DE3043004A1

DE3043004A1 - Elektrischer antrieb fuer mehrachsige fahrzeuge

Info

Publication number: DE3043004A1
Application number: DE19803043004
Authority: DE
Inventors: Reinmar Ing.(Grad.) Hussel; Gerhard Ing.(grad.) 1000 Berlin Kratz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-11-11
Filing date: 1980-11-11
Publication date: 1982-05-19
Also published as: ZA817818B; IT8124887A0; IT1142049B; DE3043004C2

Description

Elektrischer Antrieb für mehrachsige Fahrzeuge
Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Antrieb, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichnet ist.
Für den Antrieb der Räder solcher Fahrzeuge steht Einzel-oder Doppelathsantricb jeweils mit oder ohne Differential zur VerSiigung,. Der Antriebsmotor, entweder ein Verbrennungsmotor oder ein elektrischer Motor, kann längs-oder querliegend sein sowie vor, hinter oder zwischen den Achsen angeordnet werden. Das Differential dient den Drehzahlausgleich der angetriebenen Räder bei Kurvenfahrt.
Darüber hinaus ist der Einzelradantrieb bekannt, bei dem jedem Rad ein eigener Elektromotor zugeordnet ist. Drehzahlausgleich erfolgt hierbei durch spezielle Drehzahlsteuerung der einzelnen Motoren. Sowohl die Einzeldrehzahlsteuerungen wie ein Differential sind kosten- und unterbringungsmäßig aufwendig und benötigen Wartung.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei mehrachsigen Fahrzeugen mit Drehzahlausgleich der angetriebenen Rader für die elektrisch betriebene(n) Achse(n) auf ein mechanisches Differential und auch auf eine Komplizierte Einzelsteuerung der Motore verzichten zu können.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung vorteilhaft gemaß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen in Verbindung mit der erläuternden Zeichnung und Beschreibung entnehmbar.
Es zeigen: Fig. 1 ein schematisiert dargestelltes Hybridfahrzeug mit Ds-Einzelantrieb der Räder der Mittelachsen, Fig. 2 die Drehmomentenkurve eines Ds-Motors Fig. 3 die Drehzahl-/Drehmomentenkurve zweier in Reihe geschalteter Ds-Motoren über der Schlupffrequenz Fig. 4 Motorkennlinien für Fahrbetrieb Fig. 5 Motorkennlinien für Bremsbetrieb eines Fig. 6 Diagramm Spannungsstellbereiches bei einem spannungsgeführten Umrichter.
Figur 1 zeigt ein schema-tis(h dar-stelite., dreiachsiges Hybridfahrzeug, z.B. einen sogenannten Duobus, bei dem die Erfindung vorteilhaft einsetzbar ist. Andere Anwendungen, auch bei Obussen und Privatfahrzeugen mit Akkuantrieb Ind denkbar.
Vorn befindet sich eine lenkbare Laufachse 1, hinten eine über einen Verbrennungsmotor 3 und ein mechanisches Differential 4 angetriebene Antriebsachse 2. Die ursprünglich zwei mittleren Laufachsen sind zum Antrieb umfunktioniert und bestehen jetzt aus Radsätzen 5 und 6, die mit Einzelantrieb über Drehstrommotoren 7 bis 10 ausgerüstet sind. Die Räder sind mit 11 bezeichnet.
Figur 2 zeigt die grundsätzliche Kennlinie eines Drehstrommotors für eine konstante Frequenz. Aufgetragen ist das abgegebene Drehmoment Nd über der Drehzahl n und zeigt den steilen Arbeitsbereich A - B der Maschine. Erkennbar wird, daß abhängig von der Steilheit der Kurve bereits relativ kleine -Drehzahländerungen große Drehmomentenänderungen mit sich bringen und sogar in den Generatorbetrieb übergegangen werden kann. Bei Kurvenfahrten mit gleicher mittlerer Fahrzeuggeschwindigkeit wird - wegen der unterschiedlichen Kurvenradien - das äußere Rad schneller drehen als das innere. Das heißt, bei parallel geschalteten Motoren wird der außen laufende, die größere Drehzahl annehmende Motor eines Radsatzes z.B. von Radsatz 5 bei einer Rechtskurve der Motor 7 bei Punkt B liegen und der Motor 