nor does it absorb power to a significant degree from the power grid. This means that over a wide range, the power of the drive train with the help of the constant speed operating asynchronous generator 2 can be fed at the same time sinusoidal voltage and current waveform in the connected power grid. But it is also possible to completely stop the permanent magnet synchronous machine in this speed range of the system when the ring gear 10 is held by a suitable braking device.
Bei weiterer Steigerung der Drehgeschwindigkeit und damit der Drehzahl des Windrotors 3, beispielsweise aufgrund von Windböen, wird die hierdurch zusätzlich im Antriebsstrang bereitgestellte Leistung durch die Drehung des als Läufer der Synchronmaschine 4 ausgeführten Hohlrades 10 in elektrische Energie umgewandelt, die über die Antriebselektronik 13 in das angeschlossene Netz eingespeist wird. Im Weiteren können stärkere Windböen durch eine Verstellung des Luftspaltmoments der in Figur 1 gezeigten permanenterregten Synchronmaschine 4 zusätzlich ausgeglichen werden. Upon further increase in the rotational speed and thus the rotational speed of the wind rotor 3, for example due to gusts of wind, the additional power provided thereby in the drive train is converted by the rotation of the running as a rotor of the synchronous machine 4 ring gear 10 into electrical energy via the drive electronics 13 in the connected network is fed. In addition, stronger wind gusts can be additionally compensated by an adjustment of the air gap torque of the permanent-magnet synchronous machine 4 shown in FIG.
Ein besonderer Vorteil des anhand des Antriebsstrangs einer Windkraftanlage gezeigten elektromechanischen Systems mit Überlagerungsgetriebe 1 besteht darin, dass Windböen zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Läufers der Synchronmaschine 4 und damit zu einer erhöhten Stromproduktion führen, ohne dass das Gesamtsystem mechanisch überlastet wird. Das erläuterte Systemverhalten ähnelt somit dem von Windkraftanlagen, die an doppelgespeiste Asynchrongeneratoren angeschlossen sind, vermeidet allerdings deren Nachteile, wie etwa die Verwendung verschleißbeh aftete r Kohlebürsten sowie die mangelnde Stützung des angeschlossenen Stromnetzes. A particular advantage of the shown with the drive train of a wind turbine electromechanical system with superposition gear 1 is that gusts of wind lead to an additional acceleration of the rotor of the synchronous machine 4 and thus to increased power production without the overall system is mechanically overloaded. The described system behavior is thus similar to that of wind turbines connected to double-fed asynchronous generators, but avoids their disadvantages, such as the use wear-resistant carbon brushes and the lack of support of the connected power grid.
In Figur 2 ist der Einsatz eines erfindungsgemäß ausgeführten elektromechanischen Systems mit Überlagerungsgetriebe 1 zur Übertragung von Drehmoment, Rotationsenergie und Leistung in einem Antriebsstrang einer Arbeitsmaschine, wie sie bspw. im Bergbau eingesetzt wird, gezeigt. Insbesondere ist das System zur drehzahlvariablen Übertragung von Drehmoment, Rotationsenergie und Leistung ausgebildet. Der Antriebsstrang gemäß Figur 2 verfügt über einen die erste Maschine zur Energieumwandlung 2 bildenden Asynchronmotor, der direkt an das Stromnetz angeschlossen ist sowie die Arbeitsmaschine, die gemäß dieser Ausführungsform die zweite an den Hauptantriebsstrang gekoppelte Maschine zur Energieumwandlung 3 darstellt. Sofern ein entsprechender Antriebsstrang im Bergbau oder in sonstigen explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt wird, sind sämtliche Anlagenteile, insbesondere die verwendeten Elektromotoren und Generatoren explosionsgeschützt bzw. schlagwettergeschützt auszuführen. In Figure 2, the use of an inventively designed electromechanical system with superposition gear 1 for transmitting torque, rotational energy and power in a drive train of a work machine, as used, for example, in mining, is shown. In particular, the system is designed for variable-speed transmission of torque, rotational energy and power. The drive train according to FIG. 2 has an asynchronous motor forming the first machine for energy conversion 2, which is directly connected to the power supply, and the working machine, which according to this embodiment represents the second power conversion machine 3 coupled to the main drive train. If a corresponding powertrain is used in mining or in other potentially explosive areas, all parts of the plant, in particular the electric motors and generators used, must be explosion-proof or flame-proof.
