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Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Antriebseinheit, welche die Antriebsleistung für Anforderungen mit hohen Drehmomenten über einen großen Drehzahlbereich zu Verfügung stellt und ab der Drehzahl Null am Abtrieb der Antriebseinheit mit einem sehr guten Wirkungsgrad über den gesamten Abtriebs-Drehzahlbereich arbeitet. Ebenso ermöglicht diese erfindungsgemäße Hybrid-Antriebseinheit eine effektive Rekuperation mit der die kinetische Energie, gespeichert in der Geschwindigkeit der Masse eines Fahrzeuges, generatorisch in elektrische Energie umwandelt, in einem Energiespeicher abspeichert und für den Energiebedarf von motorischem Einsatz der Elektromaschinen der erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebseinheit verwendet.
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Stand der Technik am Anwendungsbeispiel: Umlaufseilbahn
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Kuppelbare Umlaufseilbahnen bewegen über ein Zugseil angekoppelte Schlitten mit daran angehängten Kabinen / Gondeln von Station zu Station. Getragen werden diese Schlitten mit Kabinen von einem oder mehreren Tragseilen. Dabei werden die Schlitten über eine Federklemme am umlaufenden Zugseil fixiert und abschnittsweise über Laufrollen getragen, beim Einlaufen in eine Station vom Zugseil entkoppelt, über ein Reifenrollenförderer-System abgebremst und mit einer niedrigen Geschwindigkeit (1,0...0,3 m/s) durch die Seilbahn-Stationen bewegt. Diese niedrige Geschwindigkeit von 0,3 m/s ermöglicht es den Passagieren die Kabinen zu verlassen bzw. einzusteigen. Beim Weitertransport der Kabine aus der Station wird der Schlitten und die daran angehängte Kabine über ein weiteres Reifenrollenförderer-System auf die Transportgeschwindigkeit (5,0...7,0 m/s) beschleunigt, vom Reifenrollenförderer abgekoppelt, an das Förderseil übergeben und mit der Federklemme am Förderseil fixiert. Diese vielfach verbreitete Technik ermöglicht einem Stetigfördersystem (Seilbahn) eine sehr hohe Förderkapazität von Passagieren.
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Der Nachteil dieser Technik besteht in der starren Aneinanderreihung der Kabinen die mittels eines aufwendigen Reifenrollenförderer-Systems für die gesamte Durchfahrt einer Station den Antrieb der in der Station befindlichen Kabinen bereitstellen muss. Desweiteren erfordern diese Kabinen / Gondeln zusätzliche Fördersysteme zum Ausschleusen bzw. zum Garagieren, sowie zum Hin- und Zurückführen in Wartungsstationen. Zur Beseitigung dieser Nachteile wurde mit der Lehre des Europäischen Patentes
EP 3 137 360 B1 ein elektrisch autonom angetriebener Schlitten vorgeschlagen, welcher dann die Kabinen/Gondeln mit dem jeweiligen eigenen Antrieb durch die Station bewegt werden kann. Über einen Bypass der Hängeschienen kann eine ausgeschleuste Kabine / Gondel dann bis zum Stillstand abgebremst werden, sodass dabei ein Zugang für Menschen mit einer Gehbehinderung auch möglich ist und dabei eine elektrische Kontaktierung zu der stillgesetzten Kabine vorgenommen werden kann. Diese elektrischen Antriebe (Getriebemotoren) haben bei dieser Anwendung einen erheblichen Energiebedarf. Die große Spreizung des erforderlichen Drehzahlbereiches erfordert bei der Durchfahrt einer Station mit einer Geschwindigkeit von < 1,0 m/s, einem Anhalten und Anfahren aus der Bypass-Haltestelle, einen Betrieb bei niedriger Drehzahl bis hin zum Stillstand. Damit verbunden ist ein ungenügender Wirkungsgrad des E-Motors.
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Eine besondere Herausforderung für einen elektromotorischen Antrieb einer Seilbahn-Kabine ist der Kaltstart bei Minus-Temperaturen (-20°C). Das Anfahren ab Drehzahl Null bei hoher Zähigkeit der Getriebeschmierstoffe erfordert dadurch max. Stromaufnahmen.
