DE19712083A1

DE19712083A1 - Elektrowandler und seine Regelstrategie

Info

Publication number: DE19712083A1
Application number: DE1997112083
Authority: DE
Inventors: Graf Von Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-03-22
Filing date: 1997-03-22
Publication date: 1998-09-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrowandler und seine Regelstrategie.

Elektrowandler sind grundsätzlich bekannt und werden auch schon gebaut (z. B. Fichtel & Sachs). Die einfachste Art von Elektrowandler besteht aus einem Generator, der von einer Kraftmaschine gedreht wird und der einen Elektromotor am Abtrieb treibt. Ein wesentlicher Nachteil dieses Prinzips ist, daß durch die zwei Maschinen der Wirkungsgrad des Getriebes als Produkt aus Generatorwirkungsgrad und Motorenwirkungsgrad schlecht wird und durch die zwei getrennten Maschinen der Bauraum und das Gewicht des Prinzips für Mobilanwendungen zu groß wird.

In der deutschen Patentanmeldung P 29 28 770 ist zur Vermeidung dieser Nachteile ein einziger Anker vorgesehen, der gleichzeitig Generatoranker und Motorenanker ist. Bei Drehung der Antriebswelle, die den Generatorenanker erregt, induziert sie damit in diesem einen Strom. Der Anker ist drehfest an der Abtriebswelle fest und seine Wicklungen werden ebenfalls vom Magnetfeld des Stators (Ständers) durchdrungen. Zur Regelung des Prinzips sind zwei Möglichkeiten dargestellt, die bei echter Drehmomentwandlung und bei Kupplung entweder nur die Regelung der Stromstärke in der Läuferwicklung oder nur in der Ständerwicklung vorsehen.

In der ersten Darstellung sind dort bei Drehmomentwandlung (Fig. 2c) Ankerwicklung und Ständerwicklung in Reihe geschaltet mit einem zwischenliegenden Kollektor. "Die Anpassung der Drehmomentwandlung an die Charakteristik des Verbrennungsmotors erfolgt über die Regelung der Erregung der Läuferwicklung mit Hilfe des Stromreglers." Da bei hohem Wandlungsfaktor ein großer Strom über den Kollektor fließt, ist damit der Kollektor überfordert oder zumindest einem hohen Verschleiß unterworfen. Auch würde eine alleinige Regelung des Läuferstroms den Wirkungsgrad verschlechtern, wie aus den weiter hinten gezeigten Analysen deutlich wird.

In der zweiten Darstellung wird im Ständer ein Induktionsdrehfeld gesteuert, so daß sie gemeinsam wie zwei Wicklungen eines Drehstrom-Asynchronmotors wirken, die mit unterschiedlicher Frequenz betrieben werden. Die Stellgröße "Frequenz des Ständerdrehfelds verändert somit die Drehzahl und damit die Drehmoment-Charakteristik des Wandlers.

Eine derartige Frequenzregelung des Ständerdrehfelds dürfte allerdings - insbesondere bei den in Frage kommenden Leistungen - sehr aufwendig und damit teuer sein. Hier ist ebenfalls die Güte des Wirkungsgrades einer derartigen Regelung fraglich.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht eine einfache Regelung mit Hilfe von zwei Stromreglern für den Läuferstrom und für den Ständerstrom und/oder durch Änderung der Überdeckungfläche der Magnetfelddurchdringung der Ankerwicklung durch das Magnetfeld des Läufers und/oder des Ständers durch Axialverschiebung.

Sofern Kollektoren verwendet werden, fließen vergleichsweise geringe Stromleistungen über diese.

