WO1997008438A1 - System zur aktiven verringerung von drehungleichförmigkeiten einer welle, insbesondere der triebwelle eines verbrennungsmotors, und verfahren hierzu - Google Patents

System zur aktiven verringerung von drehungleichförmigkeiten einer welle, insbesondere der triebwelle eines verbrennungsmotors, und verfahren hierzu Download PDF

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electrical machine
shaft
machine
rotational
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Ullrich Masberg
Thomas Pels
Klaus-Peter Zeyen
Andreas GRÜNDL
Bernhard Hoffmann
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Isad Electronic Systems Gmbh & Co. Kg
Gründl und Hoffmann GmbH Gesellschaft für elektrotechnische Entwicklungen
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Definitions

  • the electrical machine is a commutator machine with two separate rotor windings, one of which serves to operate the machine as a motor and the other to operate as a generator.
  • the machine By alternately operating the machine as a motor and generator in short time windows, it generates alternating positive and negative torques that are opposed to the rotational irregularities and cancel each other out on average. In the periods between two time windows, the machine is passive and generates no torque.
  • the publication also mentions the possibility that the electrical machine can assist the internal combustion engine in accelerating and braking the motor vehicle.
  • the electrical machine is to support the internal combustion engine when accelerating, the time windows for generator operation are shortened and those for engine operation are lengthened. The electrical machine then generates - averaged over a period - a positive torque. To generate an average negative torque, the time windows for engine operation are correspondingly shortened and those for generator operation are lengthened.
  • Unger-Weber Modeling the Three Phase Propulsion System of a Modern Multisystem-Locomotive, in: EPE Firenze, 1991, pp. 4-632 to 4-637, and J. Langheim, J. Fetz: Electric Citybus with Two Induction Motors - Power Electronics and Motor Control, in: ETEP, Vol. 2, No. 6, November / December 1992, pp. 359 to 365.
  • the invention aims to further develop such systems.
  • the rotational nonuniformities can in particular be those which occur in an internal combustion engine, in particular a reciprocating piston engine with internal combustion, due to the gas and inertial forces of the individual reciprocating pistons acting on the drive shaft (ie in particular the crankshaft).
  • an internal combustion engine in particular a reciprocating piston engine with internal combustion
  • relatively large second-order rotational irregularities ie twice the rotational frequency of the engine
  • the internal combustion engine can be, for example, a two-stroke or four-stroke engine with an even number of cylinders (for example 2, 4, 8, 10, 12 cylinders, etc.) or an odd number of cylinders (1, 3, 5, 7, 9, 11, etc.) who) act (who works for example according to the Otto or Diesel principle).
  • it can also be a different type of internal combustion engine, such as a reciprocating piston engine with external combustion (so-called Stirling engine).
  • a rotary piston engine for example a Wankel engine
  • turbines in particular gas or steam turbines, can be used. With them, the rotational irregularities are generally only small;
  • the system according to the invention can also be extremely advantageous for applications in which particularly good concentricity is important.
  • the system according to the invention is not only suitable for actively reducing rotational irregularities which result from a drive unit (e.g. a motor vehicle, rail vehicle or ship), as described in the abovementioned. Examples is the case. Rather, it can also be a matter of rotational irregularities which occur in a drive train - that is to say between the drive unit and the output point, for example as a result of cardan joints, spatial shaft vibrations or gear wear.
  • a drive unit e.g. a motor vehicle, rail vehicle or ship
  • a drive system could also be equipped with several systems according to the invention for the active reduction of rotational irregularities, for example in the case of a force Vehicle act a first system directly on the crankshaft of the drive unit (internal combustion engine), while a second system downstream of the clutch, for example between the clutch and transmission, serves to reduce rotational irregularities in the drive train.
  • a force Vehicle act a first system directly on the crankshaft of the drive unit (internal combustion engine), while a second system downstream of the clutch, for example between the clutch and transmission, serves to reduce rotational irregularities in the drive train.
  • An “electrical machine” is any type of machine for rotational movements that can be operated both as an electrical motor and as an electrical brake, possibly as a generator.
  • the coupling of the electrical machine to the shaft can be indirect, e.g. via a transmission.
  • it is preferably a direct coupling, in which e.g. the rotor of the electrical machine - similar to a flywheel - sits directly on the shaft or an optionally connectable extension of the shaft.
  • rapidly variation is meant a variation to be reduced ten Drehun Eisenförmigkei ⁇ in the frequency range of, eg contrast vari ⁇ ated in the rotational irregularity of the 2nd order and at a speed of 3000 min "1, a variation at a frequency of 100 Hz.
  • the superimposed torque - apart from possibly steep flanks at the beginning or end of the superimposition - is generally slow or constant.
  • the solution is to control the electrical machine in such a way that, in addition to the rapidly varying torque to reduce rotational nonuniformity, it generates a superimposed additional torque in the desired direction and strength.
  • the superposition of the two moments is additive with regard to the amplitude of the moments.
  • the superimposition with the additional torque increases or decreases the respective maximum or minimum total torque.
  • this remains unchanged in the case of cycle ratio control; an additional torque only arises on average due to the differently long time windows.
  • the system according to the invention thus has the following advantages: it allows a completely independent setting of rapidly varying torque and additional torque and is therefore simpler in terms of control technology; it achieves an optimal reduction in rotational nonuniformity, regardless of whether and which additional torque it generates; a large stroke of the additional torque can be achieved (in general, the maximum achievable machine torque reduced by the amplitude of the rapidly varying torque).
