DE19712083A1 - Electro-converter and its control strategy - Google Patents
Electro-converter and its control strategyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrowandler und seine Regelstrategie.The invention relates to an electric converter and its control strategy.
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.Electric converters are generally known and are already being built (e.g. Fichtel & Sachs). The simplest type of electric converter consists of a generator made by an engine is rotated and drives an electric motor on the output. A major disadvantage of this principle is that the two machines Efficiency of the transmission as a product of generator efficiency and Engine efficiency is bad and the two separate machines Space and the weight of the principle for mobile applications is too large.
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 German patent application P 29 28 770 is to avoid these disadvantages a single anchor is provided, which is both a generator anchor and an engine anchor. When the drive shaft that excites the generator armature rotates, it induces it in this one stream. The armature is fixed to the output shaft and its rotation The magnetic field of the stator (stator) also penetrates windings. To regulate the principle, two options are shown, the real one Torque conversion and with clutch either only the regulation of the current strength provide in the rotor winding or only in the stator winding.
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 the first illustration, the armature winding and the stator winding are connected in series with an intermediate collector for torque conversion ( FIG. 2c). "The torque conversion is adapted to the characteristics of the internal combustion engine by regulating the excitation of the rotor winding with the aid of the current regulator." Since a large current flows through the collector with a high conversion factor, the collector is overwhelmed or at least subject to high wear. Controlling the rotor current alone would also reduce efficiency, as is clear from the analyzes shown later.
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.In the second illustration, an induction rotating field is controlled in the stand, so that it act together like two windings of a three-phase asynchronous motor that with operated at different frequencies. The manipulated variable "frequency of the Stator rotating field thus changes the speed and thus the torque characteristic of the converter.
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.Such a frequency control of the stator rotating field is likely - in particular for the services in question - be very complex and therefore expensive. Here the quality of the efficiency of such a regulation is also questionable.
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. The invention seeks to remedy this. The invention as characterized enables simple regulation with the help of two current regulators for the Rotor current and for the stator current and / or by changing the Coverage area of the magnetic field penetration of the armature winding by the Magnetic field of the rotor and / or the stator due to axial displacement.
Sofern Kollektoren verwendet werden, fließen vergleichsweise geringe Stromleistungen über diese.If collectors are used, comparatively low power flows about these.
Dies wird dadurch erreicht, daß durch Einstellung der ersten Magnetfeldstärke Ban im
Läufer und der zweiten Magnetfeldstärke Bab im Ständer des Drehmomentverhältnis
von Abtriebswelle Mab zu Antriebswelle Man eingestellt werden kann nach der Formel:
This is achieved by setting the first magnetic field strength B an in the rotor and the second magnetic field strength B ab in the stator to set the torque ratio from the output shaft M ab to the drive shaft M an according to the formula:
und entsprechend das Drehzahlverhältnis
and the speed ratio accordingly
mit
nan = Antriebsdrehzahl des Getriebes
nab = Abtriebsdrehzahl des Getriebes
ε = Leistungsverlust des Getriebes durch Schlupf
K = Von Getriebeauslegung abhängige Konstante
With
n on = drive speed of the gearbox
n ab = output speed of the gearbox
ε = loss of power of the transmission due to slip
K = Constant dependent on gearbox design
Dabei werden Ban und Bab so eingestellt, daß gilt:
Wenn Ban(max) = Ban0 das maximal einstellbare Magnetfeld des Läufers durch
minimale Stromdrosselung des Läuferstroms und Bab(max) = Bab0 das maximal
einstellbare Magnetfeld des Ständers, dann werden Ban und Bab eingestellt im Bereich
B an and B ab are set so that:
If B an (max) = B an0 the maximum adjustable magnetic field of the rotor by minimal current throttling of the rotor current and B ab (max) = B ab0 the maximum adjustable magnetic field of the stator, then B on and B ab are set in the range
1 ≦ Mab/Man ≦ (Bab0 + Ban0)/Ban0 ⇒ Ban ≈ Ban0 und Bab ≦ Bab0
(Bab0 + Ban0)/Ban0 ≦ Mab/Man < ∞ ⇒ Ban ≦ Ban0 und Bab ≈ Bab0 1 ≦ M ab / M an ≦ (B ab0 + B an0 ) / B an0 ⇒ B an ≈ B an0 and B ab ≦ B ab0
(B ab0 + B an0 ) / B an0 ≦ M ab / M an <∞ ⇒ B an ≦ B an0 and 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.The peculiarity of this solution, as it is explained in Fig. 5, is the fact that rotor and stator can be operated with direct current, which is only changed in size. This allowed this solution to be extremely simple and low-maintenance.
