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Elektrischer Drehmomentwandler, insbesondere für Kraftfahrzeuge
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Drehmomentwandler, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Problem, das sich bei zahlreichen Antriebssystemen stellt, liegt
darin, daß die Antriebsquelle, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, höhere Leistungen
nur bei höheren Drehzahlen liefert, während das angetriebene System, beispielsweise
das Fahrzeug, zu seinem Vortrieb hohe Leistungen je nach den Fahrbedingungen bei
geringen oder bei höheren Geschwindigkeiten benötigt.
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Mechanische Schaltgetriebe lassen nur eine stufenweise Wandlung des
Drehmoments zu.
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Es wurde daher immer wieder versucht, mittels Hydraulikfluid arbeitende
Wandler oder elektrische Wandler zu schaffen, die bei möglichst geringen Leistungsverlusten
eine stufeniose Drehmomentwandlung ermöglichen. Solche stufenlosen Drehmomentwandler
erlauben, die Antriebsquelle, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, weitgehend
in demjenigen Betriebsbereich zu betreiben, in dem die Antriebsquelle ihre Leistung
mit möglichst hohem Wirkungsgrad, d.h. geringem Primärenergieverbrauch, erzeugt.
In
solchen stufenlos arbeitenden Drehmomentwandlern liege abnrt'
ein bedeutendes Potential zur Kraftstoffersparnis.
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Mit Hydraulikfluid arbeitende Wandler haben im allgemeinen nur innerhalb
eines recht begrenzten übersetzungsbereiches einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad.
Außerhalb dieses übersetzungsbereiches werden die durch die Verwirbelung des Hydraulikfluids
bedingten Verluste zu groß.
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Elektrische Drehmomentwandler konnten sich bisher insbesondere im
Personenkraftwagen nur begrenzt durchsetzen, da sie verhältnismäßig schwer bauen
und einen hohen schaltungstechnischen Aufwand erfordern.
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Bei einem bekannten gattungsgemäßen Drehmomentwandler (DE-PS 360 511)
beispielsweise sind der Generator und der Elektromotor räumlich voneinander getrennt
und über eine Welle verbunden, auf der der Generatoranker und der Motoranker angebracht
sind.
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Insgesamt besteht der bekannte Drehmomentwandler somit letztendlich
aus zwei in ihrem Aufbau ähnlichen Baugruppen, von denen eine als Generator arbeitet
und den Strom für die andere, den Elektromotor, erzeugt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Drehmomentwandler
derart weiterzubilden, daß er in seinem Aufbau und in seiner Schaltung vereinfacht
ist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehmomentwandler ist nur ein einziger Anker
vorgesehen, der sowohl den Generatoranker als auch den Motoranker bildet. Der erfindungsgemäße
Drehmomentwandler ist dadurch wesentlich kompakter und damit gewichtsgünstiger ausgebildet
als die bisher bekannten elektrischen Drehmomentwandler. Weiter sind die ohmschen
Widerstände im Anker und die ohmschen Verluste durch Minimierung der Leitungslängen
besonders niedrig. Der erfindungsgemäße Drehmomentwandler kommt, wenn die Ankerwicklungen
mit von außen zugeführtem Strom gespeist werden sollen, entsprechend mit lediglich
einem Kollektor aus.
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Zur Wirkungsweise ist wichtig: Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
wird nur ein Teil der übertragenen Leistung elektrisch umgewandelt. Bei Stillstand
des Ankers sind es 100 %, bei gleicher Drehzahl von Läufer und Anker 0 %, im praktischen
Einsatz ca. 30 %. Der Rest wird als Reaktionsmoment magnetisch ohne Energieumwandlung
und damit ohne Verluste übertragen. Der übertragungswirkungsgrad des Drehmomentwandlers
setzt sich entsprechend günstig zusammen.
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W (EL EL + mit q W = Wandlerwirkungsgrad EL = Elektrischer Umwandlungswirkungsgrad
# EL = Anteil der elektrisch umgewandelten Leistung Magn = Anteil der magnetisch
übertragenen Leistung
Im Mittel gilt zum Beispiel: V W = 0,8 0,3
- 0,7 = 0,24 + 0,7 = 0,94 Zur Ausführung des Ankers ergeben sich drei Möglichkeiten:
Der Anker kann als massiver Zylinder (Walze) ausgeführt sein.
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Läufer und Ständer wirken dann radial von außen und sind axial nebeneinander
angeordnet.
