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Dokumentenidentifikation DE102004023982A1 12.01.2006
Titel Stufenlos verstellbares elektrisches Getriebe mit einer selbststeuernden Frequenzregelung
Anmelder Ingelheim Consulting GmbH, 81679 München, DE
Erfinder Graf v. Ingelheim, Peter, 81679 München, DE
DE-Anmeldedatum 14.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004023982
Offenlegungstag 12.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse H02K 51/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein stufenlos verstellbares Getriebe mit einer selbststeuernden Frequenzregelung. Dabei wird durch die Stromstärke Ierr in einer Erregerwicklung (5) am Antriebsläufer (1) und seine Drehzahldifferenz zum Abtriebsläufer (10) in dessen Generatorwicklung (6) ein Wechselstrom induziert. Dieser wird in Gleichstrom umgerichtet und über einen mechanischen oder elektronischen Kommutator in Abhängigkeit von der Drehzahl des Abtriebsläufers (10) kommutiert und zu dessen Motorwicklung (7) geführt. Die Magnetfelder der Motorwicklung (7) stoßen sich an gehäusefesten Magnetpolen ab. Über die Stromstärke Ierr und die Drehzahl des Antriebsläufers kann das stufenlose Getriebe vollständig geregelt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein stufenlos verstellbares elektrisches Getriebe mit Generator- und Motorwicklungen auf einem Läufer.

Derartige Getriebeanordnungen sind bekannt.

In den Schriften DE 22 38 364, der US 796502, DE 2928770, DE 196 04710 und weiteren sind stufenlos verstellbare, elektrische Getriebe bei welchen die Generator- und bei einigen auch die Motorwicklung in einem der beiden Läufer angeordnet sind und eine Erregung vom anderen Läufer her in der Generatorwicklung erfolgt, die mit der Motorwicklung über eine Regeleinrichtung verbunden ist. Der Vorteil einer derartigen Anordnung ist, daß der Wirkungsgrad des Getriebes dadurch steigt.

Dies kann man sich so klar machen:

Wenn nan die Antriebsdrehzahl und Man das Antriebsdrehmoment ist und nab die Abtriebsdrehzahl und Mab das Abtriebsdrehmoment ist, dann wirkt nur aufgrund der Drehzahldifferenz nan – nab eine Induktion.

Von der Gesamtleistung Pan = Man·nan wird nur der Anteil Man·(nan – nab) in elektrische Leistung umgewandelt. Der Rest, nämlich Man·nab, wird als Kupplungsleistung verlustfrei auf die Abtriebswelle übertragen.

Das wesentliche Problem all dieser Lösungen ist, daß, um eine echte Getriebefunktion mit Momenten- und Drehzahlwandlung zu erhalten, eine Frequenzumwandlung in den Motorwicklungen erfolgen muß.

Dies ist zumindest für preiswerte Leistungsgetriebe problematisch. Der Leistungsstrom kann ab einer bestimmten Größe nicht mehr vom Läufer zum Gestell gebracht werden und eine gesteuerte Frequenzumrichtung im Läufer gestaltet sich schwierig. Trotz des Absinkens der Kosten für Elektronik sind Frequenzumrichter für einfache und preiswerte Lösungen noch immer teuer.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht ein stufenlos verstellbares Getriebe mit der Generator- und Motorwicklung auf einem zweiten (Abtriebs-) Läufer und einer selbsttätigen, drehzahlabhängigen Frequenzregelung.

Dies wird dadurch erreicht, daß bei einem derartigen Getriebe zunächst der vom Generator induzierte Wechselstrom über einen Gleichrichter in Gleichstrom verwandelt wird und dann dieser Gleichstrom in Abhängigkeit von der Stellung des Motorläufers relativ zum Gehäuse kommutiert wird und daß die Stromstärke und Spannung des Generator- und Motorstroms über die Drehzahl und Stärke des induzierenden Magnetfeldes des ersten (Antriebs) Läufers geregelt wird.

Die Erfindung wird anhand der 1-7 erläutert.

1 zeigt das Prinzip für geringe Leistungen zum einfachen Verständnis.

In einem Gestell (16) sind ein Antriebsläufer (1) und ein Abtriebsläufer (10) angeordnet.