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.The stator frequency is then also controlled with collectors, reed switches, induction from the output rotor or electronically in such a way that the voltage in the armature windings induced by the armature rotation relative to the stator acts counter to the voltage induced in the armature winding by the relative rotation of the rotor and armature . However, based on the analysis of FIG. 5, this is probably not necessary.
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.The rotor and stator current are (when the electric converter is operated as a clutch or Torque converter) externally excited, from the primary or a second Armature winding, the stator current is induced or by the shunt of Armature winding excited. There is a series connection with the first armature winding excluded, because by regulation z. B. the stator current also Armature current would be regulated, which is of course undesirable.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Elektrowandlers wird anhand der Fig. 1-5 erläutert.The function of the electric converter according to the invention is explained with reference to FIGS. 1-5.
Fig. 1 zeigt das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Elektrowandlers in perspektivischer Sicht als Explosionsskizze und im Zusammenbau. Fig. 1 shows the basic principle of the electric converter according to the invention in perspective view as an exploded view and in assembly.
Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch das Prinzip. Fig. 2 shows a vertical section through the principle.
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 Ban des Antriebsläufers 1 kann mit dem ersten Stromregler 4 geregelt werden.A drive rotor 1 with a winding 2 , through which a direct current 3 flows through slip rings, is rotated by an engine. The current flow and thus the size of the magnetic field B on the drive rotor 1 can be regulated with the first current regulator 4 .
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.The driven rotor 5 , which rotates a work machine, has copper rings 6 around the iron poles 7 and lies around the drive rotor 1 and the stator magnet 8 . When the drive rotor 1 rotates relative to the driven rotor 5 , a voltage is induced in the copper rings 6 , which act as a short-circuit line, which leads to a current I in the copper rings and thus produces a magnetic alignment in the iron poles. This creates a coupling force between the input and output rotor and the drive rotor takes the output rotor with it.
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.The driven rotor 5 is also around the stator magnet 8 with its stator winding 9 , which is also fed by a current source 12 and in which the current flow can be adjusted with the second current regulator 10 and thus its magnetic field. A frequency controller 11 regulates the magnet orientation in the stator magnet 8 so that it always acts as an electric motor for a given current flow in the copper rings 6 . In this way, a counter voltage to the voltage induced by the drive rotor is achieved at a given output speed.
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 Bab der Wicklungen des Abtriebsläufers. In der gezeigten Stellung hat man eine reine Kupplung. FIG. 1 a shows one possibility of how, instead of the second current regulator for the stator, the stator magnet 15 is pulled axially out of the sleeve of the driven rotor 5 . This changes the overlap area of the windings 6 and the magnetic field penetration B generated by the stator from the windings of the driven rotor. In the position shown you have a pure clutch.