  • the electrical machine can be controlled in such a way that it counteracts either only rotational nonuniformities towards fast (so-called positive rotational nonuniformities) or slow down (so-called negative rotational nonuniformities).
  • an operating mode is particularly effective in which it counteracts both negative and positive rotational nonuniformities, that is to say generates a rapidly alternating torque (claim 2).
  • the total torque of the electrical shows Machine - albeit shifted from the zero line - alternating positive and negative values.
  • the shift in the alternating torque with respect to the zero line also results in a change in the relative times in which the electrical machine has a driving and braking effect. Unlike in the prior art, this shift also causes a change in the amounts of the driving and braking moments. If the additional torque is greater than the amplitude of the alternating torque, the total torque is either only positive or negative, the amount of which contains a rapidly varying component (claim 3). Such an operating state cannot be achieved with conventional clock ratio control.
  • a negative additional torque can serve that the electrical machine acts as a generator for the power supply during the reduction in rotational nonuniformity and / or serves to bring about or assist braking of a vehicle and / or in the context of an anti-slip Regulation by braking to reduce the slip of a drive wheel (claim 4).
  • a braking additional torque can also be used for the electric machine to reduce the clutch slip with an electromagnetic clutch function and / or to perform a braking synchronizing function. Instead of braking, the drive wheel slip can also be reduced by increasing the clutch slip.
  • the braking energy (additional torque - braking energy) obtained when these braking functions are applied can be stored - like that resulting from rotational irregularities - (e.g.
  • a positive additional torque can perform a braking synchronization function or support acceleration of the vehicle (the electric machine then acts as a "booster") or bring about it, for example in order to fill acceleration holes, for example in the case of a turbocharger engine ).
  • the electrical machine is advantageously a rotating or traveling field machine (claim 6).
  • "Rotary field machine" - in contrast to a commutator machine - means a machine in which a magnetic rotating field occurs. This can e.g. are an asynchronous or synchronous machine, in particular for three-phase current, or a machine with electronic commutation. In a three-phase machine, the magnetic field sweeps a full 360 ° rotation, in a moving-field machine, however, only one or more sections (sectors) of it.
  • the traveling field machine can e.g. are an asynchronous or synchronous machine, the stator of which extends only over one or more sectors of the rotor - similar to one or more curved linear motors.
  • the drive system preferably has at least one inverter for generating the voltages and / or currents of variable frequency, amplitude and / or phase required for the magnetic fields of the electrical machine, and at least one control device which controls the inverter and thus the electrical machine that this generates the rapidly varying torque, if necessary with superimposed positive or negative additional torque (claim 7).
  • the inverter can also carry the voltages and / or currents required for the magnetic fields (in particular rotating or traveling fields) (within certain Limits) freely selectable frequency, amplitude or phase or any combination of these quantities. He can do this advantageously with the aid of electronic switches from a given DC or AC voltage or a given DC or AC current (so-called pulse inverters).
  • An inverter drive has the advantage, inter alia, of being able to effectively reduce and, in many cases, practically completely suppress them with a high degree of variability in the most varied of operating states and a wide variety of rotational irregularities, and simply bring about the superimposition of the additional torque with the desired strength to be able to.
  • the energy obtained when reducing a positive rotational nonuniformity is advantageously at least partially stored and the stored braking energy is at least partially reused to reduce a negative rotational nonuniformity (claim 8).
  • the rotational nonuniformity braking energy and possibly the additional torque braking energy can be stored in particular by means of an electrical store and / or a mechanical store (flywheel store):
  • a capacity, inductance or a (fast) battery can serve as the electrical store.
  • the inverter is advantageously an intermediate circuit inverter, the intermediate circuit of which has at least one electrical memory for braking energy or is coupled to at least one such.
  • the memory can either be used exclusively to store braking energy (in this case it would be switched, for example, in addition to an intermediate circuit memory which is usually present and which can supply the voltage or current pulses required in the inverter cycle mode), or it can only partially serve to store the braking energy, that is to say to store still other energy, for example that required for clocked operation (in the latter case, it could coincide with the usual intermediate circuit memory, for example). Otherwise, the design of the converter as an intermediate circuit converter can be advantageous in any case, for example even without intermediate storage of braking energy.
  • An “intermediate circuit” is understood to be a circuit which can essentially supply direct voltage or current, from which a downstream inverter part (the so-called machine inverter) can form variable alternating voltages or currents by pulsing or clocking .
  • This DC voltage or this DC current must provide voltage or current pulses with extreme slope and at a high voltage or current level.
  • an intermediate circuit inverter comprises three modules, namely an input module for supplying or dissipating electrical energy, an output module in the form of the machine inverter and the intermediate circuit lying between them.
  • the flywheel can preferably be electrically coupled to the system via a (second) electrical machine.
  • a (second) electrical machine This can e.g. are a rotating field or commutator machine controlled by its own power converter.
  • the electrical machine for reducing rotational nonuniformity and the flywheel machine work in push-pull: if the former acts as a brake, the second accelerates the flywheel or if the former drives or less brakes, the second brakes the flywheel.
  • a flywheel energy store relatively high energy densities can be stored.
