DE4027706C2 - Berührungsloser Elektroantrieb für radgebundene Fahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslosen Elektroantrieb für radgebundene Fahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches, wie er aus der deutschen Offenlegungsschrift 30 42 497 bekannt ist.

Bei diesem bekannten Elektroantrieb ist das Primärteil Bestandteil des Rades und das Sekundärteil mit radialem Luftspalt befestigt. Daraus resultiert, daß die elektrische Energiezufuhr über Stromkabel durch einen Achsstummel in das Rad hinein erfolgen muß. Primär- und Sekundärteil sind Bestandteile des Rades und erhöhen somit die zu dämpfenden Massen. Hinzu kommen mechanische Stabilitätsprobleme der einseitig aufgebauten Felge, so daß wegen des radialen Luftspalts ein großer Abstand erforderlich wird, der wiederum nur ein geringes Leistungsgewicht des Motors zuläßt.

Der Antrieb von Fahrzeugen mit Elektromotoren ist seit einer Viel­ zahl von Jahren bekannt. In Elektrofahrzeugen kann auf Kupplungen, Getriebe und Anlasser verzichtet werden, sie sind jederzeit voll betriebsbereit und arbeiten umweltfreundlich ohne Abgase und Lärm. Darüber hinaus können Elektrofahrzeuge nicht nur motorisch be­ schleunigen, sondern auch generatorisch bremsen; wodurch sich gute Wirkungsgrade erzielen lassen. Aus diesem Grunde muß neben der elektrischen Maschine ein Stromrichterstellglied und die erforder­ liche Regelelektronik sowie ein elektrischer Energiespeicher vorhanden sein. Ferner ist es bereits bekannt, rotierende Elektro­ antriebe durch lineare Elektroantriebe, sogenannte Linearantriebe (Luda, G. Drehstrom- Asynchron- Linearantriebe, Vogel- Verlag, Würzburg, 1981, Seiten 30 bis 33, und Budig, P.K.: Drehstromlinearmotoren, Hüthig- Verlag, Heidelberg, 1978, Seiten 121 bis 135) in spurgebundenen Fahrzeugen zu erset­ zen. Um hohe Schubkräfte mit Linearantrieben zu erzielen, muß ins­ besondere der Luftspalt des Linearmotors möglichst klein gewählt werden und über der gesamten Fahrstrecke konstant sein. Die Kraft­ übertragung erfolgt bei diesen Linearfahrzeugen berührungslos zwi­ schen dem Fahrzeug und der Fahrbahn.

Ein Nachteil bei den bekannten Varianten von Linearantrieben in Fahrzeugen ist darin zu sehen, daß im Interesse eines kleinen und konstanten Luftspaltes eine aufwendige Führung zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil des Linearmotors erforderlich ist, wodurch die Einsatzmöglichkeiten auf spurgebundene Fahrzeuge beschränkt sind. Hinzu kommt, daß entweder das Primärteil oder das Sekundärteil in der Fahrbahn untergebracht werden muß und dessen Länge besitzen muß, was mit einem hohen Arbeits- und Materialauf­ wand verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen berührungslosen Elektroantrieb für radgebundene Fahrzeuge zu schaf­ fen, welcher einfach in der Luftspaltführung, gering im Material­ aufwand, sowie zuverlässig und genau in der Wirkungsweise ist und der sowohl in spurgebundenen als auch spurungebundenen Fahrzeugen auf Rädern zur berührungslosen Kraftübertragung eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile in radgebundenen Fahr­ zeugen bestehen insbesondere darin, daß statt mechanischer Verbin­ dungen zur Kraftübertragung ein magnetisches Feld direkt im Rad eine Schubkraft berührungslos erzeugt und daß der Materialaufwand äußerst gering ist. Eine Beschränkung auf Fahrzeuge mit fester Spurführung besteht nicht, weshalb ein Einsatz in allen Fahrzeu­ gen, welche auf Rädern bewegt werden, erfolgen kann. Besondere An­ forderungen an die Ausgestaltung der Fahrbahn gibt es nicht. Hinzu kommt, daß sich der berührungslose Elektroantrieb im abgeschalte­ ten Zustand vollkommen neutral verhält.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 Prinzipieller Aufbau eines berührungslosen Elektroantriebs in einem Fahrzeug auf Rädern,

Fig. 2 Perspektivische Darstellung des Primärteils und Sekundär­ teils zur berührungslosen Kraftübertragung.

Der in Fig. 1 gezeigte berührungslose Elektroantrieb für radgebun­ dene Fahrzeuge gehört mit seiner Sekundärseite zum Rad- Fahrbahn- System A und mit seiner Primärseite zum Aufbau B des Fahrzeuges. Das Sekundärteil (1) und das Primärteil (2) dienen der berührungs­ losen Erzeugung einer Schubkraft, der Stromrichter (3) und der elektrische Energiespeicher (5) stellen die erforderliche Leistung für den am Sollwertgeber (4) eingestellten Betriebszustand zur Verfügung. Über eine Ladestation (6) kann der Energiespeicher des Fahrzeugs während längerer Fahrpausen wieder aus dem ortsfesten, öffentlichen Netz (C) aufgeladen werden.