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Desweiteren erfordert die Lehre des Europäischen Patentes
EP 3 137 360 B1 eine Einrichtung zur Kontaktierung zu einer externen Stromversorgung zum Laden der jeweiligen Energiespeicher. Diese oftmals erforderliche Kontaktierung hat im Besonderen den Nachteil, dass dabei sehr hohe Ströme übertragen werden müssen, um in der kurzen Kontaktierungszeit die erforderliche Energiemenge übertragen zu können. Hinzu kommt, dass parallel zur Kontaktierung der Leistungsübertragung auch eine Kommunikation zum Batterie-Management-System (BMS) aufgebaut werden muss. Auch eine Automatisierung der Kontaktierungs-Bewegungen ist in jeder Station erforderlich.
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Aufgabe und Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, den Lösungsansatz eines elektrischen Antriebes eines Schlittens mit angehängter Kabine/Gondel gemäß der Lehre des Europäischen Patentes
EP 3 137 360 B1 weiterzuentwickeln und durch die Möglichkeit einer effektiven Rekuperation auf eine elektrische Kontaktierung, zur Energie-Übertragung und Füllung eines elektrischen Energiespeichers, innerhalb dem Bereich einer Seilbahn-Station, in die einzelnen Kabinen der Seilbahn, verzichten zu können. Desweiteren ist eine Antriebsart zu verwenden, welche das Antriebsrad auch bei einer niedrigen Drehzahl, bei der Durchfahrt einer Station mit einer Fahrgeschwindigkeit der Kabine / Gondel von 0 ... 1,0 m/s, mit einer im oberen Drehzahlbereich der E-Maschine und damit in einem optimalen Wirkungsgrad antreiben lässt. Die Bezeichnung einer „Station“ ist der Fahrbereich der Kabinen/Gondeln gemeint, in der der Schlitten einer Kabine/Gondel keine Klemmverbindung zum Tragseil aktiviert hat und bereits auf eine Geschwindigkeit < 1,0 m/s abgebremst, bzw. beim Verlassen der „Station“ noch nicht > 1,0 m/s beschleunigt wurde.
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Eine autonom angetriebene Kabine/Gondel erfordert für das Anfahren aus dem Stillstand einen Antrieb mit einem sehr hohen Drehmoment ab Drehzahl Null. Für das Abbremsen beim Einfahren in eine Station ist die kinetische Energie einer besetzten oder unbesetzten Kabine mit einer Fahrgeschwindigkeit von > 6,0 m/s in einer Zeit von 5...6 Sekunden zu vernichten oder zu rekuperieren. Ebenfalls ist für das Beschleunigen einer besetzten oder unbesetzten Kabine auf eine Fahrgeschwindigkeit von > 6,0 m/s die erforderliche Beschleunigungsenergie aufzubringen. Diese dafür erforderliche generatorische Bremsleistung bzw. motorische Antriebsleistung für eine besetzte Kabine mit einem Gesamtgewicht von 2.000 kg wäre zu groß, zu schwer und zu teuer.
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Weiterhin ist dabei zu berücksichtigen, dass der Antrieb einen sehr großen Drehzahlbereich am Antriebsrad (Tragrolle der Kabine) bereitzustellen hat, um damit eine Fahrgeschwindigkeit von 0... 1,0 m/s für die Durchfahrt der Kabine in der Station und eine Fahrgeschwindigkeit beim Einfahren in die Station bzw. beim Ausfahren aus der Station und dem damit verbundenen Reibschluss des Antriebrades in der Führungsschiene, von 5,0...7,0 m/s zu ermöglichen. Demzufolge ist für das Abbremsen und Beschleunigen der Kabinen beim Ein- und Ausfahren in und aus der Station, das erprobte, extern angetriebenen Reifenrollenförderer-Systems eine beizubehaltende technische Lösung. Ein autonomer, elektromotorischer Schlittenantrieb ist demzufolge nur für den Transport der Kabine im langsamen und horizontalen Fahrbereich der Station, eventuell noch für langsam zu überwindende Steigungen von < 10% denkbar. Nachdem für das Bewegen der Kabine durch die Station, das bereits eingesetzte Räderpaar des Schlittens einer Seilklemme die Funktion der angehängten, zu tragenden Last und die des Antriebs übernehmen können, ist mindestens ein Rad des Schlittens mit einem Antrieb, seitlich geführt in der vorhandenen Führungsschiene mit Bordwänden, erforderlich. Für den Fall einer Störung oder eines Ausfalles dieses angetriebenen Rades ist ein zweites Antriebsrad mit allen Funktionen des ersten redundant vorzusehen.