  • the (first) electrical machine can simultaneously or Execute other functions at different times and thus conventionally replace machines that specialize in these functions.
  • it can also have the function of a starter for the internal combustion engine coupled to the shaft (claim 9).
  • it can have the function of a generator for power supply, for example for charging a battery or supplying an on-board electrical system.
  • the electrical machine is temporarily operated as a pure electric motor.
  • the rotor of the electrical machine is advantageously seated on the drive shaft or an extension (which can be uncoupled from it). It is preferably non-rotatably coupled or can be coupled to the drive shaft.
  • the speed of the rotor is preferably the same as the speed of the internal combustion engine.
  • the generator function is generally also desired during the reduction in rotational nonuniformity.
  • the electrical machine To supply high-performance consumers, such as auxiliary machines (air conditioning machines, servo drives, pumps) and heaters, it is advantageous for the electrical machine to have current at a relatively high voltage level, preferably in the upper range of the low voltage, where special protection against accidental contact is just not yet provided must (e.g. about 60 V DC). If you go beyond this, a range of 250-450 volts is preferably selected.
  • the high-performance consumers are advantageously electrically (instead of mechanically or by waste heat as before) on them high voltage levels driven (or heated) (claim 10). Such high voltage levels can already be present in the intermediate circuit, in particular in the case of an intermediate circuit inverter, and thus need not be generated especially for this additional purpose.
  • a conventional low-voltage electrical system (12 V or 24 V) can be provided for low-power consumers.
  • the active reduction of rotational irregularities is based on the fact that the electrical machine counteracts positive and negative rotational irregularities, e.g. has a braking effect in the case of positive rotational irregularities and a driving force in the case of negative ones.
  • the control device requires information about the point in time and, if appropriate, the amount of a positive or negative rotational irregularity.
  • the information used for the operation of the electrical machine is not the actual, but rather an expected rotational nonuniformity. So this is a (non-feedback) control.
  • the amount and sign of the instantaneous rotational non-uniformity as a function of the (crank) shaft angle and one or more operating parameters can be determined on a prototype or simulated by a computer and with this information, stored in the form of a map, each series combustion equip the motor.
  • the system then measures the currently available crankshaft angle and the other operating parameters (eg speed and throttle valve position), reads the associated stored map values for the amount and amplitude of the expected rotational irregularity, and controls the electrical machine accordingly via the control device. to counteract the rotational nonuniformity.
  • the other operating parameters eg speed and throttle valve position
  • Adaptive control is also possible, i.e. a (non-feedback) control, in which the control information is not fixed, however, but is defined or at least modified by measuring rotational irregularities preceding it.
  • the expected values stored in a characteristic diagram can be adaptive with respect to an expected variable (for example with regard to the amplitude), while they could be fixed with respect to another expected variable (for example with the wave angle).
  • a very advantageous combination is also a control with Feedforward control, for example In each control interval, the control is first preset according to an expected rotational non-uniformity value from a map (pre-control) and then the i.a. minor deviations of the actual value from the preset value are adjusted (regulation). This type of control provides very quick and precise control behavior with relatively little effort. It can also be advantageous to work with (feedback) control at low speeds (e.g. at idle), but to switch to (non-feedback) control at higher speeds.
  • the measured variable does not have to be the rotational nonuniformity (possibly derived from a measurement of the angular position or speed as a function of time). It Rather, it can also be a (or more) other variable (s) that allow (allow) an inference to at least a part of the rotational irregularities that occur.
  • this variable can advantageously be the gas pressure in one or more engine cylinders.
  • the gas pressure is namely an essential, variable source of rotational irregularities. Another important, practically unchangeable source has to be considered - the mass forces. Your contribution can be permanently stored in a map.
  • the instantaneous torque of the internal combustion engine can be measured, for example with the aid of a torque hub.
  • the use of the gas pressure and / or the instantaneous torque as a measured variable thus allows a relatively simple and fast regulation, adaptive control or a corresponding mixed form (claim 14).
  • the electric rotary or traveling field machine of the drive system is preferably an asynchronous machine, a synchronous machine or a reluctance machine, in particular for three-phase current.
  • An asynchronous machine generally has a relatively simply constructed rotor (generally a rotor with short-circuit windings or windings whose ends are guided on slip rings).
  • synchronous machines have rotors with pronounced magnetic poles, for example permanent magnets or electromagnets, which are supplied with electricity, for example.
  • Reluctance machines belong to the synchronous machines in the broader sense.
  • the control of the electrical machine is preferably carried out on the basis of a field-oriented control (so-called vector control).
  • stator current is converted into a torque-generating component that generates the torque with the rotor flux and a perpendicular to it using a computationally dynamic machine model. de, computationally disassembled the machine flow generating component and thus determines the torque.
  • the system for actively reducing rotational irregularities is i. a. an auxiliary system that e.g. is arranged in the drive train of a motor vehicle with an internal combustion engine as the main system. Because of its auxiliary character, it should take up little space relative to the main system, so it should be as compact as possible.
  • the advantageous measures mentioned below serve - in addition to other advantageous purposes - such a compact structure.
  • the electrical machine has a fine pole pitch, in particular at least one pole per 45 ° stator angle. In the case of a circularly closed (360 °) machine, this corresponds to a total of at least eight poles. Even finer pole pitches are particularly advantageous, corresponding, for example, to 10, 12, 14, 16 or more poles in the case of the circularly closed machine.