Im Vergleich zu dem im Zusammenhang mit Figur 1 erläuterten Antriebsstrang werden bis auf den Windrotor gleiche oder zumindest ähnliche Komponenten verwendet, wobei der Leistungsfluss im Antriebsstrang allerdings in umgekehrter Richtung verläuft, nämlich vom Asynchronmotor 2 über die Motorabtriebswelle 5, das als Planetengetriebe 7 ausgeführte Überlagerungsgetriebe 1 , die Stegwelle 6, eine zusätzliche Getriebestufe 12 und die Antriebswelle 17 der Arbeitsmaschine 3 bis zur Arbeitsmaschine 3. Vorteilhaft an der dargestellten Ausführungsform ist, dass die als Motor arbeitende Asynchronmaschine 2 direkt ans Stromnetz angeschaltet werden kann. Während die Asynchronmaschine 2 an das Netz geschaltet wird, wird gleichzeitig im Luftspalt der pe rm a ne nte rregte n Synchronmaschine, die die dritte an den Antriebsstrang gekoppelte Maschine zur Energieumwandlung 4 darstellt, durch die Antriebselektronik 13 ein geringes Gegenmoment aufgebaut, sodass das als Läufer der Synchronmaschine 4 ausgeführte Hohlrad 10 gedreht wird und die von der Asynchronmaschine 2 in den Antriebsstrang eingeleitete Leistung zum großen Teil über die Synchronmaschine 4 und über deren Antriebselektronik 13 in Form von elektrischer Energie in das angeschlossene Stromnetz eingespeist wird. Hierbei wird insbesondere zu Beginn der Startphase die vom Asynchronmotor 2 abgegebene Leistung nahezu vollständig über die Synchronmaschine 4 wieder ins Stromnetz eingespeist. Durch einen weichen Aufbau des Gegenmomentes in der Synchronmaschine 4 werden impulsartige Überlastungen des Antriebsstrangs fast vollständig vermieden. In comparison to the drive train explained in connection with FIG. 1, identical or at least similar components are used except for the wind rotor, although the power flow in the drive train runs in the opposite direction, namely from the asynchronous motor 2 via the engine output shaft 5, the superposition gear 1 designed as planetary gear 7 , The web shaft 6, an additional gear 12 and the drive shaft 17 of the working machine 3 to the work machine 3. Advantageous to the illustrated embodiment is that the working as a motor asynchronous machine 2 can be connected directly to the mains. While the asynchronous machine 2 is connected to the grid, at the same time in the air gap of the pe rm a nte excited n synchronous machine, which represents the third coupled to the drive train machine for energy conversion 4, built by the drive electronics 13, a small counter-torque, so that as a runner The synchronous machine 4 executed ring gear 10 is rotated and introduced by the asynchronous machine 2 in the drive train power is fed in large part via the synchronous machine 4 and the drive electronics 13 in the form of electrical energy in the connected power grid. In this case, in particular at the beginning of the starting phase, the power output by the asynchronous motor 2 is almost completely fed back into the power grid via the synchronous machine 4. By a soft construction of the counter-torque in the synchronous machine 4 pulse-like overloads of the drive train are almost completely avoided.
Nachdem die Asynchronmaschine 2 und die über das Überlagerungsgetriebe 1 sowie über ein Übersetzungsgetriebe 12 mit dieser verbundene Arbeitsmaschine 3 die Betriebsdrehzahl erreicht haben, sich der Antriebsstrang somit im quasistationären Betrieb befindet, kann durch die Einstellung eines definierten Drehmomentes in der Synchronmaschine 4 mit dem Überlagerungsgetriebe 1 die Wirkung einerAfter the asynchronous machine 2 and over the superposition gear 1 and a transmission gear 12 connected to this work machine 3 have reached the operating speed, the drive train thus in quasi-stationary Operation is, by adjusting a defined torque in the synchronous machine 4 with the superposition gear 1, the effect of a
Überlastkupplung erreicht werden. Eine Überlastsituation, beispielsweise durch eine Blockade der Arbeitsmaschine 3, würde eine Beschleunigung des Rotors der Synchronmaschine 4 bewirken und die im Antriebsstrang befindliche, von der Asynchronmaschine 2 erzeugte Zusatzleistung direkt wieder ins Netz speisen, ohne dass die sonstigen Komponenten des Antriebsstrangs mechanisch überlastet werden. Da nur ein Teil der Leistung über die Antriebselektronik 13 geführt wird, kann diese entsprechend der Leistung angepasst und vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden. Overload clutch can be achieved. An overload situation, for example, by a blockade of the working machine 3, would cause an acceleration of the rotor of the synchronous machine 4 and feed the additional power generated by the asynchronous machine 2 in the drive train directly back into the grid, without the other components of the drive train are mechanically overloaded. Since only a portion of the power is passed through the drive electronics 13, this can be adapted according to the performance and manufactured comparatively inexpensively.