Der Antriebsläufer (1) hat einen Klauenpolerreger (2) mit einer Wicklung (5), die über die Schleifringe (3, 4) mit Gleichstrom versorgt wird, dessen Stärke über das Regelelement (15) eingestellt wird.

Im Abtriebsläufer (10) des Getriebes ist eine erste (Generator) Wicklung (6), auf welche das Magnetfeld des Antriebsläufers (1) wirkt und in ihr aufgrund der Drehzahldifferenz Wechselströme induziert. Diese werden über zwei Schleifringe (8, 9) zum Gestell geführt, wo sie im Gleichrichter (12) gleichgerichtet werden. Dieser Gleichstrom wird über den Kommutatorring (11) in eine drehzahlabhängige Frequenz umgewandelt und im zweiten Läufer zur Motorwicklung (7) gebracht, mit welcher sich der Motorteil an den gestellfesten Magneten (13, 14) abdrückt.

Insgesamt hat man damit einen Wechselstromgenerator und einen Gleichstrommotor, dessen Stromfluß in den Wicklungen über Regeleinrichtungen verbunden.

Das Getriebe wird in Abhängigkeit vom anliegenden Drehmoment am Abtriebsläufer geregelt. Dieses regelt wie bei einem Gleichstromreihenschlußmotor bei gegebener Spannung und damit gegebenem Stromfluß die Abtriebsdrehzahl.

Die Zusammenhänge seien anhand einfacher Annahmen gezeigt.

Die Klemmenspannung UL am Generator, der im Inselbetrieb zu einem belasteten Elektromotor Strom liefert, ist: UL = U0 – I·RL mit U0 = Quellenspannung (= Kurzschlußspannung), I = Stromfluß und RL = Lastwiderstand.

In einer Wicklung, die unter den Permanentmagneten (13, 14) mit dem Magnetfeld BGest = 0,6 T entlang dreht, wird eine Gegenspannung UGgSp = cm·BGest·vn(ab) induziert mit cm = Maschinenfaktor Motor, BGest = Magnetfeld vom Gestell und Vn(ab) = n(ab)·rmot·2·&pgr;, dabei ist nab = Drehzahl Abtriebsrotor, rmot = Radius motorischer Luftspalt.

Insgesamt entspricht U0 ~ (nan – nab)·Ban und I·RL ~ Umot ~ nab·BGest. Um eine konstante Klemenspannung und damit einen konstanten Strom zu erhalten, kann man bei gegebenem BGest wie folgt verfahren:

Man gehe von einem Abtriebsdremoment M0 und einer Abtriebsdrehzahl n0 aus:

Dann wird, um einen gewünschten Stromfluß I0 zu erreichen, eine Quellenspannung UL0 notwendig. Es gilt: UL0 = U0 – I0·RL0 = k1·(nan – nab)·Ban – k2·nab·BGest mit k1, k2 = getriebespezifische konstante Auslegwerte.

  • 1) Will man nun bei gegebener Abtriebsdrehzahl n0 das Abtriebsdrehmoment gegenüber M0 erhöhen, dann muß man U0 vergrößern. Dies kann man, indem man die Motordrehzahl nan vergrößert oder den Erregerstrom un d mit ihm das Magnetfeld Ban.
  • 2) Will man bei gegebenem Motordrehmoment M0 die Abtriebsdrehzahl nab vergrößern, muß man ebenfalls entweder nan oder Ban vergrößern.
  • 3) Bei sinkendem Abtriebsdrehmoment steigt bei gegebenem Ban und nan die Abtriebsdrehzahl wie bei Gleichstromreihenschlußmotoren. Zum Ausgleich wird man entweder nan oder Ban verkleinern.
  • 4) Bei steigendem Abtriebsdrehmoment sinkt bei gegebenem Ban und nan die Abtriebsdrehzahl wie bei Gleichstromreihenschlußmotoren. Zum Ausgleich wird man entweder nan oder Ban vergrößern.

Man erhält damit einen Getriebetyp, bei welchem das Moment die Drehzahl verändert. Für eine automatische Regelung kann man daher die Drehzahl beobachten und bei Abweichen von dieser reagieren.

Wie man erkennt lassen sich mit einem derartigen Getriebetyp echte Drehmoment-Drehzahlwandlungen durchführen.