  • a fine pole pitch allows the winding heads of the stator to be made small, both in the axial and in the circumferential direction of the machine, so that the machine can be made shorter overall in the axial direction.
  • the stator back for the magnetic reflux can be made thinner (and thus also lighter), with the result that the rotor can have a larger diameter with the same outer diameter of the machine. Larger rotor diameters lead to greater torque because of the longer air gap in the circumferential direction and the larger effective lever arm. Overall, a finer pole pitch leads to a more compact and lighter machine. In addition, because of the shorter winding wire length - smaller winding heads require less non-active winding wire - the ohmic losses are lower. Furthermore, since the stray field (which is the reactive power component essential depends) on the winding head area, it is relatively small with fine pole pitch.
  • a small stray field is particularly advantageous when reducing the rotational nonuniformity, since here - unlike in the case of a conventional electrical machine - there is a constant changeover between motor and generator operation, and reactive power has to be applied continuously in the event of the polarity reversal involved.
  • the electrical machine used in the context of the invention advantageously has a high maximum pole change frequency, preferably between 300 and 1600 Hz and more, particularly preferably between 400 Hz and 1500 Hz.
  • stator advantageously has thin stator plates, preferably with a thickness of 0.35 mm or less, particularly preferably 0.25 mm or less.
  • stator plates are preferably made of a material with low magnetic loss, in particular less than 1 watt / kg at 50 Hz and 1 Tesla.
  • the electrical machine advantageously has an internal fluid cooling.
  • the fluid can advantageously be oil.
  • a very effective cooling technique is to put the inside of the machine completely under oil.
  • a disadvantage of this, however, is that turbulence losses occur above approximately 500 rpm, which can take on noticeable dimensions above approximately 2000 rpm.
  • the supply of the cooling fluid is advantageous loss-dependent and / or speed-dependent, the fluid cooling preferably being a spray fluid cooling. Then there is only essentially as much cooling fluid in the machine as is currently required to dissipate the power loss.
  • the compactness can be expressed quantitatively by the quantity "torque density”.
  • the electrical machine preferably has a high torque density - based on the maximum torque - which is particularly preferably greater than 0.01 Nm / cm 3 (claim 11).
  • Radial vibrations often occur on a shaft with rotational irregularities, particularly in crankshafts of internal combustion engines.
  • the system is preferably designed so that the electrical machine works strongly in the area of magnetic saturation.
  • a measure of the magnetic saturation is the current coating (at maximum torque) in the stand per cm of air gap length in the circumferential direction. This dimension is preferably at least 400-1000 A / cm, particularly preferably at least 500 A / cm.
  • Working strongly in the saturation range allows the machine to be designed with a relatively wide air gap. Changes in the air gap - as they occur with radial vibrations - have little effect because of the operation in the saturation range.
  • Such a compact electrical machine generally has a relatively low inductance.
  • the inverter advantageously works at least temporarily with a high clock frequency, in particular 10 kHz to 100 kHz and higher.
  • This measure is also advantageous for achieving a high temporal resolution of the system: for example, one can be used with a clock frequency of 20 kHz Achieve temporal resolution in the torque behavior of the electrical machine of 2 kHz, with which one can effectively reduce a rotational nonuniformity at 200 Hz (200 Hz correspond to the fourth order at 3000 rpm, for example).
  • a high clock frequency also contributes to a compact design of the inverter itself, because it permits smaller intermediate circuit capacitors which can be arranged directly next to the electronic switches with short conduction paths. Furthermore, EMC filters (EMC: electromagnetic compatibility) of the inverter can be made smaller.
  • electronic switches of the inverter are fluid-cooled, preferably boiled bath-cooled.
  • a fluorocarbon can be used, for example, as the boiling bath coolant.
  • the coolant evaporates at heat points and thereby removes its relatively high heat of vaporization.
  • the steam rises and can e.g. condense in an external cooler and give off its heat of vaporization.
  • This cooling technology allows the most compact arrangement of the electronic switches of the inverter without any heat sinks.
  • it has the advantage that relatively small temperature differences are sufficient to achieve high cooling output, e.g. a difference of 2-10 ° C compared to 40 ° C with air cooling.
  • Another measure that is advantageous in terms of cooling technology is to connect a plurality of electronic switches of the inverter, in particular 2 to 20 and more, in parallel. The parallel connection leads to a distributed arrangement of the heat sources and thus a relatively low power loss density.
  • the inverter advantageously comprises, as a switch, semiconductor switches, preferably fast semiconductor switches, such as field effect transistors, particularly preferably metal oxide semiconductors (MOS) field effect transistors, bipolar transistors. sistors and / or bipolar transistors with insulated gate connection (IGBTs). “Fast” semiconductor switches are understood to mean, in particular, those which allow maximum clock frequencies of 10 to 100 kHz or more.
  • semiconductor switches preferably fast semiconductor switches, such as field effect transistors, particularly preferably metal oxide semiconductors (MOS) field effect transistors, bipolar transistors.
  • MOS metal oxide semiconductors
  • IGBTs insulated gate connection
  • the inverter generates the voltages and / or currents required for the magnetic fields of the electrical machine, preferably by means of pulses, in particular on the basis of pulse width or pulse amplitude modulation.