Dies wird dadurch erreicht, daß durch Einstellung der ersten Magnetfeldstärke B_an im Läufer und der zweiten Magnetfeldstärke B_ab im Ständer des Drehmomentverhältnis von Abtriebswelle M_ab zu Antriebswelle M_an eingestellt werden kann nach der Formel:

und entsprechend das Drehzahlverhältnis

mit
n_an = Antriebsdrehzahl des Getriebes
n_ab = Abtriebsdrehzahl des Getriebes
ε = Leistungsverlust des Getriebes durch Schlupf
K = Von Getriebeauslegung abhängige Konstante

Dabei werden B_an und B_ab so eingestellt, daß gilt:
Wenn B_an(max) = B_an0 das maximal einstellbare Magnetfeld des Läufers durch minimale Stromdrosselung des Läuferstroms und B_ab(max) = B_ab0 das maximal einstellbare Magnetfeld des Ständers, dann werden B_an und B_ab eingestellt im Bereich

1 ≦ M_ab/M_an ≦ (B_ab0 + B_an0)/B_an0 ⇒ B_an ≈ B_an0 und B_ab ≦ B_ab0
(B_ab0 + B_an0)/B_an0 ≦ M_ab/M_an < ∞ ⇒ B_an ≦ B_an0 und B_ab ≈ B_ab0

Die Besonderheit dieser Lösung, wie sie in Fig. 5 erläutert wird, ist die Tatsache, daß Läufer- und Ständer mit Gleichstrom betrieben werden können, der nur in seiner Größe verändert wird. Damit durfte diese Lösung extrem einfach und wartungsarm sein.

Die Ständerfrequenz wird dann aber auch so mit Kollektoren, Reed-Schaltern, Induktion vom Abtriebsläufer oder elektronisch geregelt, daß die durch die Ankerdrehung relativ zum Ständer induzierte Spannung in den Ankerwicklungen entgegengesetzt zu der durch die Relativverdrehung von Läufer und Anker in der Ankerwicklung induzierte Spannung wirkt. Dies ist aber aufgrund der Analyse zu Fig. 5 voraussichtlich nicht notwendig.

Läufer- und Ständerstrom sind (bei Betrieb des Elektrowandlers als Kupplung oder Drehmomentwandler) fremderregt, von der primären oder einer zweiten Ankerwicklung wird der Ständerstrom induziert oder vom Nebenschluß der Ankerwicklung erregt. Eine Reihenschaltung mit der ersten Ankerwicklung ist ausgeschlossen, da durch Regelung z. B. des Ständerstroms auch der Ankerstrom geregelt würde, was natürlich unerwünscht ist.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Elektrowandlers wird anhand der Fig. 1-5 erläutert.

Fig. 1 zeigt das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Elektrowandlers in perspektivischer Sicht als Explosionsskizze und im Zusammenbau.

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch das Prinzip.

Ein Antriebsläufer 1 mit einer Wicklung 2, welche über Schleifringe von einem Gleichstrom 3 durchflossen wird, wird von einer Kraftmaschine gedreht. Der Stromfluß und damit die Größe des Magnetfeldes B_an des Antriebsläufers 1 kann mit dem ersten Stromregler 4 geregelt werden.

Der Abtriebsläufer 5, der eine Arbeitsmaschine dreht, habe Kupferringe 6 um die Eisenpole 7 und liege um den Antriebsläufer 1 und den Ständermagneten 8. Bei Drehung des Antriebsläufers 1 relativ zum Abtriebsläufer 5 wird in den Kupferringen 6, die als Kurzschlußleitung fungieren eine Spannung induziert, die zu einem Strom I in den Kupferringen führt und damit in den Eisenpolen eine magnetische Ausrichtung erzeugt. Damit wird eine Kupplungskraft zwischen An- und Abtriebsläufer erzeugt und es nimmt der Antriebsläufer den Abtriebsläufer mit.

Der Abtriebsläufer 5 liegt, auch um den Ständermagneten 8 mit seiner Ständerwicklung 9, die ebenfalls von einer Stromquelle 12 gespeist wird und bei der der Stromfluß mit dem zweiten Stromregler 10 und damit dessen Magnetfeld eingestellt werden kann. Ein Frequenzregler 11 regelt die Magnetorientierung im Ständermagneten 8 so, daß dieser bei gegebenem Stromfluß in den Kupferringen 6 stets elektromotorisch wirkt. Damit wird bei gegebener Abtriebsdrehzahl eine Gegenspannung zur durch den Antriebsläufer induzierten Spannung erreicht.