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Im Besonderen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen elektrischen Antrieb zu schaffen der es ermöglicht die erforderliche Energie für die Durchfahrt der Stationen, durch Rekuperation zu generieren und ohne elektrische Kontaktberührungen der Ladestationen zu der einzelnen Kabine /Gondel auszukommen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale einer Hybrid-Antriebseinheit nach Anspruch 1 Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur Erläuterung der Beschreibung zeigt
- 1 eine erfindungsgemäße Hybrid-Antriebseinheit im Schnitt.
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Das Grundprinzip der Erfindung, eingesetzt an einem Antrieb für Gondeln / Kabinen von Stetigförder-Systemen (Seilbahnen), besteht darin, mit den Eigenschaften einer Hybrid-Antriebseinheit nach der Lehre des Europäischen Patentes
EP 2 946 959 B1 eine Hybrid-Antriebseinheit einzusetzen, welche im Gegensatz der offenbarten, unterschiedlichen Antriebsarten (z.B. Verbrennungsmotor mit E-Maschine) jetzt zwei in seiner Antriebsart identische E-Maschinen einzusetzen und diese mit einem ersten Planetengetriebe und einem zweiten, im Rotor der E-Maschine 2 (C) integriertem Getriebemechanismus, zu koppeln. Damit wird erreicht, dass beim Einfahren der Kabine/Gondel und dem Abbremsen des Schlittens die kinetische Energie des Fahrzeuges nicht nur über den Antrieb des Reifenrollförderer-Systems abgebremst, sondern über den Reibschluss des Antriebsrades (2) mit einer Führungsschiene, welche den vom Tragseil abgekoppelten Schlitten über die Strecke des Reifenrollförderer-System führt, die E-Maschine 2 (C) und über die Getriebeverbindung im Besonderen auch die E-Maschine 1 (B), in einem über die E-Maschine 2 (C) geregelten, optimalen Drehzahlbereich, im generatorischen Betrieb beider E-Maschinen, die max. mögliche Energie rekuperiert werden kann und dabei den diesem Schlitten und der Hybrid-Antriebseinheit zugeordneten Energiespeicher auflädt. Die formschlüssige Verbindung des Schlittens mit dem Reifenrollförderer-Antrieb ermöglicht es auch einen bereits stark abgebremsten Schlitten über den Reifenrollförderer anzutreiben und dabei bis zum Verlassen des Schlittens aus der formschlüssigen Verbindung, aus der Antriebsleistung des Reifenrollförderer-Systems über den Reibschluss des Antriebsrades (2) mit einer Führungsschiene, Energie zu rekuperieren.
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Diese erfindungsgemäße Hybrid-Antriebseinheit ermöglicht damit auch, dass beim Beschleunigen des Schlittens mit der angehängten und besetzten Kabine/Gondel durch den formschlüssigen Antrieb des Reifenrollförderer-Systems und das dabei über Friktion angetriebene Antriebsrad (2) über den gesamten Beschleunigungsweg die E-Maschine 2 (C) und über die Getriebeverbindungen auch die E-Maschine 1 (B), in einem über die E-Maschine 2 (C) geregelten, optimalen Drehzahlbereich, im generatorischen Betrieb beider E-Maschinen die max. mögliche Energie rekuperiert werden kann und dabei den diesem Schlitten und der Hybrid-Antriebseinheit zugeordneten Energiespeicher auflädt.