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Der Anker kann auch als Rohr ausgeführt sein. Läufer und Ständer wirken
dann radial von innen und von außen auf den Anker.
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Der Anspruch 2 kennzeichnet die beiden letztgenannten Ausführungsformen
des Drehmomentwandlers.
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In einer abgeänderten Ausführungsform kann der Anker auch als Scheibe
ausgeführt sein, wobei Läufer und Ständer dann axial von beiden Seiten her auf den
Anker wirken.
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Die im Anspruch 3 gekennzeichnete Ausführungsform des Drehmomentwandlers
hat den Vorteil, daß sie schaltungstechnisch besonders einfach beherrschbar ist.
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Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 wird erreicht, daß Läufer und Anker
weitgehend synchron drehen.
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Der Anspruch 5 kennzeichnet eine besonders einfache Ausführungsform
des Drehmomentwandlers, die sich dadurch auszeichnet, daß der Anker ohne jeden Kollektor
auskommt.
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Mit den Merkmalen des Anspruchs 6 wird erreicht, daß der Ständer keine
eigene Stromquelle benötigt.
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Der Anspruch 7 kennzeichnet die grundsätzliche Schaltung, die zum
Wandeln bei der Ausführungsform des Drehmomentwandlers gemäß Anspruch 6 verwendet
wird.
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Einen Überblick über die Gestaltungsmöglichkeiten des Drehmomentwandlers
mit Walzenanker zeigt die nachfolgende Variationsmatrix abhängig von den drei Wicklungsarten
S = Standardwicklung K = Kurzschlußwicklung P = Permanentmagnetfelder
| Var.Nr. 1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 |
| Läufer S K S S P P P S K S S K 5 |
| Anker S S K S S K S P P P S S K |
| Ständer S S S K S S K S S K P P P |
Besonders vorteilhaft sind die Varianten 1.1 und 2.2.
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Sie sind daher Inhalt von Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Drehmomentwander ist besonders gut für den Einbau
in Kraftfahrzeuge geeignet, da er geringes Gewicht hat und mit hohem Wirkungsgrad
arbeitet Der erzielbare hohe Wandlerbereich, die Veränderung des übersetzungsverhältnisses
ohne Unterbrechung des Kraftflusses zwischen Brennkraftmaschine und angetriebenen
Rädern sowie die einfache Steuerbarkeit des Drehmomentwandlers sind wichtige Voraussetzungen
dafür, daß die Brennkraftmaschine weitgehend im günstigsten Wirkungsbradbereich
betrieben werden kann, d.h., daß eine deutliche Absenkung des Kraftstoffverbrauches
erzielt werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Drehmomentwandler ist ein eigener Anlasser
zum Anlassen der Brennkraftmaschine und - bei entsprechendem Schaltungsaufwand -
ein eigener Bordnetzgenerator überflüssig.
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Im folgenden werden zwei vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Drehmomeritwandlers anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren
Einzelheiten erläutert.
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Es stellen dar: Fig. 1 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 verschiedene Schaltungen der Ausführungsform gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt
einer weiteren Ausführungsform und Fig. 4 ein Schaltbild der Ausführungsform gemäß
Fig. 3.
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Gemäß Fig. 1 ist innerhalb eines Gehäuses 10 ein Läufer 12 angeordnet,
der bei 14 im Gehäuse gelagert ist und einen Antriebsflansch 16 aufweist, über den
er mit einer Brennkraftmaschine drehfest kuppelbar ist. Eine Läuferwicklung 18 ist
über Schleifringe20 und Kontakte 22 mit Strom beaufschlagbar.
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Innerhalb des von der Läuferwicklung 18 erzeugten Magnetfeldes befindet
sich eine Hälfte eines Ankers 24, welcher bei 26 in dem Läufer und bei 28 im Gehäuse
10 gelagert ist Der Läufer weist einen Abtriebsflansch 30 auf, der drehfest mit
angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeuges verbindbar ist. Die Ankerwicklung 32 ist
über einen Kollektor 34 und damit zusammenwirkende, im Gehäuse 10 angeordnete Kontakte
36 mit Strom beaufschlagbar.
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Der außerhalb der Läuferwicklung 18 befindliche Teil des Ankers 24
rotiert innerhalb einer Ständerwicklung 38, welche im Gehäuse 10 angeordnet ist.
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Die Funktion des beschriebenen Drehmomentwandlers ist folgende: a)
Anlassen (Fig. 2a) Die Läuferwicklung 18 ist kurzgeschlossen. Die Ankerwicklung
32 und die Ständerwicklung 38 sind in Reihe an eine Batterie 40 angeschlossen. Nach
dem Einschalten läuft der Anker 24 zunächst unbelastet hoch und nimmt den Läufer
12 dann mit.