Fig. 1a zeigt eine Möglichkeit, wie anstelle des zweiten Stromreglers für den Ständer der Ständermagnet 15 axial aus der Hülle des Abtriebsläufers 5 herausgezogen wird. Dadurch wird die Überdeckungsfläche der Wicklungen 6 geändert und die durch den Ständer erzeugte Magnetfelddurchdringung B_ab der Wicklungen des Abtriebsläufers. In der gezeigten Stellung hat man eine reine Kupplung.

Diese Zusammenhänge seien weiter erläutert:
Der Antriebsläufer habe ein Magnetfeld, welches mit der Stärke B_an die Ankerwicklung durchdringe. Dann wird in der Ankerwicklung in Abhängigkeit von der Differenz der Antriebsdrehzahl und der Abtriebsdrehzahl die Wechselspannung u_an ≈ _an.0.707 induziert mit:

mit

_an = Spannungsspitze
l_an = Leiterlänge im Magnetfeld des Antriebsläufers (m)
r_an = Radius des Induktionsspalts (m)
n_an = Antriebsdrehzahl pro Minute
n_ab = Abtriebsdrehzahl pro Minute

Der Ständer habe das gesteuerte Magnetfeld, welches mit der Stärke B_ab die Ankerwicklung durchdringe. Dann wird dadurch in der Ankerwicklung in Abhängigkeit von der Abtriebsdrehzahl die Wechselspannung u_ab ≈ _ab.0.707 induziert mit:

mit
_ab = Spannungsspitze
l_ab = Leiterlänge im Magnetfeld des Ständers (m)
r_ab = Radius des Induktionsspalts (m)
n_ab = Abtriebsdrehzahl pro Minute

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei r_an = r_ab = r und l_ab = l_an = 1. durch entsprechende Steuerung der Stromrichtung im Ständer bzw. der Magnetpolung im Ständer ist die resultierende Spannung in der Ankerwicklung:

und der Stromfluß in der Ankerwicklung:

mit
A_Leiter = Querschnittfläche des Leiters (mm²)
l_Leiter = Länge des Leiters (m)
ρ= spezifischer Widerstand des Leiters

Das Antriebselement M_an wird damit:

M_an = N.A.B_an.l_anker (1.5)

mit
N = Anzahl der Ankerschleifen
A = Fläche einer Schleife (m²)

Dieses Drehmoment wirkt als "Kupplungsdrehmoment" direkt an der Abtriebswelle. Das vom Ständer auf die Abtriebswelle wirkende elektromotorische Drehmoment M_motor wird:

M_motor = N.A.B_ab.I_Anker (1.6)

Damit wirkt an der Abtriebswelle das Drehmoment

M_ab = M_motor + M_an (1.7)

Somit gilt:

K = von Wandlergestaltung abhängige Konstante (im vorliegenden Fall = 1)

Man erkennt, daß für den Fall, daß u_an = u_ab folgt: B_an.n_an = (B_an + B_an).n_ab. Dieser ideale Grenzwert wird aber nicht erreicht, da dann I_anker = 0 wird und das Getriebe keine Leistung übertragen kann. Bei einem Elektrowandler muß also immer ein gewisser Schlupf vorhanden sein.

Aus den Gleichungen (1.3), (1.4) und (1.5) erhält man die Konstanten:

und daraus bei gegebenen M_an, B_an, B_ab und n_ab die Antriebsdrehzahl des Motors:

Der Faktor

ist das Verlustglied ε. Er steigt linear mit dem Antriebsdrehmoment und quadratisch mit der Verringerung des Läufermagnetfeldes. Daraus resultiert die in Patentanspruch 5 vorgeschlagene Regelstrategie.