Diese Zusammenhänge seien weiter erläutert:
Der Antriebsläufer habe ein Magnetfeld, welches mit der Stärke Ban die Ankerwicklung
durchdringe. Dann wird in der Ankerwicklung in Abhängigkeit von der Differenz der
Antriebsdrehzahl und der Abtriebsdrehzahl die Wechselspannung uan ≈ an.0.707
induziert mit:
These relationships are explained further:
The drive rotor have a magnetic field that permeates the intensity B of the armature winding. Then the alternating voltage u an ≈ an .0.707 is induced in the armature winding depending on the difference between the input speed and the output speed with:
mit
With
an = Spannungsspitze
lan = Leiterlänge im Magnetfeld des Antriebsläufers (m)
ran = Radius des Induktionsspalts (m)
nan = Antriebsdrehzahl pro Minute
nab = Abtriebsdrehzahl pro Minute on = voltage peak
l an = conductor length in the magnetic field of the drive rotor (m)
r an = radius of the induction gap (m)
n on = drive speed per minute
n ab = output speed per minute
Der Ständer habe das gesteuerte Magnetfeld, welches mit der Stärke Bab die
Ankerwicklung durchdringe. Dann wird dadurch in der Ankerwicklung in Abhängigkeit
von der Abtriebsdrehzahl die Wechselspannung uab ≈ ab.0.707 induziert mit:
The stator has the controlled magnetic field, which penetrates the armature winding with the strength B from . Then the ac voltage u ab ≈ from .0.707 is induced in the armature winding depending on the output speed with:
mit
ab = Spannungsspitze
lab = Leiterlänge im Magnetfeld des Ständers (m)
rab = Radius des Induktionsspalts (m)
nab = Abtriebsdrehzahl pro MinuteWith
ab = voltage peak
l ab = conductor length in the magnetic field of the stator (m)
r ab = radius of the induction gap (m)
n ab = output speed per minute
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei ran = rab = r und lab = lan = 1. durch
entsprechende Steuerung der Stromrichtung im Ständer bzw. der Magnetpolung im
Ständer ist die resultierende Spannung in der Ankerwicklung:
Without restricting the generality, let r an = r ab = r and l ab = l an = 1. By appropriately controlling the current direction in the stator or the magnetic polarity in the stator, the resulting voltage in the armature winding is:
und der Stromfluß in der Ankerwicklung:
and the current flow in the armature winding:
mit
ALeiter = Querschnittfläche des Leiters (mm²)
lLeiter = Länge des Leiters (m)
ρ= spezifischer Widerstand des LeitersWith
A conductor = cross-sectional area of the conductor (mm²)
l conductor = length of the conductor (m)
ρ = specific resistance of the conductor
Das Antriebselement Man wird damit:
The drive element M an is thus:
Man = N.A.Ban.lanker (1.5)M an = NAB an .l anchor (1.5)
mit
N = Anzahl der Ankerschleifen
A = Fläche einer Schleife (m²)With
N = number of anchor loops
A = area of a loop (m²)
Dieses Drehmoment wirkt als "Kupplungsdrehmoment" direkt an der Abtriebswelle.
Das vom Ständer auf die Abtriebswelle wirkende elektromotorische Drehmoment
Mmotor wird:
This torque acts as "clutch torque" directly on the output shaft. The electromotive torque M motor acting on the output shaft from the stator becomes:
Mmotor = N.A.Bab.IAnker (1.6)M motor = NAB from .I anchor (1.6)
Damit wirkt an der Abtriebswelle das Drehmoment
The torque thus acts on the output shaft
Mab = Mmotor + Man (1.7)M ab = M motor + M an (1.7)
Somit gilt:
Therefore:
K = von Wandlergestaltung abhängige Konstante (im vorliegenden Fall = 1)K = constant dependent on converter design (in the present case = 1)
Man erkennt, daß für den Fall, daß uan = uab folgt: Ban.nan = (Ban + Ban).nab. Dieser ideale Grenzwert wird aber nicht erreicht, da dann Ianker = 0 wird und das Getriebe keine Leistung übertragen kann. Bei einem Elektrowandler muß also immer ein gewisser Schlupf vorhanden sein.It is evident that follows in case that u u in = from B to .n an = (B to B + at) .n from. However, this ideal limit value is not reached, since then I anchor = 0 and the transmission cannot transmit any power. With an electric converter, there must always be some slip.
