DE19754264A1 - Elektrowandler und seine Regelungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrowandler und seine Regelungen.

0. Fachgebiet

Elektrowandler sind grunsätzlich bekannt und werden auch schon gebaut.

Die einfachste Art von Elektrowandler besteht aus einem Generator, der von einer Kraftmaschine gedreht wird, und einem Elektromotor, der den Abtrieb dreht.

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 zwei getrennte Maschinen der Bauraum und das Gewicht und der Preis zu hoch wird.

In der deutschen Patentanmeldung P 29 28 770 ist zur Vermeidung dieser Nachteile ein einziger Anker an der Abtriebswelle vorgesehen, der gleichzeitig Generatoranker und Motorenanker ist. Bei Drehung der Antriebswelle, die den Generatorenanker erregt, induziert sie 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 in der Ständerwicklung vorsehen.

In der ersten Darstellung sind dort bei Drehmomentwandlung (Fig. 2c) Ankerwicklung und Ständerwicklung in Reihe geschaltet mit zwischenliegendem Kollektor. Da bei hohem Wandlungsfaktor ein großer Strom über den Kollektor fließt, ist dieser überfordert oder zumindest einem hohen Verschleiß unterworfen.

In der zweiten Darstellung wird im Ständer ein Induktionsdrehfeld gesteuert. Die Steuerung eines derartigen Drehfelds bei den in Frage kommenden Leistungen dürfte aber sehr aufwendig sein.

In der deutschen Patentanmeldung P 197 12 083 ist eine Drehmoment- und Drehzahlregelung allein über die relativen Stärken des Erregungsmagnetfelds am Antriebsläufer und dem Magnetfeld des Abtriebsläufers vorgesehen. Eine derartige Regelung ist ohne großen Aufwand möglich.

Die vorliegende Patentanmeldung begehrt Schutz für einen besonderen Aufbau des in P 197 12 083 beschriebenen Elektrowandlers.

Dieser Aufbau und seine Funktion wird anhand der Fig. 1-9 beschrieben. Dabei werden zwei unterschiedliche Konzepte vorgestellt.

1. Aufbaukonzepte

Die beiden Konzepte arbeiten mit zwei Erregern, bei denen die Magnetpole nicht umorientiert werden (Gleichstromerregung bzw. Permanentmagnete). Die Realisationsmöglichkeit für dieses Konzept wird in Kapitel 3 begründet.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild der Anordnung der Fig. 2.

An der Antriebswelle sind die fremderregten, generatorisch wirkenden Läufermagneten G1 und G2 fest, deren Magnetfeldstärke B₁ und B₂ über die Verstellwiderstände W1 und W2 geregelt werden kann. G1 induziert in der gehäusefesten Wicklung N1 die Spannung U1 und den Strom I1. N1 ist mit der Wicklung N_gest kurzgeschlossen.

Mit einem verstellbaren Kondensator C1 wird der Blindwiderstand X1 klein gehalten.

Will man z. B. den Blindwiderstand X1 bei jeder Antriebsdrehzahl 0 werden lassen, muß man stets Resonanz erhalten.

Dies ist möglich für C1 = 1/ω 2|an_*L (Erläuterungen in Kapitel 2).

G2 induziert in der an der Abtriebswelle festen Wicklung N2 die Spannung U2 und den Strom I2. N2 ist mit dem Läufermagneten M3 kurzgeschlossen.

Mit dem Kondensator C2 wird z. B. für eine niedrige Drehzahldifferenz zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle Resonanz erzeugt.

In Kapitel 3 wird gezeigt werden, daß für diese Anordnung keinerlei Frequenzsteuerung notwendig ist, sondern daß zwischen N_gest und M3 stets eine motorisch wirkende Kraft am Abtriebsläufer erzeugt wird.

Die Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des ersten, verbesserten Getriebekonzepts.