In der nachfolgenden Überschlagsrechnung soll die Höhe dieses Schlupfs und damit der rechnerische Wirkungsgrad des Getriebes abgeschätzt werden:

Dann ist

Für M_an = 100 Nm, B_an(max) = B_ab(max) =1 T und n_ab = 1500 U/min folgt:

Man beachte, daß die Ankerspannung z. B. für M_ab/M_an = 4 ca. 17 V und der Ankerstrom ca. 168.9 A ist. Daß also im Anker für diesen Punkt eine elektrische Leistung von 2.8 kW in Wärme umgewandelt wird. Unterstellt man nun noch, daß die Erregerwicklungen von der Lichtmaschine versorgt werden und in ähnlicher Größe Leistung aufnehmen, dann ist der Wirkungsgrad vergleichsweise zu anderen stufenlosen Getrieben sehr günstig.

Fig. 3 zeigt verschiedene Möglichkeiten die Erregerfrequenz im Ständermagneten funktionsgerecht zu regeln. Bei allen wird die Wicklung 31 des Abtriebsläufers 27, die eine Kurzschlußwicklung ist, von der Läuferwicklung 30 und der Ständerwicklung 32 angeregt und sind Läufer- und Ständermagnet durch Stromregler 33, 34, 43 separat einstellbar.

Fig. 3a zeigt eine Möglichkeit, bei der Läufer 29 und Ständer 28 von einer Batterie 35 fremderregt sind. Eine Induktionsschleife 36 an der Wicklung des Abtriebsläufers schaltet einen Schalter 37 im Gestell in Abhängigkeit von der Stromrichtung in der Wicklung des Abtriebsläufers und der Relativstellung zum Ständer.

Die Fig. 3c-3e sind Möglichkeiten gezeigt, bei welchen der Ständerstrom vom Ankerstrom in Abhängigkeit von Ankerstromrichtung und Relativstellung des Ankers induziert wird.

Fig. 3c zeigt eine Induktion durch die Primärschleife 31 des Ankers. Der Stromregler 34 regelt dabei den Ständerstrom.

Fig. 3d und 3e zeigen zwei getrennte Ankerschleifen. Die erste Schleife 31 ist die normale Ankerwicklung für die Getriebefunktion. Die zweite dient ausschließlich zur Induktion des Ständerstroms.

Bei Fig. 3d weist auch der Läufer einen zweiten mit einem Stromregler 43 Stromkreis auf. Bei Abregeln dieses zweiten Stromkreises (Kupplung) wird der dann durch die Magneten des Abtriebsläufers im Ständer 32 induzierte Strom mit einem Schalter 44 unterbrochen.

In Fig. 3e ist am Läufer ein Rad mit Permanentmagneten 45 fest, welches über eine zweite Wicklung des Abtriebsläufers das Ständermagnetfeld induziert. Der Ständerstrom wird mit einem Regler eingestellt.

Fig. 4 zeigt ein Getriebe entsprechend der Fig. 5 im axialen Längsschnitt. Es sind am Antriebsläufer nebeneinander zwei um 90∘ versetzte Magnetpolräder angebracht. D. h. ein Leiternut des ersten Magnetpolrades 50 liegt auf Höhe der Eisenpolmitte des zweiten Magnetpolrades 51 und umgekehrt.

Die Magnetpole werden elektrisch angeregt und ihr Magnetfeld kann mit einem Stromregler verändert werden.

Zu jedem Magnetpol liegen im Abtriebsläufer 52 zwei Polringe 53, 54 mit Eisenpolen die mit Kupferringen umlegt sind. Im Abtriebsläufer liegen die Pole nebeneinander.

Zwei Magnetpolräder 55, 56 im Ständer, deren Erregerstrom ebenfalls mit einem Stromregler geregelt werden kann, liegen jeweils unter einem Polring des Abtriebsläufers.