8 bei Punkt A. Dabei würde der innen laufende Motor 8 ein wesentlich größeres Drehmoment aufweisen und entgegengesetzt der gewünschten Fahrtrichtung das Fahrzeug-aus der Kurve drücken wollen. Das ist unerwünscht und traktionstechnisch auch falsch. Abhilfe ist bisher nur möglich gewesen, indem entweder der eine, hier innere Motor 8 dann während der Kurvenfahrt beschaltet oder abgeschaltet wurde und dann praktisch nur mit dem Moment des Motors 7 gefahren wurde. Es besteht auch die Möglichkeit, beide Motoren über getrennte, steuerbare Umrichter entsprechend zu speisen.
Nach der Erfindung bilden jetzt die Ds-Ifotore 7 und 8 sowie 9 und 10 - Asynchronmotore mit K3figwicklung im Läufer - jeweils Gruppen, in denen die Motoren stiindermäßig in Reihe geschaltet sind. Beide Gruppen sind parallel geschaltet, und von beiden Motoren einer Gruppe wird nun abhängig von den Kriterien Kurvenrichtung und Fahr- oder Bremsbetrieb jeweils nur der eine (z.B. 7) von einer Drehzahlregelung geführt, während der andere (z.B. 8) einer freien Drehzahleinstellung über seine Notorkennlinie überlassen bleibt. Bei Geradeausfahrt mit dem Radius unendlich hat dann jedes Rad 11 die gleiche Drehzahl und jeder Motor gibt bei gleichem Strom gleiches Drehmoment ab. Bei Kurvenfahrt kann nun das natijrllche Verhalten der reihengeschalteten Motore fLir eine sinnvolle Fahrzeugführung ausgenutzt werden.
Nach dem weiteren Gedanken der Erfindung wird nun für Fahrbetrieb allein der äußere und schnellere Motor, um beim Beispiel der Rechtskurve zu bleiben, -der Motor 7 regelungstechnisch über einen Umrichter mit Stromeinprägung gesteuert und geführt. Dieser Motor 7 gibt dabei das maximale Drehmoment ab. Der innere, langsamere otor 8 führt denselben Strom und stellt sich frei ein bei konstantem Primärstrom und konstanter Frequenz f1 nach einer natürlichen Kennlinie fiir zwei reihengeschaltete Ds-Notoren gemäß Fig. 3. In Fig. 3 sind Drehmoment und Fluß über der Schlupffrequenz f2 áufgetragen. Ersichtlich wird, daß der Motor 8 bei fes-tliegender Frequenz und geringerer Drehzahl stärker schlüpft, was bei gleichem Motorstrom eine FlußreduzierunO und damit Verringerung des Drehmomentes bedeutet. Die Drehmomente und Flüsse fiir die Motoren 7 und 8 sind in Fig. 3 schematisch eingetragen.
Für Radsatz 6 mit der Motorgruppe 9/10 gilt analog das gleiche. Welcher Motor jeder Gruppe jeweils der schnellere ist, kann theoretisch angenommen oder über eine sowieso vorhandene Ist-Drehzahlerfassung leicht festgestellt und entsprechend ausgewertet werden. Auch ein Umschalten über den Lenkungseinschlag ist denkbar. Das Fahrzeug wird damit betriebsmäßig richtig in die Kurve gedrückt.
Figur 4 zeigt dazu in Kurvenscharen die Abhängigkeit der Drehmomcnte.von der vorgegebenen Frequenz und Drehzahl für die beiden Fahrmotor 7 und 8 des Radsatzes 5 bei verschiedenen Rollradienverhältnissen r1/r2 als Parameter.
r1 steht hier z.B. für Motor 8, r2 steht hier z.B. für Motor 7. Danach sinkt das bei enger werdendem Kurvenradius sich frei einstellende Drehmoment des Motors 8 stark ab. Der Einstellbereich liegt im Bereich der geschweiften Klammer. Mit kleiner werdendem mittlerem Kurvenradius -wird der Unterschied der Rollradien r1 und r2 der beiden Räder 11 größer. Bei einem Kurvenradius unendlich-ist der Unterschied 0, die Räder laufen gleich schnell. Das sich nach der Erfindung ergebende Drehmomentverhalten des sich frei einstellenden Motors ist dem natürlichen Verhalten des Fahrzeugs proportional, das bei engem Kurvenradius geringe und bei großem Kurvenradius große Geschwindigkeiten erlaubt. Der geführte Motor 7 zeigt ein stabiles Drehmoment über dem dargestellten Frequenz- und Geschwindigkeitsbereich. Figur 5 zeigt die entsprechende Darstellung einer Kurvenfahrt für Bremsung. Der Vorgang ist hierbei genau umgekehrt, d.h. der innen laufende langsamere Motor (bei Rechtskurve der Motor 8) wird regelungstechnisch geführt und gibt maximales Bremsmoment ab. Der andere Motor 7 läuft frei und gibt das kleinere Bremsmoment ab. Damit wird auch hier fahrmässig richtig das Fahrzeug in die Rechtskurve gezogen.