Die Antriebswelle 101 weist zwei Läufer 102, 103 mit den Erregerwicklungen 104, 105 auf, die über Schleifringe 106, 107 mit Gleichstrom gespeist werden. Jede Erregerwicklung kann in ihrer Stromstärke über die Regelkreise 109, 110 unabhängig voneinander verändert werden und so das durch die erste Erregerwicklung 104 erzeugte Magnetfeld B1 und die zweite Erregerwicklung 105 erzeugte Magnetfeld B2 beliebig eingestellt werden.

Magnetfeld B1 induziert im Gestell 112 in der Wicklung 113 mit N Schleifen einen Strom der Spannung U_gest. Die Wicklung 113 ist mit einer Wicklung 114 mit k_*N Schleifen, die ein Magnetfeld B_Gest im Gestell 112 erzeugt, im Kurzschluß verbunden.

An der Abtriebswelle 120 ist der Abtriebsläufer 121 mit den Kurzschlußwicklungen 122 angeordnet. Die Kurzschlußwicklungen 122 werden sowohl vom zweiten Magnetfeld B2 des Antriebsläufers, wie auch vom Magnetfeld B_Gest des Gestells durchdrungen.

Über die Einstellung des Magnetfeldes B1 und des Magnetfeldes B2 kann das Momenten- und Übersetzungsverhältnis von Antriebs- zu Abtriebswelle stufenlos verändert werden.

Die Fig. 3 zeigt ein zweites Konzept für ein verbessertes Getriebe.

Dabei wird im Antriebsläufer ein Polring mit Permanentmagneten 131 eingesetzt, anstelle der Lösung der Fig. 2, in der durch einen fremderregten Elektromagneten (104 in Fig. 3) die Spannung in der Gestellwicklung 130 induziert wird. Die Verstellung bei gegebener Antriebsdrehzahl erfolgt durch ein Verschieben der Gestellwicklungen 130, wodurch die Überdeckungsfläche bzw. in der Formel für die induzierte Spannung U = B_*l_*r_*ω die Länge l verändert wird.

2. Drehmomente an den Getriebewellen 2.1 Drehmoment an Antriebswelle

Das Drehmoment M_an der Antriebswelle setzt sich zusammen aus

• a) dem Generatordrehmoment M₁ zwischen dem Antriebsläufer G1 und der Gestellwicklung N1 und
• b) dem Generatordrehmoment M₂ zwischen dem Antriebsläufer G2 und der Abtriebsläuferwicklung N2.

Daher ist

(2.1.1) M_an = M₁ + M₂

mit

(2.1.2) M₁ = r_{1 *}B_{1 *}l_{1 *}I₁

Ebenso ist

(2.1.3) M₂ = r_{2 *}B_{2 *}l_{2 *}I₂

mit
r_1,2 = Radius des Magnetfeldspaltes 1 zwischen Antriebsläufer und Gestell und Magnetfeldspaltes 2 zwischen Antriebsläufer und Abtriebsläufer
B_1,2 = Magnetfeldstärke am Antriebsläufer in G1 oder G2
l_1,2 = Leiterlänge des Gestells bzw. Abtriebsläufers im Magnetfeld des Antriebsläufers
I_1,2 = Stromstärke in N1 und Ngest bzw. in N2 und M3

Während die Größen r_1,2 und l_1,2 (bei Fig. 2), B_1,2 (bei Fig. 3) konstruktiv vorgegeben sind und B_1,2 bzw. l_1,2 durch Einstellung der Erregerströme bzw. der Überdeckungsfläche frei wählbar sind, sind I₁ und I₂ Funktionen verschiedener Werte.

Es ist

(2.1.4) U₁ = l_{1 *}B_{1 *}ω_{an *}r_{1 *}sin (ω_*t)

mit
ω_an = Antriebsfrequenz = 2_*π_*f = 2_*π_*n_{an *}N_pol
f = Frequenz
n_an = Antriebsdrehzahl p. sec
N_pol = Polpaarzahl am Antriebsläufer
Dann wird I₁ zu

mit
R₁ = Ohmscher Widerstand der Gestellwicklung

L₁ = Induktivität der Gestellwicklung
C1 = verstellbarer Kondensator

Durch die Regelung des Kondensators C1 in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl n_an kann man X₁ sehr klein und konstant halten.