Aus den Gleichungen (1.3), (1.4) und (1.5) erhält man die Konstanten:
The constants are obtained from equations (1.3), (1.4) and (1.5):
und daraus bei gegebenen Man, Ban, Bab und nab die Antriebsdrehzahl des Motors:
and from this given the given M an , B an , B ab and n ab the drive speed of the motor:
Der Faktor
The factor
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.is the loss term ε. It rises linearly with that Drive torque and quadratic with the reduction of the rotor magnetic field. This results in the control strategy proposed in claim 5.
In der nachfolgenden Überschlagsrechnung soll die Höhe dieses Schlupfs und damit der
rechnerische Wirkungsgrad des Getriebes abgeschätzt werden:
In the following rough calculation, the amount of this slip and thus the calculated efficiency of the transmission should be estimated:
Dann ist
Then
Für Man = 100 Nm, Ban(max) = Bab(max) =1 T und nab = 1500 U/min folgt:
For M an = 100 Nm, B an (max) = B ab (max) = 1 T and n ab = 1500 U / min follows:
Man beachte, daß die Ankerspannung z. B. für Mab/Man = 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.Note that the armature voltage z. B. for M ab / M an = 4 approx. 17 V and the armature current approx. 168.9 A. That in the anchor for this point an electrical power of 2.8 kW is converted into heat. Assuming that the excitation windings are supplied by the alternator and that they take up power of a similar size, the efficiency is very cheap compared to other continuously variable transmissions.
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. 3 shows various possibilities to regulate the excitation frequency in the stator magnet in a functionally appropriate manner. In all of them, the winding 31 of the driven rotor 27 , which is a short-circuit winding, is excited by the rotor winding 30 and the stator winding 32 and the rotor and stator magnets can be set separately by current regulators 33, 34, 43 .
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. Fig. 3a shows a possibility, in the rotor 29 and stator are separately excited 28 from a battery 35. An induction loop 36 on the winding of the driven rotor switches a switch 37 in the frame depending on the current direction in the winding of the driven rotor and the position relative to the stator.
Die Fig. 3c-3e sind Möglichkeiten gezeigt, bei welchen der Ständerstrom vom Ankerstrom in Abhängigkeit von Ankerstromrichtung und Relativstellung des Ankers induziert wird. Figs. 3c-3e are shown possibilities, in which the stator current induced by the armature current as a function of armature current direction and relative position of the armature.
Fig. 3c zeigt eine Induktion durch die Primärschleife 31 des Ankers. Der Stromregler 34 regelt dabei den Ständerstrom. Fig. 3c shows an induction through the primary loop 31 of the anchor. The current regulator 34 regulates the stator current.
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. Fig. 3d and 3e show two separate anchor loops. The first loop 31 is the normal armature winding for the gear function. The second is used only for induction of the stator current.
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. 3d, the rotor also has a second circuit with a current regulator 43 . When this second circuit (clutch) is reduced, the current then induced in the stator 32 by the magnets of the driven rotor is interrupted by a switch 44 .
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.In Fig. 3e on the rotor wheel with a permanent magnet 45 is fixed, which induces a second winding of the driven rotor, the stator magnetic field. The stator current is set with a regulator.
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. Fig. 4 shows a transmission corresponding to FIG. 5 in axial longitudinal section. Two magnetic pole wheels offset by 90∘ are attached to each other on the drive rotor. That is, a conductor groove of the first magnetic pole wheel 50 lies at the level of the iron pole center of the second magnetic pole wheel 51 and vice versa.
Die Magnetpole werden elektrisch angeregt und ihr Magnetfeld kann mit einem Stromregler verändert werden.The magnetic poles are excited electrically and their magnetic field can with a Current controller can be changed.