  • pulse width modulation at constant DC link voltage, sinusoidal pulse width modulation at high clock frequencies, due to the machine inductance, can be used to generate almost sinusoidal currents of any frequency, amplitude and / or phase.
  • pulse amplitude modulation is based on an inverter with a variable DC link voltage and thus generates pulses of different amplitudes.
  • the electrical machine or the shaft is advantageously equipped with a rotor position or shaft position sensor. From the information about the current angular position, it is possible to draw conclusions about the current angular velocity and acceleration and thus about current rotational irregularities. In a controlled system, the reduction in rotational nonuniformity can be based on this information, as has been explained above. In a controlled system, the information about the current angular position and, if applicable, the current average speed is needed in order to obtain the correct expected value read from the map.
  • a rotary transformer (a so-called resolver), in particular a transformer with an angle-dependent transmission ratio, can be used to obtain the most accurate possible angular position information.
  • High-resolution encoders can also be used for this purpose, for example a combination of a high-resolution incremental encoder and a simple absolute encoder.
  • frictional clutches are used in drive systems of motor vehicles, which enable the motor vehicle to be started with a torque conversion (“sliding clutch”) in the starting phase.
  • Their further task is to allow a gear change by separating the drive assembly from a manual transmission and then reconnecting it with a speed adjustment of the drive assembly and transmission caused by friction.
  • hydrodynamic couplings some with a converter function.
  • the electrical machine can advantageously be designed in such a way that it acts as an electromagnetic clutch in the drive train and / or as an active transmission synchronizing device or as part thereof (claim 12).
  • an electromagnetic clutch for this purpose, one can, for example, couple the drive shaft coming from the internal combustion engine to the rotor and the output shaft leading to the gearbox to the stator, which is rotatably mounted here (or with reverse assignments of the rotor and "stator").
  • an “electromagnetic clutch” the torque is transmitted across the clutch by electrical, magnetic or electromagnetic forces. It is possible that this type of power transmission is only temporary. For example, after reaching the same speed of the shafts to be coupled, the power transmission can be carried out by a mechanical clutch.
  • the machine corresponds, for example, to a normal machine with a rotor and stand, which can be rotated as a whole in addition to the rotor rotation.
  • the machine which can be rotated as a whole, can generate positive and negative relative torques between the rotor and the "stator".
  • the clutch slip can be switched on and off as in a conventional clutch and active acceleration or braking of the shaft leading to the gearbox can be achieved for gearbox synchronization become.
  • the electrical machine acting as a clutch can also be used for vibration damping, namely: 1) with an output shaft fixed against rotation for damping on the drive time, and 2) otherwise by setting a clutch slip which varies with the rotational nonuniformity for vibration isolation of the output side from the drive side.
  • the electromagnetic clutch function can also be used advantageously for a modified form of starting. Because to start the drive unit directly, relatively large torques must be applied.
  • the electrical machine can advantageously serve as a flywheel starter with an electromagnetically coupled flywheel.
  • the rotor or the "stator" with the adjoining shaft leading to the gearbox is preferably used as a flywheel. When the gear is released, it can be turned up to high speeds by means of an electric motor in support against the inertia of the drive shaft and the compression of the internal combustion engine.
  • the flywheel mass is quickly braked by electromagnetic coupling with the aid of the electrical machine itself and the drive shaft is thereby accelerated in such a way that the internal combustion engine starts.
  • the electrical machine can also be used for traction control (ASR).
  • ASR traction control
  • the control of the drive slip is carried out in the prior art in such a way that the drive torque is reduced when a limit value of the drive slip or a change in time (time derivative) of the drive slip is reached.
  • the drive torque is reduced either by adjusting the internal combustion engine, that is, by adjusting the throttle valve. realized or by ignition timing adjustment, or by actuating one or more wheel brake (s).
  • a combination of both measures is also known.
  • the wheel brakes can be actuated when a second, higher limit value of the drive slip is reached. Regulations of this type are relatively slow on the one hand, and relatively difficult to control on the other hand, that is to say it is practically impossible to achieve a specific course of the drive torque reduction over time.
  • the electrical machine is used for traction control and is designed such that it can be used to reduce traction by additional torque, for example by reducing the drive torque (of the drive unit), in particular by braking action and / or as a clutch acting electrical machine - through clutch slip effect.
  • the invention is also directed to a method for actively reducing rotational nonuniformities of a shaft, in particular the drive shaft of an internal combustion engine or a shaft which is or can be coupled therewith, with at least one electrical machine which is coupled or can be coupled to the shaft, wherein the electrical machine is controlled so that it generates a rapidly varying torque, and - for the additional achievement of a driving
  • the method can advantageously be carried out with a system according to one or more of the configurations explained above (claim 14).
  • claim 14 Regarding individual characteristics and advantages of the method, reference is made to the above explanations of the system, which also refer in full to the method in its various configurations.
  • claims 2, 6 - 12 and 14 and the description can also be advantageous in a system or method for actively reducing rotational irregularities, in which the electrical machine does not superimpose any additional torque.
  • the reservation is therefore made to direct patent claims on these objects, omitting the relevant feature complex now contained in claims 1 and claim 13, respectively.
  • FIG. 1 shows a schematic exemplary representation of the functioning of the system for actively reducing rotational irregularities
  • FIG. 2 shows a schematic representation to scale of an embodiment of the system
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration of an electrical machine with a cutting plane perpendicular to the axial direction to illustrate various machine types which can be used in the system;
  • 4 shows a schematic circuit diagram of an inverter used in the system
  • 5 shows a schematic illustration of an electrical machine with rotatable electromagnetic active units.