Bei Regelung von C1 zu C1 = 1/ω 2|an_*L₁, so daß bei jeder Antriebsdrehzahl Resonanz erzielt wird, wird X₁ stets Null.

Für die weitere Analyse gehen wir davon aus, daß

mit K₁ = über den Kondensator wählbarer Wert. Damit wird (2.1.5) zu

M1 wird damit aus (2.1.2) zu

mit: 1/√2 = Wechselstromfaktor
Die durch I₁ in N_gest erzeugte Stärke B_gest des Magnetfeldes wird

mit
N_gest = Wicklungsanzahl im Gestell
µ_gest = Permeabilität
l_Sp = Spulenlänge
Setzt man

dann gilt

Es ist

(2.1.10) U₂ = l_{2 *}B_{2 *}(ω_an-ω_ab)_*r_{2 *}sin (ω_*t)

mit
ω_an-ω_ab = Differenzfrequenz = 2_*π_*f = 2_*π_*(n_an-n_ab)_*N_pol
f = Frequenz
n_an = Antriebsdrehzahl p. sec
n_ab = Abtriebsdrehzahl p. sec
N_pol = Polpaarzahl am Antriebsläufer
Dann wird I₂ zu

mit
R₂ = Ohmscher Widerstand der Abtriebsläuferwicklung
X₂ = Blindwiderstand der Abtriebsläuferwicklung

Für die weitere Analyse gehen wird davon aus, daß auf C2 verzichtet wird. X₂ wird damit zu

X₂ = I_{2 *}(ω_an-ω_ab)

mit L₂ = Induktivität der Abtriebsläuferwicklung
Damit wird (2.1.11) zu

Damit wird das Drehmoment M₂ zu

mit 1/√2 = Wechselstromfaktor
Setzt man

Dann wird

2.2 Drehmoment an der Abtriebswelle

Das Drehmoment M_ab an der Abtriebswelle setzt sich zusammen aus dem direkten Drehmoment M2 von der Antriebswelle und dem Drehmoment vom Gestell

(2.2.1) M_ab = M₂ + M_Gest

Es ist

(2.2.2) M_Gest = r_{Gest *}B_{Gest *}l_{Gest *}I₂

mit
r_Gest = Radius des Magnetfeldspaltes zwischen Gestell und Abtriebsläufer
B_Gest = Magnetfeldstärke am Gestell
l_Gest = Leiterlänge des Abtriebsläufers im Magnetfeld des Gestells
I₂ = Stromstärke im Leiter des Abtriebsläufers
und M2 ist wie in Gleichung (2.1.13) angegeben.

Es folgt aus (2.1.9), (2.1.12) und (2.2.2)

Mit

Daher ist

Dann gilt für das Abtriebsdrehmoment

3. Steuerung der Magnetfelder

Anhand der Fig. 4-8 soll das Magnetfeld im Gestell bei Drehung der Antriebswelle verfolgt werden. Dann wird in jeder Induktionsschleife 113, deren Stränge vom Magnetfeld zweier entgegengesetzter Pole durchdrungen werden, eine Spannung induziert, die zu einem Strom und damit zur Ausbildung eines Magnetfeldes der gezeigten Art führt. (Zur Erläuterung sei eine Vorauseilung der Spannung vor dem Strom unberücksichtigt.) In den Induktionsschleifen 114 entsteht ein Magnetfeld B_Gest der gezeigten Orientierung, aber mit der k-fachen Stärke des in den Induktionsschleifen 113 erzeugten Magnetfeldes. In den Induktionsschleifen, deren Stränge über demselben Pol liegen, wird keine Spannung induziert.

Anhand der Fig. 5 verdeutliche man sich dann, wie das Magnetfeld im Gestell mit dem Magnetfeld des Antriebsläufers umläuft.

Jede der Stellungen 1-4 ist gegenüber der vorhergehenden durch eine Verschiebung der Pole des Antriebsläufers gegenüber den Induktionsschleifen um eine halbe Breite der Induktionsschleife nach oben unterschiedlich. Zwischen 1 und 2 springen die durch die Induktionsschleifen ausgebildeten Pole um eine Induktionsschleife weiter, zwischen 2 und 3 ändern sie sich nicht und zwischen 3 und 4 springen sie wieder um eine Induktionsschleife weiter.