Zu jedem Magnetpol liegen im Abtriebsläufer 52 zwei Polringe 53, 54 mit Eisenpolen die mit Kupferringen umlegt sind. Im Abtriebsläufer liegen die Pole nebeneinander.For each magnetic pole there are two pole rings 53, 54 with iron poles in the output rotor 52 which are wrapped with copper rings. The poles lie side by side in the driven rotor.
Zwei Magnetpolräder 55, 56 im Ständer, deren Erregerstrom ebenfalls mit einem Stromregler geregelt werden kann, liegen jeweils unter einem Polring des Abtriebsläufers.Two magnetic pole wheels 55, 56 in the stator, the excitation current of which can also be regulated with a current regulator, are each located under a pole ring of the driven rotor.
Während Antriebsläufer und Ständer gleiche Anzahl von Polpaaren haben können, muß die Zahl der Polpaare am Abtriebsläufer größer z. B. dreimal so groß sein.While the rotor and stator can have the same number of pole pairs, the number of pole pairs on the driven rotor must be greater than z. B. three times as large.
Diese einfache Anordnung wirkt als Getriebe, dessen Übersetzung mit zwei Stromreglern eingestellt wird.This simple arrangement acts as a gear, its translation with two Current regulators is set.
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.Based on FIG. 5 is explained that the magnetic poles are always oriented so by the currents in the driven rotor, that the driven rotor is pressed away in the direction of rotation of the drive rotor from the stator.
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.To do this, consider a copper ring in the output rotor, which has a first one Section A and a second section B over the magnetic poles of the Drive rotor and with a third section C and a fourth section D is arranged above the magnetic poles of the stand.
Die Sinuskurven sollen die wechselnden Induktionsstärken und Richtungen im Ständer und im Antriebsläufer darstellen.The sine curves are intended to change the induction strengths and directions in the stand and represent in the drive rotor.
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 Ban.(nan-nab) bzw. aus Bab.nab 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. Then, when the upper sine wave moves to the right of the north pole, the current directions shown in FIG. 5a are induced upward. However, since the induction force through A and B is different in magnitude and possibly even directed in opposite directions, different voltages are induced in A and B, which leads to an alternating voltage. As shown above, the voltage peak depends on the product from B an . (N an -n ab ) or from B ab .n ab (and therefore almost the same height of the sine curves). Depending on the position to the stator (lower sine curve), the current directions shown in FIG. 5a are induced downward in points C and D by the opposite movement of the stator relative to the driven rotor from the north pole when the output shaft rotates. The strength of the induction is indicated by the thickness of the arrows.
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 the relative position of the drive rotor and stator shown in FIG. 5a, they therefore rise the induced voltages on, there is no current and there are on the output rotor no magnetic poles formed. This position comes only in discrete points in front. If necessary, you can completely avoid them if the pole pairs are on Drive rotor and stand are not the same.
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.A current always flows in the other position. The peculiarity is that (almost?) always form the magnetic poles of the driven rotor so that they are between the North pole maximum and the south pole maximum of the stator north poles, so that on it acts as a force to the South Pole. Between the south pole maximum and the north pole maximum but they become south poles, so that a further rotating force on the north pole Downforce rotor works.
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.It can be seen that no frequency control is necessary as a result of this automatism, since the magnetic field in the driven rotor is automatically "correctly" oriented. Practical examinations must show whether it is necessary to start with certain speeds or speed differences as shown in Fig. 3.
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).Overall, this concept should be the simplest and easiest usable, infinitely adjustable gears can be realized that one can imagine (no friction, no wear, quickest control option, none Idling losses, possibility to brake electrically).
Natürlich müssen bei dem Getriebe nicht die Kupferringe eingesetzt werden, sondern es können normale dreiphasige Wicklungen im Abtriebsläufer verwendet werden.Of course, the copper rings do not have to be used for the gearbox, but normal three-phase windings can be used in the output rotor.