  • Fig. La illustrates (with a solid line) the speed n of a shaft as a function of the crankshaft angle ⁇ .
  • the shaft At an average speed (here 3000 revolutions per minute), the shaft periodically executes speed fluctuations towards smaller and larger speeds, which overall have an essentially sinusoidal course in this idealized example.
  • the shaft is, for example, the crankshaft of a four-cylinder, four-stroke internal combustion engine of a motor vehicle, which in the second order (i.e. at a frequency of 100 Hz) has a relatively large rotational nonuniformity resulting from the gas and mass forces.
  • the angle interval required for one revolution of the shaft is also drawn in for illustration.
  • a shaft (not shown here) also has rotational orders of higher orders and those of a stochastic nature. Your course is generally not sinusoidal.
  • FIG. 1b illustrates the total torque Me as a function of the shaft angle ⁇ , which is applied by an electrical machine coupled to the shaft.
  • the course of the machine torque Me largely corresponds to that of the rotational nonuniformity and the motor torque Mv, but is directed in the opposite direction.
  • the courses are in essentially in phase opposition, ie, in the event of a rotational irregularity towards higher speeds (so-called positive rotational non-uniformity), the electrical machine generates a torque which brakes the shaft (so-called negative torque), whereas in the case of a rotational non-uniformity it leads to lower speeds (so-called. negative rotational non-uniformity) generates a driving torque (so-called positive torque).
  • the magnitude of the torque Me is chosen so that the rotational nonuniformity - and the fluctuation of the torque Mv proportional to it - is significantly reduced or even practically disappears as a result of its action, as illustrated by the dashed line in FIG.
  • the negative and positive torque extremes are of equal magnitude.
  • the energy obtained in a braking phase is therefore essentially the same as the energy to be used in the following drive phase.
  • the energy flow to the outside is therefore zero, braking energy is only temporarily stored in the interior of the system.
  • the system thus works as a pure rotational lightness reducer with a rapidly varying torque, without generating an additional torque.
  • FIG. 1c An example of a modified operating mode of the system with additional torque is shown in FIG. 1c: an additional torque is superimposed on the alternating torque according to FIG.
  • the time profile of the total torque Me thus corresponds to that of FIG. 1b, but it is shifted globally by a certain amount ⁇ Me (the so-called stroke) in the negative direction. Accordingly, the maximum and minimum values of the alternating torque are shifted by the stroke ⁇ Me.
  • the stroke ⁇ Me will generally vary slowly, but in the short time frame of approximately one revolution period shown here it is constant to a good approximation.
  • the stroke ⁇ Me is smaller than that here Amplitude of the rapid variation of the torque, so that the total torque Me alternately takes positive and negative values.
  • the electrical machine therefore has, in addition to the function as a rotational lightness reducer, the function of an electrical generator that can act as a brake and current, for example to compensate for the operating losses in the system, to charge the vehicle battery and / or to operate electrical ones Can deliver consumers.
  • the electrical machine only acts as a brake and no longer as a drive, the amount of the braking effect varying in phase in accordance with FIGS. 1b and 1c in relation to the rotational nonuniformity.
  • Small and very large generator outputs can be set simply by correspondingly setting the (software) control of the electrical machine - without any design (hardware) changes. Only the size of the electrical machine has a limiting effect. This means that one and the same type of machine can be used, for example, for small and large types of motor vehicles without any design adjustments.
  • the global torque curve can also be shifted in the positive direction (positive stroke).
  • the electrical machine then works as a (driving) motor, for example to support the internal combustion engine when the vehicle is accelerating.
  • the drive system shown in FIG. 2 of a motor vehicle for example a passenger car, has an internal combustion engine 1 as the drive unit, which is, for example, a four-cylinder, four-stroke gasoline or diesel engine.
  • the torque generated by the internal combustion engine 1 can be transmitted to drive wheels 3 via a drive train 2.
  • an electrical machine 4 is initially arranged in the drive train 2 after the internal combustion engine 1. This is followed by a travel clutch 5, a transmission 6 and an axle drive 7, which transmits the torque to the drive wheels 3.
  • the clutch 5 and the transmission 6 can be a friction clutch and a manual transmission; alternatively, for example, an automatic clutch or converter clutch, each with manual transmission or automatic transmission, are possible.
  • a further clutch (actuated by control) is arranged in the drive train 2 between the internal combustion engine 1 and the electrical machine 4 in order to prevent the internal combustion engine 1 from running when the electric machine 4 brakes.
  • the electrical machine 4 - here a three-phase traveling field machine in the asynchronous or synchronous design - comprises a stator 8 and a rotor 9.
  • the former is non-rotatably supported against the internal combustion engine 1, a (not shown) vehicle chassis or a ( (Not shown) clutch housing, whereas the latter sits directly on a drive shaft (crankshaft) 10 of the internal combustion engine 1 or an extension thereof and is coupled to it in a rotationally fixed manner.
  • the drive shaft 10 and the rotor 9 thus rotate together without the interposition of a gear.