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Dieser Ablauf ist vorteilhaft für die Auslegung, da keine hohen Einschaltströuie
auftreten.
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b) Leerlauf (Fig. 2b) Die Läuferwicklung 18, die Ankerwicklung 32
und die Ständerwicklung 38 sind offen. Läufer 12 und Anker 24 beeinflussen sich
lediglich über ihre Restmagnetisierung. Der Leerlauf des Motors erfolgt weitgehend
lastfrei.
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c) Drehmoment-Wandeln (Fig. 2c) Die Läuferwicklung 18 ist über einen
Stromregler 42 an die Batterie 40 angeschlossen. Die Ankerwicklung 32 und die Ständerwicklung
38 sind in Reihe geschaltet, wobei ein zwischen ihnen vorgesehener Stellwiderstand
44 auf 0 gestellt ist.
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Der von der Brer.nkraftmaschine angetriebene Läufer 12 rotiert mit
höherer Drehzahl als der Anker 24. In der Ankerwicklung 32 wird daher ein Wechselstrom
induziert, welcher über den Kollektor 34 und die Kontakte 36 (Fig. 1) phasenrichtig
der Ständerwicklung 38 zugeführt wird. Die Ständerwicklung 38 und der Anker 24 mit
der Ankerwicklung 32 bilden einen Reihenschluß-Wechselstrommotor und wirken daher
drehmomenterhöhend. Je größer der Schlupf zwischen Läufer 12 und Anker 24, um so
größer ist die dem Reihenschluß-Wechselstrommotor zugeführte elektrische Energie.
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Die Anpassung des Drehmomentwandlers an die Charakteristik des Verbrennungsmotors
erfolgt über die Regelung der Erregung der Läuferwicklung 18 mit Hilfe des Stromreglers
16.
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d) Kuppeln von Läufer und Anker (Fig. 2d) Läuferwicklung 18 und Ankerwicklung
32 werden in Reihe kurz geschlossen, die Ständerwicklung 38 bleibt offen. Bei kleinem
Schlupf ergeben sich dadurch hohe Ströme mit starken
Magnetfeldern
in der Läuferwicklung 18 und der Ankerwicklung 32, wodurch ein schlupfarmer Betrieb
ohne jedwelche Hilfsenergie erzielt wird. Die offene Ständerwicklung 38 ist ohne
Einfluß auf den Anker 24.
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e) Bremsen (Fig. 2e) Die Ankerwicklung 32 und die Ständerwicklung
38 werden in Reihe mit dem Stellwiderstand 44 kurz geschlossen. Die Läuferwicklung
18 ist offen, so daß keine Rückwirkung zwischen Anker 24 und Läufer 12 besteht.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Drehmomentwandlers in Drehstromschaltung
mit Walzenanker.
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Bei dieser Ausführungsform wird ein Läufer 12' mit Permanentmagnetisierung
durch Permanentmagneten 50 verwendet.
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Der Anker 24' dieser Ausführungsform trägt eine als Kurzschlußkäfig
ausgeführte Ankerwicklung 32'. Ansonsten entspricht die Anordnung der Anordnung
gemäß Fig. 1.
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Die Funktion ist folgende: Das Feld des Läufers 12' kann bei dieser
Ausführungsform nicht zur Regelung beeinflußt werden. Beim Kurzschlußanker 24' kann
ebenfalls nicht unmittelbar zur Regelung eingegriffen werden.
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Direkt kann nur die ruhende Ständerwicklung 38 beschaltet werden,
deren Wirkung auf den Anker zur Regelung verwendet
werden muß.
Um diese Regelaufgabe zu lösen, ist die Ständerwicklung 38' so ausgeführt, daß sich
bei entsprechendem Strom durch die Ständerwicklung 38' ein magnetisches Drehfeld
ausbildet.
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Dies kann mit einer herkömmlichen drei-phasigen Drehstromwicklung
erreicht werden, aber auch, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, dadurch, daß
der durch die Ständerwicklung 38' fließende Drehstrom selbst erregt wird: Die drei-phasige
Ständerwicklung 38' ist niederohmig ausgeführt. Jede Phase X, Y undZ (Fig.4) wird
so durch einen elektronischen Schalter 52, 54 und 56 mit Gleichrichterfunktion beschaltet,
daß sich bei Induktion infolge des drehenden Ankers 24' ein Drehfeld einstellt.