Das Getriebe der 1 läßt sich nur für geringe Leistungsströme realisieren, da Kommutatoren und Schleifringe nur geringe Stromflüsse zulassen.

2 zeigt das Schaltbild einer Lösung, die auch höhere Leistungsströme realisierbar macht. Der in der Generatorwicklung (G) induzierte Wechselstrom wird im Gleichrichter (Gl) in Gleichstrom umgewandelt. Dieser fließt vom Gleichrichter durch die (Leistungs-) Thrystoren (T1 oder T4) und durch die Motorwicklung (M) zurück über die Thrystoren (T3, T2) zum Gleichrichter (Gl) und zur Generatorwicklung (G). Ein im Transformator (Tr) gewonnener und im zweiten Gleichrichter (Gl2) in Gleichstrom umgewandelter Teilstrom wird über Schleifringe (8, 9) in Gehäusefeste Leitungsstücke (Gh) und über Bürsten (B) auf einen speziellen Kommutatorring (11) geführt. Der Kommutator (11) steuert den Sperrstrom in den Thrystoren (T1, T2, T3, T4) so, daß entweder T1 und T3 gesperrt und T2 und T4 offen sind oder daß T1 und T3 offen und T2 und T4 gesperrt sind. Damit wird eine von der Stellung des Abtriebsläufers abhängige Gleichstromkommutierung erreicht, welche ebenfalls ein wie oben beschriebenes System ermöglicht.

Man beachte bei den Systemen der 1 und 2, daß bei Abfall des Erregermagnetfeldes im Klauenpolerreger (2) durch die Permanentmagneten im Gehäuse ein den Abtriebsläufer bremsender Strom in der Motorwicklung (7) erzeugt wird.

3 zeigt ein stufenloses Getriebe für einen Fahrzeugeinsatz. Bei einem System der 1 ist ein zweiter Klauenpolerreger (20) mit einer zweiten Erregerwicklung (22) auf der Abtriebswelle (10) angeordnet, welcher über die Steuerung (21) und die Schleifringe (25, 26) mit einem zweiten Erregerstrom versorgt. In der gehäusefesten Generatorwicklung (23) wird ein Wechselstrom erzeugt, der die Batterie und andere elektrische Einrichtung z.B. im Fahrzeug mit Strom versorgt. Damit kann z.B. der Fahrzeuggenerator unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle (1) mit einer konstanten Drehzahl betrieben werden.

An der Abtriebswelle des Getriebes können weitere Nebenaggregate, wie z.B. die Schmierölpumpe oder der Klimakompressor angeschlossen sein.

4 zeigt ein System mit Wegfall der Verschleißteile Schleifring und Kommutatorring, dessen Schaltbild in 5 gezeigt ist. Wie in der Schaltung der 2 wird der Generatorstrom gleichgerichtet und fließt über die Hallschalter (H2, H3, H4, H1) zu den Thrystoren (T1, T4) durch die Motorwicklung (M) und zurück über die Thrystoren (T2, T3) zum Gleichrichter (Gl).

Die Hallschalter werden durch ein relativ rotierendes Magnetfeld (N, S) geschaltet. Wenn sich der Hallschalter im Magnetfeld befindet, liegt am geschalteten Thrystor eine Sperrspannung an und der Stromfluß ist unterbrochen. In der gezeigten Stellung sind durch die Hallschalter (H1, H3) die zugehörigen Thrystoren (T1, T3) gesperrt und die beiden anderen Thrystoren (T2, T4) offen.

In 4 ist die gesamte Schaltung (33) und die Hallschalter (31) am Abtriebsläufer (34) untergebracht und die Magnetpole sind am Gestell. Eine Besonderheit dieser Lösung ist, daß die gehäusefesten Magneten durch Elektromagneten ersetzt sind. Dies dient dazu den Verstellbereich des Getriebes zu vergrößern.

6 zeigt ein Getriebe, bei welchem wie in 4 die Verschleißteile Schleif- und Kommutatorring am Abtriebsläufer durch die Steuerung (41) im Läufer und Hallschalter (43) am Läufer und Magnetpole (42) im Gestell ersetzt sind. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Leitstückläufers (40) ohne Schleifringe das Verschleißteil Schleifring am Antriebvermieden.