Während Antriebsläufer und Ständer gleiche Anzahl von Polpaaren haben können, muß die Zahl der Polpaare am Abtriebsläufer größer z. B. dreimal so groß sein.

Diese einfache Anordnung wirkt als Getriebe, dessen Übersetzung mit zwei Stromreglern eingestellt wird.

Anhand Fig. 5 wird erläutert, daß durch die Ströme im Abtriebsläufer dessen Magnetpole stets so orientiert sind, daß der Abtriebsläufer in Drehrichtung des Antriebsläufers vom Ständer weggepreßt wird.

Dazu betrachte man einen Kupferring im Abtriebsläufer, der mit einem ersten Teilabschnitt A und einem zweiten Teilabschnitt B über den Magnetpolen des Antriebsläufers und mit einem dritten Teilabschnitt C und einem vierten Teilabschnitt D über den Magnetpolen des Ständers angeordnet ist.

Die Sinuskurven sollen die wechselnden Induktionsstärken und Richtungen im Ständer und im Antriebsläufer darstellen.

Dann werden bei Bewegung der oberen Sinuswelle nach rechts vom Nordpol die in Fig. 5a gezeigten Stromrichtungen nach oben induziert. Da aber die Induktionskraft durch A und B unterschiedlich groß und evtl. sogar entgegengesetzt gerichtet ist, werden unterschiedliche Spannungen in A und B induziert, die zu einer Wechselspannung führt. Die Spannungsspitze ist, wie vorne gezeigt, vom Produkt aus B_an.(n_an-n_ab) bzw. aus B_ab.n_ab abhängig (und daher nahezu gleiche Höhe der Sinuskurven). Je nach Lage zum Ständer (untere Sinuskurve) werden bei drehender Abtriebswelle in den Punkten C und D durch die entgegengesetzte Bewegung des Ständers relativ zum Abtriebsläufer vom Nordpol die in Fig. 5a gezeigten Stromrichtungen nach unten induziert. Die Stärke der Induktion wird durch die Dicke der Pfeile angegeben.

In der in 5a gezeigten Relativstellung von Antriebsläufer und Ständer heben sich daher die induzierten Spannungen auf, es fließt kein Strom und es werden am Abtriebsläufer keine Magnetpole ausgebildet. Diese Stellung kommt aber nur in diskreten Punkten vor. Gegebenenfalls kann man sie völlig vermeiden, wenn die Polpaare an Antriebsläufer und Ständer ungleich sind.

In des anderen Positionen fließt stets ein Strom. Die Besonderheit dabei ist, daß sich (fast?) immer die Magnetpole des Abtriebsläufers so bilden, daß sie zwischen dem Nordpolmaximum und dem Südpolmaximum des Ständers Nordpole werden, so daß auf sie eine Kraft zum Südpol wirkt. Zwischen Südpolmaximum und Nordpolmaximum aber werden sie Südpole, so daß eine weiterdrehende Kraft zum Nordpol auf den Abtriebsläufer wirkt.

Man erkennt, daß durch diesen Automatismus keinerlei Frequenzregelung notwendig ist, da sich automatisch das Magnetfeld im Abtriebsläufer "richtig" orientiert. Ob ab gewissen Drehzahlen bzw. Drehzahlunterschieden Regelungen entsprechend Fig. 3 notwendig werden, müssen praktische Untersuchungen zeigen.

Insgesamt sollte mit diesem Konzept das einfachste und am problemlosesten einsetzbare, stufenlos verstellbare Getriebe realisierbar werden, das man sich vorstellen kann (keine Reibung, kein Verschleiß, schnellste Regelmöglichkeit, keine Leerlaufverluste, Möglichkeit elektrisch zu bremsen).

Natürlich müssen bei dem Getriebe nicht die Kupferringe eingesetzt werden, sondern es können normale dreiphasige Wicklungen im Abtriebsläufer verwendet werden.