Nach der vorliegenden Erfindung wird somit ein elektrisches An­ triebssystem mit magnetfeldorientierter Kraftbildung in Fahrzeug­ rädern geschaffen, welches ohne mechanische Zwischenstufen aus­ kommt und in allen Fahrzeugen mit einem oder mehreren Rädern ein­ gesetzt werden kann. Das ringförmige Sekundärteil (1) ist konzen­ trisch an der Fahrzeugfelge befestigt bzw. in die Felge inte­ griert. Es bildet den magnetischen Rückschluß des Motors und sollte zur Vermeidung von Wirbelströmen aus geblechtem Eisen auf­ gebaut sein. Die Kombination eines Eisenrings mit einem Aluminium­ ring bzw. einem Kupferring garantiert hohe Schubkräfte bei asyn­ chronem Verhalten des Antriebs. Das Primärteil dient der Erzeugung eines magnetischen Wanderfeldes im kreisförmigen Luftspalt. Zu diesem Zwecke ist das kammförmige Blechpaket im Radius des Sekun­ därteils gekrümmt. In die Nuten ist eine Drehstromwicklung, welche zur optimalen Ausnutzung mit halbbewickelten Endpolen und un­ gerader Polpaarzahl ausgeführt sein sollte, eingelegt. Eine dop­ pelseitige Anordnung zweier Primärteile bewirkt eine deutliche Er­ höhung der Schubkraft. Ein nachgeschalteter Stromrichter (3) wan­ delt die feste Gleichspannung des elektrischen Energiespeichers um in ein variables Drehspannungssystem, wodurch ein hoher Wirkungs­ grad garantiert ist. Je nach den Erfordernissen kann der Strom­ richter für ein, zwei oder vier Quadrantenbetrieb ausgelegt wer­ den. Über einen Sollwertgeber (4) werden der Steuer- und Regel­ elektronik des Stromrichters der gewünschte Betriebszustand vor­ gegeben. Der fahrzeugfeste Energiespeicher (5) stellt zum einen die im Fahrbetrieb erforderliche Energie bereit und nimmt zum an­ deren die im Bremsbetrieb erzeugte Energie auf. Die Kapazität des Energiespeichers wird von der mittleren Leistungsabgabe und der maximalen Fahrdauer festgelegt. Während längerer Fahrpausen kann der Energiespeicher über eine Ladestation (6) direkt aus dem öf­ fentlichen Netz wieder aufgeladen werden. Die Ladestation ist für große Ladeleistungen ortsfest und für kleine Leistungen fahrzeug­ fest vorgesehen. Der Energiespeicher kann für den Fall entfallen, daß das öffentliche Wechsel- oder Drehstromnetz auch während der Fahrt zur Verfügung steht. Als Stromrichter genügt dann ein einfa­ cher Drehstromsteller.

Fig. 2 zeigt die perspektivische Darstellung des Motorteils anhand eines gebräuchlichen Ausführungsbeispiels. Das Primärteil ist ein in Längsrichtung geblechtes Eisenpaket, welches in seinen Nuten eine Drehstromwicklung trägt und mit dem Rahmen des Fahrzeuges so verbunden ist, daß ein möglichst kleiner Luftspalt einjustiert werden kann. Das Sekundärteil ist Bestandteil der Felge und setzt sich aus einem Doppelring aus Eisen und Kupfer zusammen. Um Korro­ sionsprobleme zu verhindern, ist der Eisenring innerhalb der Felge angebracht. Werden sämtliche Räder eines Fahrzeuges mit einem Pri­ mär- und Sekundärteil ausgestattet und aus einem gemeinsamen Stromrichter gespeist, so liegt über die elektrische Welle (Fre­ quenz) ein berührungsloser Allradantrieb vor.

Ein erfindungsgemäßer berührungsloser Elektroantrieb für radgebun­ dene Fahrzeuge, der durch magnetische Schubkrafterzeugung in den Rädern mechanische Kraftverbindungen überflüssig macht, bereitet in der Realisierung und beim Einsatz in Fahrzeugen keine Schwie­ rigkeiten. Der Materialaufwand ist äußerst gering. Die Verwen­ dungsmöglichkeiten sind wesentlich vielseitiger als bei Fahrzeugen mit spurgebundenen Linearantrieben. Dies bedeutet ferner, daß beim Einsatz des berührungslosen Elektroantriebs in Straßenfahrzeugen auf spezielle Anforderungen an die Ausgestaltung der Fahrbahn ver­ zichtet werden kann. Es versteht sich von selbst, daß der berüh­ rungslose Elektroantrieb in Kraftfahrzeugen auch parallel zum Ver­ brennungsmotor als Hilfsantrieb für den Stop and Go Betrieb und im Stadtverkehr sowie als elektrische Nutzbremse zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades vorteilhaft eingesetzt werden kann. Im Falle von Zweirädern eröffnet die Möglichkeit des Allradantriebs neue Perspektiven. Der Einbau des berührungslosen Elektroantriebs kann z. B. in Fahrrädern auch noch nachträglich problemlos erfolgen.

Claims (1)

1. Berührungsloser Elektroantrieb für radgebundene Fahrzeuge mit einem Linearantrieb, bei welchem zur Kraftübertragung vom Fahrzeug auf das jeweilige Rad ein magnetisches Feld verwendet ist, der ein ringförmiges Sekundärteil, welches konzentrisch an der Felge des Fahrzeugrades befestigt ist, und ein ringförmiges Primärteil aufweist, dadurch gekennzeichnet,
   daß der Linearantrieb eine asynchrone Drehstrommaschine mit Kurzstator ist,
   daß das Primärteil entsprechend dem Radius des Sekundärteils gekrümmt und mit dem Fahrzeugrahmen starr verbunden ist und
   daß zwischen dem Sekundärteil und dem Primärteil ein axialer Luftspalt ausgebildet ist.