B e z u a s z e i c h e n ! i s t e : S e c tio n s! i s t e:
Überlagerungsgetriebe Superposition gear
erste Maschine: Motor/Generator first machine: motor / generator
zweite Maschine: Motor/Generator second machine: motor / generator
dritte Maschine: Drehstrom-Synchronmaschine erste Welle: Antriebs- oder Abtriebswelle third machine: three-phase synchronous machine first shaft: drive or output shaft
zweite Welle: Antriebs- oder Abtriebswelle second shaft: drive or output shaft
Planetengetriebe  planetary gear
Sonnenrad  sun
Planetenrad  planet
Hohlrad  ring gear
Permanentmagnete  permanent magnets
weitere Getriebestufen further gear stages
Antriebselektronik  drive electronics
Rotorabtriebswelle  Rotor output shaft
Gehäuse des Planetengetriebes  Housing of the planetary gear
Frequenzumrichter  frequency converter
Antriebswelle der Arbeitsmaschine  Drive shaft of the working machine

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : Patent claim:
1. Elektromechanisches System zur Übertragung von Rotationsenergie, Drehmoment und Leistung in einem Antriebsstrang mit wenigstens einer ersten, einer zweiten und einer dritten an den Antriebsstrang gekoppelten Maschine zur Energiewandlung (2, 3, 4) und mit einem Überlagerungsgetriebe (1 ), das ein Planetengetriebe (7) aufweist, dessen Sonnenrad (8) über eine erste Welle (5) zur Übertragung eines Drehmoments an die erste Maschine (2) gekoppelt ist und dessen wenigstens eines Planetenrad (9) über eine zweite Welle (6) zur Übertragung eines Drehmoments an die zweite Maschine (3) gekoppelt ist, wobei die dritte Maschine (4) als Drehstrom-Synchronmaschine ausgeführt ist und ein Hohlrad (10) des Planetengetriebes (7) einen Läufer der Drehstrom- Synchronmaschine (4) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (10) mit einem Gehäuse (15) des Planetengetriebes (7) verbunden ist, und dass am Hohlrad (10) und/oder am Gehäuse (15) des Planetengetriebes (7) Permanentmagnete (11 ) zur Erregung der Drehstrom-Synchronmaschine angeordnet, insbesondere befestigt, sind. An electromechanical system for transmitting rotational energy, torque and power in a powertrain having at least first, second and third powertrain-coupled power conversion machines (2, 3, 4) and a superposition gear (1) including a planetary gear (7), the sun gear (8) via a first shaft (5) for transmitting torque to the first machine (2) is coupled and its at least one planet gear (9) via a second shaft (6) for transmitting a torque the second machine (3) is coupled, wherein the third machine (4) is designed as a three-phase synchronous machine and a ring gear (10) of the planetary gear (7) forms a rotor of the three-phase synchronous machine (4), characterized in that the ring gear (10) with a housing (15) of the planetary gear (7) is connected, and that on the ring gear (10) and / or on the housing (15) of the planetary gear (7) permanent magnets (11) R energization of the three-phase synchronous machine arranged, in particular fixed, are.
2 System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrom- Synchronmaschine (4) als permanentmagneterregte Drehstrom- Synchronmaschine ausgeführt ist und das Hohlrad (10) des Planetengetriebes (7) mit den Permanentmagneten (11 ) zur Erregung der Drehstrom- Synchronmaschine (4) in Wirkverbindung steht. 2 system according to claim 1, characterized in that the three-phase synchronous machine (4) is designed as a permanent magnet three-phase synchronous machine and the ring gear (10) of the planetary gear (7) with the permanent magnet (11) for energizing the three-phase synchronous machine (4). is in active connection.
3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrom-Synchronmaschine (4) an eine Antriebselektronik (13) zur Steuerung der Energieumwandlung gekoppelt ist und die Antriebselektronik (13) derart ausgeführt ist, dass die Energieumwandlung in der Drehstrom- Synchronmaschine (4) in Abhängigkeit der von der ersten und/oder zweiten Maschine (2, 3) umgewandelten Energie erfolgt. 3. System according to one of claims 1 or 2, characterized in that the three-phase synchronous machine (4) is coupled to a drive electronics (13) for controlling the energy conversion and the drive electronics (13) is designed such that the energy conversion in the three-phase current - Synchronous machine (4) in dependence of the first and / or second machine (2, 3) converted energy.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselektronik (13) derart ausgeführt ist, dass die Drehstrom-Synchronmaschine (4) zumindest zeitweise im 4-Quadranten-Betrieb betrieben wird. 4. System according to claim 3, characterized in that the drive electronics (13) is designed such that the three-phase synchronous machine (4) is operated at least temporarily in 4-quadrant operation.