Bei Kurvenfahrt braucht zur richtigen Führung der Motoren also nur noch festgestellt zu werden, ob Fahr- oder Bremsschaltung vorliegt, welcher Motor schneller läuft und welcher entsprechend ausgewertet werden muß. Die Beispiele haben die Reihenschaitung von Motoren gleicher Radsätze beschrieben. Prinzipiell können in gleicher Weise mit demselben Effekt auch die Motoren verschiedener Radsätze, z.B. 7 und 10 oder 9 und 8, jeweils diagonal in Reihe geschaltet und einzeln oder gruppenweise parallel geschaltet im beschriebenen Sinne gesteuert werden. Auch eine Reihenschaltung aller Motoren 7 bis 10 mit Führung des schnellstlaufenden Motors beim Fahren oder langsamlaufendsten beim Bremsen wäre denkbar. Allerdings ist letzteres nur eine Hilfsalternative. Gleiches gilt. auch für eine bei dicht beieinander liegenden Radsätzen 5 und 6 durchführbare Reihenschaltung der parallel geschalteten Motoren 7 und 9 der einen Fahrzeugseite mit den parallel geschalteten Motoren 8 und 10 der anderen Fahrzeugseite. Durch den engen Radstand der parallel geschalteten Motoren sind bei Eurvenfahrt keine wesentlichen Drehzahlunterschiede vorhanden.
Sie verhalten sich näherungsweise wie jeweils eine Maschine, und grundsätzlich bestehen auch hier die wesentlichen Drehzahlunterschiede zu den die innen laufenden Räder 11 antreibenden Motoren, die sich frei einstellen können. Daß dabei der eine Motor geringfügig höheres Drehmoment erhalten kann, als der andere, ist in diesem Fall belanglos.
Prinzipiell ist der dargelegte Antrieb nur für Systeme anwend bar, bei denen der Strom den Maschinen eingeprägt wird und die Spannung über den gesamten Betriebsbereich gestellt werden kann.
Müssen andere Versorgungssysteme Anwendung finden, bei denen die Spannung eingeprägt wird, kann jedoch durch geeignete Auslegung des Pulswechselrichters, durch Wahl des Feldschwächbereiches der Maschinen und mit Hilfe einer Regelung das Verhalten eines Systems mit eingeprägtem Strom nachgeahmt werden. Das ist möglich solange die Spannung beliebig verstellbar und damit der Strom definierbar ist.
beispielhaft Figur 6 zeigt dazu/ein Diagramm der Spannung über der Frequenz f1 bzw. der Geschwindigkeit. Der obere Kurvenzug über x ist dabei die normale Spannungskennlinie für Fahrbetrieb bei Nennmoment und Geradeausfahrt. Die untere Kennlinie über y zeigt den nötigen Spannungsverlauf, um bei Kurvenfahrt beliebigen Betrieb machen zu können. Ab Punkt x beginnt bereits der Feldschwächbereich.
Bei Kurvenfahrt ist jedoch noch lt. unterer Kennlinie eine Spannungssttllung bis zum Punkt z möglich. Der schraffierte Bereich stellt somit das Gebiet möglicher und nötiger Spannungsverstellung dar, um kontinuierlich vom Fahr- in den Bremsbetrieb und umgekehrt übergehen zu können. Fbr Kurvenfahrt kann somit bei minimaler Spannungsverstellung noch Fahr- und Bremsbetrieb über f2 = o gemacht werden, ohne in den Sättigungstereich der Maschine zu gelangen.
Durch die Erfindung ist es möglich, ein einfaches, aber wirksames elektrisches Differential für Kurvenfahrten zu erstellen, das leichter und kleiner ist, als die bisher üblichen Bauweisen und damit unter anderem auch Raum-, Gewichts- und Unterbringungsvorteile erbringt.
Leerseite