  • the electrical machine 4 fulfills several functions: on the one hand, it functions as a rotational nonuniformity reducer, as has already been explained in connection with FIG. 1. On the other hand, it acts as a generator for charging a vehicle battery 11 and for supplying electrical consumers and thus replaces an alternator conventionally present in the motor vehicle. The generator function can also serve to brake the vehicle or the internal combustion engine 1. In addition, the electrical machine 4 can act as an additional motor (“booster”), for example to assist the internal combustion engine when accelerating the vehicle. It also serves as a starter for the internal combustion engine and can therefore also replace a starter (“starter”) that is conventionally provided separately in motor vehicles. Finally, due to the mass moment of inertia of the rotor 9, it functions as a flywheel and can thus replace the flywheel which is generally present in conventional motor vehicles and is located on the crankshaft.
  • boost additional motor
  • starter starter
  • the electrical machine 4 is internally cooled by a liquid cooling, here a spray liquid cooling 12.
  • a liquid cooling here a spray liquid cooling 12.
  • the cooling liquid - here a suitable oil - is sprayed onto the rotor 9, namely in the vicinity of its axis of rotation. Due to the rotor rotation, it moves outward due to centrifugal force and cools rotor 9 and stator 8, and then leaves a housing 15 of electrical machine 4 in order to re-enter cooler 13 in a closed circuit.
  • the coolant flow takes place depending on the power loss and the speed by controlling the pump 14 in such a way that in each case there is essentially only a minimum amount of the coolant quantity just required in the interior of the housing 15.
  • a compensating vessel allows this variation of the cooling liquid in the housing 15.
  • the electrical machine (or only the rotor) is integrated in a clutch and / or gearbox housing and is integrated therein Lubricating and / or cooling fluid present (for example clutch or gear oil) are also cooled.
  • the electrical machine 4 is also equipped with a rotary transformer 16 (so-called resolver), which preferably has more than 8 poles, here for example 12 poles. It consists of two adjacent printed circuit boards, one of which is fixed and the other rotates with the drive shaft 10.
  • the printed circuit boards have windings formed by conductor tracks on their facing surfaces, so that there is a transformer transmission ratio dependent on the angle of rotation.
  • the rotary transformer 16 works according to the transponder principle: the fixed windings (fixed circuit board) are actively supplied with current / voltage and radiate electromagnetic energy towards the rotatable windings (rotatable circuit board). The latter radiate back part of this energy, this part depending on the rotation angle-dependent transmission ratio on the rotation angle. The reflected part generates a signal dependent on the angle of rotation in the fixed windings. An evaluation of this signal provides the instantaneous angle of rotation of the drive shaft 10 with an accuracy of at least 0.5 degrees. In simpler embodiments, an incremental encoder is used.
  • An inverter 17 supplies the stator 8 of the electrical machine 4 at a very high clock frequency (for example 10-100 kHz) sinus-weighted pulse-width-modulated voltage pulses which, under the action of the machine inductance, result in essentially sinusoidal three-phase currents, their amplitude, frequency and Phase is freely selectable.
  • a very high clock frequency for example 10-100 kHz
  • the inverter 17 is a voltage intermediate circuit pulse inverter and comprises three assemblies: a direct voltage converter 18 (input module), which direct voltage from a low level (here 12 V) to a higher intermediate circuit level (here 60 V or 350 V) and implemented in the opposite direction, an electrical intermediate circuit memory 19, here a capacitor or an arrangement of capacitors connected in parallel, and a machine Inverter 21 (output module), which can generate the (clocked) three-phase AC voltage of variable amplitude, frequency and phase from the intermediate circuit DC voltage or - with generator operation of the electric machine 4 - such AC voltages of any kind Can implement DC link DC voltage.
  • the intermediate circuit level lies at the upper edge of the low-voltage range, here 60 V, which is permissible without special contact protection.
  • the three assemblies 18, 19, 20 of the inverter 17 are hermetically enclosed in a metallic housing 21 which is filled with a suitable evaporative coolant.
  • a suitable evaporative coolant e.g. a fluorocarbon which, at a suitable pressure (approximately between 50 mbar and 3 bar), has a suitable boiling point, e.g. at 60 ° C.
  • Evaporated coolant can condense in a condensation cooler 22 and return in liquid form in a closed circuit to the housing 21.
  • the housing 21 with the cooling circuit is hermetically sealed.
  • the DC voltage converter 18 is connected on the low voltage side to the vehicle battery 11 and various low voltage consumers 23, such as lighting and electronic devices.
  • the inverter 17 can on the one hand supply current at a low voltage level for charging the vehicle battery 11 and supply the low-voltage consumers 23, and on the other hand it can draw current from the vehicle battery 11 on a low voltage level for starting the internal combustion engine 1.
  • the vehicle battery is at the intermediate circuit level and is directly coupled to the intermediate circuit.
  • the intermediate circuit memory 19 is connected to an external additional memory 24, which is an electrical memory, here an additional capacitance 25, and / or a flywheel memory 26 can act.
  • the additional memory 24 primarily has the task of temporarily storing the energy obtained in the braking phase during the reduction in rotational shape and releasing it again for the subsequent driving phase. In addition, it can also be used to store the energy which arises in the case of other braking processes mediated by the electrical machine 4. Finally, he can relieve the vehicle battery 11 during the starting process of the internal combustion engine 1 by only slowly extracting this energy and storing it in the additional memory 24. Here it is then available for quick removal during the start-up process.