5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselektronik (13) derart ausgeführt ist, dass in Abhängigkeit der von der ersten und/oder zweiten Maschine (2, 3) umgewandelten Energie ein Luftspaltmoment der Drehstrom-Synchronmaschine (4) zumindest zeitweise verändert wird. 5. System according to claim 3 or 4, characterized in that the drive electronics (13) is designed such that in dependence of the first and / or second machine (2, 3) converted energy, an air gap torque of the three-phase synchronous machine (4) is changed at least temporarily.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Planetengetriebe (7) und der ersten und/oder der zweiten Maschine (2, 3) wenigstens ein weiteres Getriebe (12) angeordnet ist. 6. System according to any one of the preceding claims, characterized in that between the planetary gear (7) and the first and / or the second machine (2, 3) at least one further gear (12) is arranged.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (7) mit wenigstens einem weiteren Getriebe (12) in einem gemeinsamen Ölraum angeordnet ist. 7. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the planetary gear (7) with at least one further gear (12) is arranged in a common oil chamber.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Maschine (2, 3) als eine mit einer Stromversorgung verbundene Drehstrom-Asynchronmaschine ausgeführt ist. System according to one of the preceding claims, characterized in that the first or the second machine (2, 3) is designed as a three-phase asynchronous machine connected to a power supply.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Maschine (2, 3) als Verbrennungsmotor, Turbomaschine, Windrotor oder als Windturbine ausgeführt ist. System according to one of the preceding claims, characterized in that the first or the second machine (2, 3) is designed as an internal combustion engine, turbomachine, wind rotor or as a wind turbine.
10. Überlagerungsgetriebe (1 ) mit einem Planetengetriebe (7) und mit Mitteln zur gezielten Aufteilung eines in das Planetengetriebe (7) eingeleiteten Drehmoments, wobei das Planetengetriebe (7) über ein zentral angeordnetes Sonnenrad (8) und wenigstens ein mit dem Sonnenrad (8) in Eingriff befindlichem Planetenrad (9) verfügt und das Sonnenrad (8) mit einer ersten Welle (5) zur Übertragung eines Drehmoments und das wenigstens eine Planetenrad (9) mit einer zweiten Welle (6) zur Übertragung eines Drehmoments verbunden ist und wobei ein Hohlrad (10) des Planetengetriebes (7) drehbar gelagert ist und die Mittel zur gezielten Aufteilung des in das10. Overhead gear (1) with a planetary gear (7) and with means for targeted distribution of a in the planetary gear (7) introduced torque, wherein the planetary gear (7) via a centrally disposed sun gear (8) and at least one with the sun gear (8 ) in engagement with the planetary gear (9) and the sun gear (8) with a first shaft (5) for transmitting a torque and the at least one planetary gear (9) with a second shaft (6) for transmitting a torque is connected and wherein Ring gear (10) of the planetary gear (7) is rotatably mounted and the means for the targeted division of the in the
Planetengetriebe (7) eingeleiteten Drehmoments in Abhängigkeit eines Steuersignals, das aufgrund einer aktuellen Betriebssituation von einer Antriebselektronik (13) erzeugt wird, ein Brems- oder Beschleunigungsmoment in das Hohlrad (10) einleitet, wobei die Mittel zur gezielten Aufteilung eines in das Planetengetriebe (7) eingeleiteten Drehmoments über eine Drehstrom-Planetary gear (7) introduced torque in response to a control signal, which is generated due to a current operating situation of a drive electronics (13), a braking or acceleration torque in the ring gear (10) initiates, wherein the means for targeted division of a in the planetary gear (7 ) introduced torque via a three-phase
Synchronmaschine (4) verfügen, deren Läufer durch das Hohlrad (10) oder ein mit dem Hohlrad (10) verbundenes Bauteil gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (10) mit einem Gehäuse (15) des Planetengetriebes (7) verbunden ist, an dem die Permanentmagnete (11 ) angeordnet sind. Synchronous machine (4) whose rotor is formed by the ring gear (10) or a component connected to the ring gear (10), characterized in that the ring gear (10) is connected to a housing (15) of the planetary gear (7), where the permanent magnets (11) are arranged.
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