Liegt eine Induktionsschleife 122 des Abtriebsläufers über den Polen des Antriebsläufers, wie in Fig. 6 gezeigt, und über den Schleifen 114 des Gestells, dann wird in der Induktionsschleife 122 durch die Pole des Antriebsläufers eine Spannung induziert, deren Strom in der gezeigten Stellung des gezeigten Pols S am Abtriebsläufer erzeugt. Analoges gilt für Schleifen, in denen ein Strom in der entgegengesetzten Richtung induziert wird und die daher einen Nordpol umschließen.

Fig. 7 zeigt, daß auch im Abtriebsläufer die Magnetpole gleichförmig zu den Magnetpolen des Antriebsläufers umlaufen.

Wie vorher sind zwischen je zwei Bildern die Pole 104, 105 am Antriebsläufer gegenüber den Wicklungen 122 am Abtriebsläufer um je eine halbe Wicklungsbreite verschoben.

Von unten beginnend bleibt zwischen dem ersten und dem zweiten Bild und dem dritten und vierten Bild jeder durch die in den Schleifen 122 (durch die Relativbewegung der Antriebsläuferpole 104, 105 zu den Schleifen 122) induzierten Ströme erzeugte Pol am Abtriebsläufer erhalten, aber die nächsten Schleifen, die vorher keine Magnetpolorientierung hervorgerufen haben, erzeugen nun einen Magnetpol.

Zwischen dem zweiten und dritten Bild erlöschen die ursprünglichen Magnetpole und die nächsten bleiben erhalben.

Damit laufen die Pole im Gestell und im Abtriebsläufer sprunghaft, aber gleichförmig und parallel zu den Polen der Antriebswelle um.

3.3 Wirkung des Statormagnetfeldes am Abtriebsläufer

Fig. 8 zeigt das Zusammenwirken der Pole im Gestell und am Abtriebsläufer. Es wird deutlich, daß, da alle Pole an Antriebsläufer, Abtriebsläufer und im Gestell gleichförmig mit den Polen am Antriebsläufer umlaufen, die Pole stets in gleicher Stellung zueinander sind. Daher wirken die Pole im Gestell stets treibend auf die Pole am Antriebsläufer.

Fig. 8 zeigt für 3 verschiedene Drehzahlverhältnisse der Abtriebswelle zur Antriebswelle die Polstellungen des Antriebsläufers zum Gestell.

Ganz links steht die Abtriebswelle, in der Mitte hat man ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 2,5 ganz rechts hat man ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1,25.

Man erkennt, daß bei jedem Übersetzungsverhältnis die Pole im Gestell schiebend auf die Pole an der Abtriebswelle wirken.

4. Beispiel

An einem Beispielgetriebe sollen Kurven über der Abtriebsdrehzahl bei konstanter Antriebsdrehzahl 2400 U/min vorgeführt werden.

Auslegung:

Polpaare an Antriebsläufer:	8
axiale Länge N1	0,12 m
axiale Länge N2	0,2 m
axiale Länge Ngest = axiale Länge M3	0,2 m
Wicklung N1	10
Wicklung N2	7
Wicklung M3	7
Wicklung Ngest	11
r1	0,03 m
r2 = rgest	0,15 m

Berechnung:

l1	2,4 m
l2	2,8 m
lM3	2,8 m
lgest	4,4 m

Es wird angenommen: µ = 6,25_*

10^-4

Es ergibt sich die Induktivität L₂

des Abtriebsläufers: L₂

= 0,00122 und für K_gest

= 0,0223

Die Leitungsstärken und Widerstände seien so gewählt, daß K₁ = 1, R₁ = 1 und R₂ = 0,5.