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Die rekuperierte Energie besteht zum einen aus der kinetischen Energie eines Schlittens mit Kabine / Gondel und zum anderen aus der von außen zugeführten Antriebsleistung der Reifenrollförderer-Systeme. Die rekuperierten Energie beim Abbremsen in die Station, beim Beschleunigen aus der Station und beim Bewegen in der Station, ist für den autonomen Antrieb einer einzelnen Gondel (Kabine) damit ausreichend für eine steigungsfreie Stationsdurchfahrt mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 m/s und einem Stop wie auch einem Start im Bypass der Führungsschiene.
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Für das Anfahren aus dem Stillstand einer Gondel mit der erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebseinheit, ist ebenfalls das sehr hohe Drehmoment an der angetriebenen Tragrolle (2) einer Kabine erforderlich. Mit ausgewählten Getriebeübersetzungen im Antriebsstrang der Hybrid-Antriebseinheit (A) ist z.B. bei rechtsdrehender E-Maschine 2 (C) und linksdrehendem E-Maschine 1 (B) ein Nulldurchgang möglich. Damit steht beim generatorischen Abbremsen der E-Maschine 2 (C), das im mittleren und oberen Drehzahlbereich erreichbare Drehmoment der E-Maschine 1 (B), dem Antriebsrad (2) ab Drehzahl Null zu Verfügung. Die Funktion eines Nulldurchganges ist auch beim Anfahren der Kabinen/Gondeln bei niedrigen Außentemperaturen von großer Wirksamkeit. Die E-Maschine 1 (B) kann im motorischen Betrieb und stromloser E-Maschine 2 (C) im Leerlauf (ohne Last) das Planetengetriebe (D) und den Getriebemechanismus (E) rotieren lassen und eine hohe Zähigkeit des Getriebe-Schmiermittels auflösen. Nach diesem „Warmlaufen ohne Last“ bei geringem Energiebedarf ist dann ein Anfahren aus dem Stillstand erheblich effizienter.
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Für das Beschleunigen einer Gondel von beispielhaften 1,0 m/s auf 6,0 m/s wird das bewährte Reifenrollenförder-System eingesetzt. Dieser stationär angebrachte, elektromotorisch gut dimensionierte, formschlüssige Antrieb ermöglicht es der erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebseinheit (A) einen Teil dieser Beschleunigungsenergie über Reibschluss zwischen der Führungsschiene und der Tragrollen abzugreifen. Dabei wird die Drehzahl der Tragrollen durch Friktion in der Führungsschiene um das 6...7-fache erhöht und dabei über das generatorische Abbremsen der E-Maschine 2 (C) rekuperiert. Dieses Abbremsen der E-Maschine 2 (C) bewirkt durch den im Rotor der E-Maschine 2 (C) integrierten Getriebemechanismus (E) ein Weiterführen der Drehbewegung an die E-Maschine 1 (B), welche ebenfalls generatorisch abgebremst und somit auch die E-Maschine 1 (B) Energie rekuperieren kann.