7 zeigt eine Möglichkeit aus Gleichstrom einen Dreiphasendrehstrom zu gewinnen. Die durch die dunklen Flächen abgedeckten Schalter sind gesperrt und die nicht abgedeckten Schalter sind offen. Der Vorteil einer derartigen Schaltung ist, daß man durch Verdrehung der gestellfesten Leitung in 2 oder der Magnetpole in 4 eine Drehrichtungsumkehr (Rückwärtsgang) erreichen kann.


Anspruch[de]
  1. Stufenlos verstellbares elektrisches Getriebe, mit einem Gestell, einem ersten Läufer und einem zweiten Läufer, welche beliebig als Antriebs- oder Abtriebsläufer fungieren können und einer Generatorwicklung und einer Motorwicklung, bei welchem die Generatorwicklung und die Motorwicklung auf einem ersten Getriebeläufer untergebracht ist und die Motorwicklung mit dem in der Generatorwicklung induzierten Strom versorgt wird,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß

    a. die Magnetfeldstärke der in der Generatorwicklung (6) durch Relativbewegung Ströme induzierenden Magneten (2) verstellbar ist und damit Spannung und Strom im ersten Läufer (10) veränderbar ist,

    b. der in der Generatorwicklung induzierte Wechselstrom in einem im ersten Getriebeläufer angeordneten Gleichrichter (12, Gl) in Gleichstrom umgewandelt wird, und

    c. wenn der erste Getriebeläufer Abtriebsläufer des Getriebes ist und der zweite Antriebsläufer (1) die Magnetpole (2) aufweist, die einen Wechselstrom induzieren, der gleichgerichtet wird, und dieser Gleichstrom über Schaltelemente (11, T1, T2, T3, T4, 31, 32, H1, H2, H3, H4) in Abhängigkeit von der Relativstellung der Motorwicklung (7) zu den gestellfesten Magnetpolen (13, 14; 30) oder gestellfesten Asynchronwicklungen so umgerichtet wird, daß der Strom wie bei einem Gleichstrommotor kommutiert wird, und

    d. wenn der erste Getriebeläufer Antriebsläufer ist und der zweite Getriebeläufer Abtriebsläufer die induzierenden in ihrer Magnetstärke verstellbaren Magnetpole gestellfest sind und der gleichgerichtete Generatorstrom als Gleichstrom von Schaltelementen in Abhängigkeit von der Relativstellung der Motorwicklung zu Magnetpolen oder Asynchronwicklungen am zweiten Läufer so kommutiert wird, daß er wie das gedrehte Gestell eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors am relativ dazu drehenden Abtriebsläufer wirkt.
  2. Stufenlos verstellbares Getriebe unter Patentanspruch 1, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (11, T1, T2, T3, T4, 31, H1, H2, H3, H4) im Läufer (10, 34) untergebracht sind.
  3. Stufenlos verstellbares Getriebe unter Patentanspruch 1 oder 2, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom in Dreiphasendrehstrom kommutiert wird.
  4. Stufenlos verstellbares Getriebe unter einem der Patentansprüche 1-3, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltelemente von Teilströmen geschaltete Thrystoren (T1, T2, T3, T4) oder Transistoren sind und die Einschaltelemente aus Schleifringen (8, 9) und Kommutatorringen (11) oder aus Magneten (32, NS, 42) und magnetfeldabhängigen Schaltelementen (31, H1, H2, H3, H4, 43) wie Feldplatten oder Hallgeneratoren bestehen.
  5. Stufenlos verstellbares Getriebe unter einem der Patentansprüche 1-4 zusätzlich dadurch gekennzeichnet,

    daß die Steuerung von Drehzahl und Abtriebsdrehmoment des Abtriebsläufers über die Stromstärke in der Erregerwicklung und,

    a. wenn der zweite Läufer Antriebsläufer (1) ist und die Erregerwicklung (5) trägt, über die Relativdrehzahl zwischen ersten und zweitem Läufer erfolgt, und,

    b. wenn der erste Läufer mit den Generator- und Motorwicklungen Antriebsläufer ist und das Gestell die Erregerwicklung trägt, über die Relativdrehzahl von erstem Läufer und Gestell erfolgt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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