Der Kondensator C1 werde so geregelt, daß bei jeder Drehzahl Resonanz erreicht wird. Auf den Kondensator C2 wird verzichtet.
Dann ist ω_an = 2_*π_*n_{an *}N_pol = 2_*π_*40_*8 = 2010.
Es wird für ω_ab = 0: B_gest = K_{1 *}K_{gest *}B_{1 *}ω_{an *}r_{1 *}l_{1 *}1/√2 = B_{1 *}2,28

Mit B1 = 0,9166 und B2 = 0,3106 wird M1 = 98 Nm, M2 = 154 Nm und MG = 1614 Nm wird
M_an = M₁ + M₂ = 252 Nm
und
M_ab = M₂ + M_Gest = 1768 Nm

Die folgenden Diagramme zeigen die berechneten Momentenkurven über dem Drehzahlverhältnis und die dazugehörigen B1 und B2 für das angenommene Getriebe.

Man erkennt, daß, obwohl die Auslegegrößen keineswegs optimal gewählt wurden, das Konzept bereits sehr befriedigende Ergebnisse erwarten läßt.

Claims (6)

1. Elektrischer Drehmomentwandler mit von einer Antriebswelle (101) angetriebenen Antriebsläufern (G1, G2; 102, 103; 131), welche koaxial zu einem an einer Abtriebswelle drehfest angeordneten Generatoranker N2; 121 und mit diesem drehfest verbunden Motoranker M3 angeordnet ist, und einem gehäusefesten Ständerteil (N2; 112; 130), welches zusammen mit dem Motoranker einen Elektromotor bildet und bei welchem Generatoranker (N2; 121, 122), und Motoranker (M3; 122) zu einem gemeinsamen Anker verbunden sind, dessen Wicklung eine Kurzschlußwicklung ist, die sowohl vom Magnetfeld (B2) eines Antriebsläufers (G2; 103, 105) als auch vom Magnetfeld (B_gest) des Ständers (N_gest; 112, 114); durchdrungen ist und bei dem die Durchdringung des Ankers durch die Magnetfelder (B2 und/oder B_gest) verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständerteil (N2; 112; 130) das Magnetfeld (B_gest) durch einen Elektromagneten erzeugt wird, dessen Wechselspannung durch die Drehung der An- oder Abtriebswelle relativ zum Ständer induziert wird und der durch Verstellung der Magnetfeldstärke (B1) des induzierenden Magneten (G1; 104) oder der Überdeckungslänge des induzierenden Magneten (131) mit den Wicklungen im Gestell (130) in seiner Stärke verstellt werden kann.

2. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Antriebswelle zwei Generatorläufer (G1, G2; 102, 103) fest sind, von denen der erste den Strom in den Wicklungen (N1, N_gest; 113, 114; 130) im Gestell induziert und der zweite den Strom in den Wicklungen (N2, M3; 122) am Abtriebsläufer induziert und die Pole an den Generatorläufern von Permanentmagneten (131), bei denen die Überdeckungslänge verändert wird, oder von Gleichstrommagneten (104, 105), bei denen der Erregerstrom verändert wird, gebildet werden.

3. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußwicklung (N1, N_gest; 113, 114; 130) im Gestell mit einem verstellbaren Kondensator C1 versehen ist.

4. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator C1 in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselstroms so verändert wird, daß der Blindwiderstand der Gestellwicklungen einen gewünschten Wert annimmt.

5. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Getriebes bei gewünschter An- und Abtriebsdrehzahl und gewünschtem An- und Abtriebsdrehmoment durch Einstellung der Stromstärke I1 des Gestellmagneten mit dem Magnetfeld B_gest und der Stromstärke I2 im Abtriebsläufer erfolgt und diese Stromstärken bei gegebenen Drehzahlen durch Einstellung der Erregerströme der induzierenden Elektromagneten G1, G2 oder der Überdeckungslänge der induzierenden Permanentmagneten (131) geregelt werden.

6. Elektrischer Drehmomentwandler unter Patentanspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung ϕ der induzierenden Wechselströme der Ständer so um einen von ϕ abhängigen Winkel ϕ verdreht werden kann, daß das Magnetfeld B_gest des Gestells am Abtriebsläufer motorisch wirkt.