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Diese erfindungsgemäße Hybrid-Antriebseinheit (A) ist kombiniert mit einer elektronischen Steuereinheit, welche beide E-Maschinen gleichzeitig und in beiden Drehrichtungen als Motor und als Generator, die E-Maschine 1 (B) als Motor und gleichzeitig die E-Maschine 2 (C) als Generator und umgekehrt, die E-Maschine 1 (B) als Generator und gleichzeitig die E-Maschine 2 (C) als Motor betreiben lässt. Damit ist die Hybrid-Antriebseinheit (A) in der Lage, Antriebsdrehzahlen der beiden E-Maschinen zu addieren, zu überlagern und damit bei drehender E-Maschine 1 (B) und in umgekehrter Drehrichtung der E-Maschine 2 (C), einen Null-Durchgang am Abtrieb der Hybrid-Antriebseinheit zu ermöglichen. Dieses Zusammenwirken von zwei E-Maschinen ermöglicht es auch, die E-Maschine 1 (B) als Motor zu betreiben und die E-Maschine 2 (C) unbestromt zu belassen. Dadurch wird die Drehbewegung des Rotors (11) der E-Maschine 1 (B) über das Sonnenrad (8), die Planetenräder (9), über den Planetenradträger (10) des Planetenradgetriebes (D), an das Eingangssonnenrad (3) des Getriebemechanismus (E) fortgeführt. Das Eingangssonnenrad (3) bewirkt nun über den Verzahnungseingriff der Getriebestufe 1 der Planeten-Doppelzahnräder (5) die Drehbewegung über die Getriebestufe 2 der Planeten-Doppelzahnräder (5) an das Ausgangssonnenrad (4) des Getriebemechanismus (E) weiterzuleiten. Der Getriebemechanismus (E), eingebaut im Getriebegehäuse (6), welches am Außendurchmesser mit Permanentmagneten (7) bestückt und somit als Rotor der E-Maschine 2 (C) ausgebildet ist, versetzt nun bei still stehendem Antriebsrad (2) und dem damit verbundenen Ausgangssonnenrad (4) das Getriebegehäuse (6) und somit den Rotor der E-Maschine 2 (C) anzutreiben. Je nach der Übersetzung des Planetengetriebes (D) und der Übersetzung des Getriebemechanismus (E) wird dabei das Getriebegehäuse (6), abhängig von der Drehzahl der E-Maschine 1, angetrieben. Somit wird die Rotation der E-Maschine 1 (B) und das damit angetriebene Getriebegehäuse (6) der E-Maschine 2 überlagert und das Ausgangssonnenrad (4), welches mit dem Antriebsrad (2) verbunden ist, nicht in Rotation versetzt.
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Für den Fall einer gewünschten Rotation des Antriebsrades der Tragrolle einer Kabine (2) muss nun der Null-Durchgang des Antriebsstranges aufgehoben werden. Dies erfolgt durch das generatorische Abbremsen der E-Maschine 2 (C). Dabei wird die Antriebsleistung der E-Maschine 1 (B) aufgeteilt in eine über das Ausgangssonnenrad (4) weitergeleitete Rotation und einer damit verbundenen Antriebsleistung, hin zum Antriebsrad (2) und einer generatorischen Bremsleistung der E-Maschine 2 (C) und der damit verbundene Rekuperation in einen der Hybrid-Antriebseinheit zugeordneten elektrischen Energiespeicher.
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Dieses Anfahren (Beschleunigen) einer großen Masse, z.B. der Kabine einer Seilbahn, erfordert ein hohes Drehmoment. Dies kann die E-Maschine 1 (B) im mittleren und oberen Drehzahlbereich und dabei in ihrem besten Wirkungsgrad erbringen. Durch die Leistungsverteilung des im Rotor der E-Maschine 2 (C) integrierten Getriebemechanismus (E) steht dabei dieses hohe Drehmoment dem Ausgangssonnenrad (4) und damit dem Antriebsrad (2) ab der Drehzahl Null zu Verfügung. Ebenfalls ist in diesem mittleren bzw. oberen Drehzahlbereich der E-Maschine 1 (B) eine optimale Rekuperation durch die E-Maschine 2 (C) gegeben.
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Bezugszeichenliste:
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- A
- Hybrid-Antriebseinheit
- B
- E-Maschine 1
- C
- E-Maschine 2
- D
- Planetenradgetriebe
- E
- Getriebemechanismus
- 1
- Wellen-Naben-Verbindung
- 2
- Antriebsrad (Tragrolle der Kabine)
- 3
- Eingangssonnenrad
- 4
- Ausgangssonnenrad
- 5
- Planeten-Doppelzahnräder
- 6
- Getriebegehäuse
- 7
- Permanentmagnete
- 8
- Sonnenrad
- 9
- Planetenräder
- 10
- Planetenradträger
- 11
- Rotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3137360 B1 [0003, 0005, 0006]
- EP 2946959 B1 [0012]