Claims (8)
- 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 Ban des Läufers und der zweiten
Magnetfeldstärke Bab des Ständers das Verhältnis des Drehmoments Mab der
Abtriebswelle und des Drehmoments Man der Antriebswelle nach der Formel:
und entsprechend das Drehzahlverhältnis:
mit
nan = Antriebsdrehzahl pro Minute
nab = Abtriebsdrehzahl pro Minute
ε = Leistungsverlust des Getriebes durch Schlupf
K = Von Getriebeauslegung abhängige Konstante
die Momenten- und Drehzahlwandlung des Getriebes eingestellt wird und
- 1. the armature effect 6, 31 is a short-circuit winding, but which can have a shunt branch or can induce voltages in the stator or rotor,
- 2. the penetration of the armature by both the magnetic field of the rotor and the magnetic field of the stator by changing the stator or rotor current with current control elements 4, 10; 33, 34, 43; or the duty cycle or by changing the effective area of these magnetic fields on the armature,
- 3. By setting the first magnetic field strength B on the rotor and the second magnetic field strength B on the stator, the ratio of the torque M from the output shaft and the torque M on the drive shaft according to the formula:
and accordingly the speed ratio:
With
n on = drive speed per minute
n ab = output speed per minute
ε = loss of power of the transmission due to slip
K = Constant dependent on gearbox design
the torque and speed conversion of the transmission is set and
Wenn Ban(max) = Ban0 das maximal einstellbare Magnetfeld des Läufers (z. B. durch minimale Stromdrosselung des Läuferstroms) und Bab(max) = Bab0 das maximal einstellbare Magnetfeld des Ständers, dann werden Ban und Bab eingestellt im Bereich
1 ≦ Mab/Man ≦ (Bab0 + Ban0)/Ban0 ⇒ Ban ≈ Ban0 und Bab ≦ Bab0
(Bab0 + Ban0)/Ban0 ≦ Mab/Man < ∞ ⇒ Ban ≦ Ban0 und Bab ≈ Bab0 5. Electric torque converter under claims 1-4, characterized in that B on and B from are set such that the following applies:
If B an (max) = B an0 the maximum adjustable magnetic field of the rotor (e.g. by minimal current throttling of the rotor current) and B ab (max) = B ab0 the maximum adjustable magnetic field of the stator, then B on and B ab are set in the area
1 ≦ M ab / M an ≦ (B ab0 + B an0 ) / B an0 ⇒ B an ≈ B an0 and B ab ≦ B ab0
(B ab0 + B an0 ) / B an0 ≦ M ab / M an <∞ ⇒ B an ≦ B an0 and B ab ≈ B ab0
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1997112083 DE19712083A1 (en) | 1997-03-22 | 1997-03-22 | Electro-converter and its control strategy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1997112083 DE19712083A1 (en) | 1997-03-22 | 1997-03-22 | Electro-converter and its control strategy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19712083A1 true DE19712083A1 (en) | 1998-09-24 |
Family
ID=7824297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1997112083 Withdrawn DE19712083A1 (en) | 1997-03-22 | 1997-03-22 | Electro-converter and its control strategy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19712083A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2928770A1 (en) * | 1979-07-17 | 1981-01-29 | Audi Nsu Auto Union Ag | Torque converter for vehicles - has armatures of generator and motor combined as one unit in cylindrical housing |
| DE3225908C2 (en) * | 1982-07-10 | 1984-09-27 | FAG Kugelfischer Georg Schäfer KGaA, 8720 Schweinfurt | Electric torque converter |
-
1997
- 1997-03-22 DE DE1997112083 patent/DE19712083A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2928770A1 (en) * | 1979-07-17 | 1981-01-29 | Audi Nsu Auto Union Ag | Torque converter for vehicles - has armatures of generator and motor combined as one unit in cylindrical housing |
| DE3225908C2 (en) * | 1982-07-10 | 1984-09-27 | FAG Kugelfischer Georg Schäfer KGaA, 8720 Schweinfurt | Electric torque converter |
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