Je nach Frequenz und Amplitude stärkt oder schwächt dieses Drehfeld den Strom im
Kurzschlußanker 24'.
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In Fig. 4 ist die abgewickelte Kurzschlußkäfigwicklung 32' des Ankers
241 den drei Doppelwicklungen X, Y, Z der Ständerwicklung 38' gegenüberliegend dargestellt.
Jede der drei Wicklungen ist über einen der elektronischen Schalter 52, 54 und 56
sowie einen Stellwiderstand 58, 60 und 62 kurz geschlossen. Die elektronischen Schalter
52, 54 und 56 sind an ein gemeinsames Steuergerät 64 angeschlossen, welches die
Informationen Cc -Läufer" = Läuferstellung und Läuferwinkelgeschwindigkeit, "oC-Anker"
= Ankerstellung und Ankerwinkelgeschwindiykeit und "Betriebsart" = vom
Fahrer
gewünschte Betriebsart erhält.
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Abhängig von diesen Informationen werden die Wicklungen X, Y, Z so
geschaltet, daß sich ein Drehfeld in gewünschter Frequenz und Phasenlage durch Induktion
des Magnetfeldes des Ankers 24' einstellt. Parameter sind Phasenlage, Öfnungsdauer
und Frequenz. Während sich die Phasenlage und die öffnungsdauer nach der speziellen
Auslegung der Bauteile richten, gilt für die Frequenz bei den verschiedenen Betriebsarten
eine einfache Gesetzmäßigkeit, die im folgenden erläutert wird: a) Anlassen: Das
von der Ständerwicklung 38 erzeugte Drehfeld wird aus dem Bordnetz über das Steuergerät
64 fremd erregt. Die Frequenz steigt ausgehend von 0 allmählich an. Der Anker 24'
läuft an und nimmt den permanentmagnetisierten Läufer 12' mit.
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b) Leerlauf: Die Frequenz des von der Ständerwicklung 38' erzeugten
Drehfeldes wird so gesteuert, daß sie gleich groß ist wie die des vom Läufer 12'
erzeugten Magnetfeldes. Die Umlaufrichtung beider Felder ist jedoch gegenläufig.
Die Wirkung beider Felder auf den Anker 24' hebt sich somit im wesentlichen auf,
so daß das vom Läufer 12' auf den Anker 24' ausgeübte Drehmoment sehr klein ist.
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c) Drehmoment-Wandeln Das Drehfeld des rotierenden Läufers 12' und
das gesteuerte Induktionsdrehfeld der Ständerwicklung 38' wirken gemeinsam auf den
Anker 24' wie zwei Wicklungen eines Drehstrom-Asynchronmotors, die mit unterschiedlichen
Frequenzen betrieben werden. Entsprechend der Asynchronmotor-Charakteristik stellt
sich hierbei eine Ankerdrehzahl ein, die im Synchronfall dem Mittelwert der beiden
Drehfrequenzen entspricht. Die Stellgröße "Frequenz des Ständer-Drehfeldes" verändert
somit die Drehzahl und damit die Drehmoment-Charakteristik des Wandlers.
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d) Kuppeln von Läufer und Anker Gefordert wird maximaler Ankerstrom,
um ein möglichst hohes Ankermagnetfeld mit dem Läufermagnetfeld quasi "zu verzahnen".
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Maximaler Ankerstrom wird erreicht, wenn das Ständerdrehfeld gleichsinnig
und mit gleicher Drehzahl umläuft wie der Läufer.
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e) Bremsen Das Ankermagnetfeld induziert in der Ständerwicklung elektrische
Leistung, die in den Stellwiderständen 64, welche nur beim Bremsen einen Wert ungleich
0 haben, in Wärme umgesetzt wird. Die elektronischen Schalter 52, 54 und 56 schließen
in diesem Fall die Wicklungen X, Y, Z ohne Unterbrechung und ohne Ventilwirkung
an die Stellwiderstände 58, 60 und 62 an.
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Die gesteuerte Drehfrequenz ist 0.
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Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt ist. Permanentmagnetische
Erregung oder Stromerregung
des Läufers, Kurzschlußkäfigwicklung oder andere, mit Kollektor arbeitende Wicklungen
des Ankers und unterschiedliche Anordnungen der Ständerwicklung können in verschiedener
Weise miteinander kombiniert werden. Die beim Bremsen in der Ständerwicklung induzierte
Spannung kann zum Laden einer Batterie herangezogen werden.