Claims

1. Elektrischer Drehmomentwandler mit einem von einer Antriebswelle angetriebenen Läufer 1, welcher koaxial zu einem an einer drehbaren Abtriebswelle 5 drehfest angeordneten Generatoranker 7, 31 und mit diesem drehfest verbundenen Motoranker angeordnet ist, und einem gehäusefesten Ständer 8, 28; der zusammen mit dem Motoranker einen Elektromotor bildet, und bei dem Generatoranker und Motoranker zu einem gemeinsamen Anker verbunden sind, der sowohl vom Magnetfeld B_an des Läufers als auch vom Magnetfeld B_ab des Ständers durchdrungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Ankerwirkung 6, 31 eine Kurzschlußwicklung ist, die aber einen Nebenschlußzweig haben kann oder Spannungen im Ständer oder Läufer induzieren kann,
2. die Durchdringung des Ankers sowohl vom Magnetfeld des Läufers wie auch vom Magnetfeld des Ständers durch Änderung des Ständer- bzw. Läuferstroms mit Stromregelelementen 4, 10; 33, 34, 43; oder der Einschaltdauer oder durch Änderung der Wirkfläche dieser Magnetfelder auf den Anker verändert werden kann,
3. durch Einstellung der ersten Magnetfeldstärke B_an des Läufers und der zweiten Magnetfeldstärke B_ab des Ständers das Verhältnis des Drehmoments M_ab der Abtriebswelle und des Drehmoments M_an der Antriebswelle nach der Formel:
und entsprechend das Drehzahlverhältnis:
mit
n_an = Antriebsdrehzahl pro Minute
n_ab = Abtriebsdrehzahl pro Minute
ε = Leistungsverlust des Getriebes durch Schlupf
K = Von Getriebeauslegung abhängige Konstante
die Momenten- und Drehzahlwandlung des Getriebes eingestellt wird und

2. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder B_an und/oder B_ab durch Elektromagneten erzeugt werden, die fremderregt sind, im Nebenschluß mit der Ankerwicklung verbunden sind oder von einem separaten, regelbaren Stromkreis mit durch den Ankerstrom induzierter Spannung gesteuert werden und die Magnetfelder verstellbar sind.

3. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufermagnet ein Gleichstromelektromagnet ist, dessen Magnetfeld mit einem Stromregler veränderbar ist, oder ein Permanentmagnet, dessen Überdeckungsfläche mit dem Abtriebsläufer durch Axialverschiebung änderbar ist.

4. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständermagnet ein Gleichstromelektromagnet ist, dessen Magnetfeld mit einem Stromregler veränderbar ist, oder ein Permanentmagnet, dessen Überdeckungsfläche mit dem Abtriebsläufer durch Axialverschiebung änderbar ist.

5. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß B_an und B_ab so eingestellt werden, daß gilt:
Wenn B_an(max) = B_an0 das maximal einstellbare Magnetfeld des Läufers (z. B. durch minimale Stromdrosselung des Läuferstroms) und B_ab(max) = B_ab0 das maximal einstellbare Magnetfeld des Ständers, dann werden B_an und B_ab eingestellt im Bereich
1 ≦ M_ab/M_an ≦ (B_ab0 + B_an0)/B_an0 ⇒ B_an ≈ B_an0 und B_ab ≦ B_ab0
(B_ab0 + B_an0)/B_an0 ≦ M_ab/M_an < ∞ ⇒ B_an ≦ B_an0 und B_ab ≈ B_ab0

6. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei versetzte Läufermagnetfelder und zwei getrennte Ankerwicklungen vorhanden sind und das erste Läufermagnetfeld die erste Ankerwicklung mit der Stärke B_an/2 durchdringt und das zweite Läufermagnetfeld die zweite Ankerwicklung mit der Stärke B_an/2 durchdringt.

7. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polpaarzahl am Abtriebsläufer größer ist als an Antriebsläufer und Ständer.

8. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polpaarzahl an Antriebsläufer und Ständer ungleich ist.