Claims

Patentansprüche Elektrischer Drehstrom-Antrieb für mehrachsige Fahrzeuge, insbesondere des spurungebundenen, gleislosen Straßenverkehrs, bei dem die Radsätze von mehreren Ds-Motoren angetrieben werden, die an einen steuerbaren Umrichter angeschlossen sind und bei dem ein Drehzahlausgleich der angetriebenen Räder bei Kurvenfahrt vorgesehen ist, gekenuzeielinet durch folgende Merkmale: - die Radsätze (5, 6) weisen Einzelradantrieb auf, wobei jeweils n >- 1 Gruppen von wenigsten zwei in Reihe liegenden Motoren (7 bis 10) gebildet werden, - abhängig von den Kriterien Kurvenrichtung und Fahr-oder Bremsbetrieb werden ein oder mehrere Rotoren der einen Fahrzeugseite von einer Drehzahlsteuerung oder -regelung geführt, während für den Motor oder die Motoren der anderen Fahrzeugseite eine freie Drehzahleinstellung über ihre Motorkennlinie vorgeseh@@ ist.
2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kurvenfahrt im Fahrbetrieb jeweils der oder die äußeren, schneller laufenden Motoren in der Drehzahl geführt werden und für den oder die inneren, langsamer laufenden Motoren die freie Drehzahleinstellung vorgesehen ist.
3. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß bei Kurvenfahrt im elektrischen Bremsbetrieb jeweils der oder die inneren, langsamer laufinden Motors in der Drehzahl geführt und für den oder die äußeren, schneller laufenden Motoren die freie Drehzahleinstellung vorgesehen ist.
4. Elektrischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ds-Motoren (7, 8 bzw.

9, 10) eines Radsatzes (5 bzw. 6) in Reihe geschaltet sind und eine Gruppe bilden.
5. Elektrischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ds-Motoren mehrerer Radsätze (5 und 6) in Reihe geschaltet sind und eine Gruppe bilden.
6. Elektrischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Ds-Notoren (7 und 10 bzw. 9 und 8) verschiedener Radsätze ( 5 und 6) diagonal in Reihe geschaltet. sind und jeweils eine Gruppe bilden.
7. Elektrischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Motorgruppen parallel geschaltet sind.
8. Elektrischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei eng benachbarten Radsätzen (5 und 6) die Ds-Motoren (7 und 9) d äußeren und (8 und 10) der inneren Fahrzeugseite jeweils parallel geschaltete Gruppen bilden, die miteinander in Reihe geschaltet sind.
9. Elektrischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Umrichtersteuerung mit eingeprägter Spannung, dadurch gekennzeicIinet, daß bei geeigneter Auslegung des Umrichters hinsichtlich der Wahl des Steuerbereiches für die Spannung sowie durch Ausbildung des Feldschwächbereiches der Motoren über eine Regelung ein Verhalten wie mit eingeprägtem-Strom nachbildbar ist.