  • the (inner) intermediate circuit memory 19 essentially has the task of supplying the machine inverter group 20 with the high flank steepness required for the clocking, that is to say quickly. For this purpose, it does not need a very high capacitance (it has, for example, 2 ⁇ F), but rather low feed inductances are advantageous for the speed, which is ensured by the arrangement inside the inverter 17 (and preferably on the same board, on which also the electronic switches of the machine inverter 20 are arranged).
  • the additional memory 24, on the other hand can work relatively slowly, so that here the supply capacities do not interfere due to the external arrangement.
  • the additional capacitance 25 can in particular be 50 to 10,000 times larger (here it is, for example, 4.7 mF for storing the rotational nonuniformity energy) than that of the intermediate circuit memory 19.
  • flywheel memory 26 which here has its own inverter-controlled electrical machine 27 and a flywheel 28 coupled therewith.
  • the latter can be formed by a special flywheel or can be integrated in the rotor of the electrical machine 27.
  • the moment of inertia of the flywheel 28 is preferably 0.05 to 2 kgm 2 . It is also possible to store a multiple of the energy required to start the internal combustion engine 1 in the flywheel memory 26 and to take the required starting energy quickly (ie in less than one second) from it for starting.
  • no separate additional memory 24 is provided.
  • the intermediate circuit memory 19 is dimensioned and possibly arranged outside the inverter 17 in such a way that it can also take over the functions of the additional memory 24.
  • the intermediate circuit with its high voltage level (here 60 V or 350 V) supplies various high-power consumers, such as an air conditioning machine 29 and servo drives 30 with electrical energy. While such high-power consumers are conventionally driven by the internal combustion engine 1 by mechanical coupling, the high voltage level available here permits a purely electric drive which is more efficient in terms of efficiency.
  • a control device 31 specifies to the inverter 17 by appropriate activation of its semiconductor switches at all times which amplitude, frequency and phase the alternating voltage to be generated by it should have.
  • the control device 31, which can be formed, for example, by a correspondingly programmed microcomputer system, first determines the amount and the direction of the torque which the electrical machine 4 is to generate at a specific point in time. It can do this, for example, with the aid of a map control, in that it receives the angular position of the drive shaft 10, the instantaneous average speed and possibly other operating parameters, such as the throttle valve position, as input information from the rotary transformer 16, and the mo ⁇ mentally expected rotational nonuniformity as a function of these operating parameters.
  • Another possibility This consists in determining the rotational nonuniformity that is actually present, for example by calculating the instantaneous rotational speed on the basis of the information supplied by the rotary transformer 16 and / or by evaluating the gas pressures currently present in the internal combustion engine 1, which are obtained with the aid of gas pressure sensors ⁇ ren 32 are detectable, ⁇ as well as by detecting the current torque ⁇ de ⁇ combustion engine 1 using a (not shown) torque hub in the drive train.
  • a combination of regulation and control is also possible.
  • a corresponding (out-of-phase) value for the rapidly varying setpoint torque of the electrical machine 4 is derived from the value for the instantaneous rotational non-uniformity thus determined, to which a positive or negative additional torque of the desired magnitude is optionally superimposed.
  • the desired torque can be determined on the basis of stored values which specify the desired course over time of the speed or the torque of the electrical machine 4 during the starting process, possibly supplemented by a measurement of these variables and a feedback control , which ensures compliance with the requirements.
  • the control device 31 determines which amplitude, frequency and phase of the voltage or the current must be provided by the inverter 17 so that the electrical machine 4 brings about this desired total torque. In the electrical asynchronous machine, this determination is made on the basis of a field-oriented control, which is based on a model calculation of the electrical machine 4 and as input information essentially the measurable electrical stator sizes (amplitude, frequency and phase of current and voltage) and the instantaneous one medium rotor speed used.
  • control device 31 is shown as being arranged outside the inverter housing 21. To the To keep supply inductances low and to participate in the boiling bath cooling, however, in other embodiments (not shown) they are arranged inside the inverter housing 21.
  • the control device 31 shares various sensors serving to fulfill its control tasks or sensor information derived therefrom with an engine control unit 33 for controlling the internal combustion engine 1. around the rotary transformer 16 (angular position encoder), the gas pressure sensors 32, next to it (not shown) sensors for detecting the average speed, the load condition of the internal combustion engine 1 (e.g. via the throttle valve position) and its torque (e.g. using a torque hub).
  • an engine control unit 33 for controlling the internal combustion engine 1. around the rotary transformer 16 (angular position encoder), the gas pressure sensors 32, next to it (not shown) sensors for detecting the average speed, the load condition of the internal combustion engine 1 (e.g. via the throttle valve position) and its torque (e.g. using a torque hub).
  • control device 31 communicates with a large number of further control devices: an energy consumption control device (not shown) indicates how much energy is required to charge the vehicle battery 11, to supply the low-voltage consumers 23 and the high-voltage consumers 29, 30, so that the control device 31 can initiate a corresponding global torque adjustment ⁇ Me (see FIG. 1 c).
  • the motor control device 33 specifies to the control device 31 whether the electric machine 4 should act in addition to its vibration reduction function to accelerate or brake the vehicle, so that it can cause a corresponding global torque shift ⁇ Me and, if necessary, the rotational nonuniformity reduction function can temporarily switch off.
  • the ASR control unit pass its slip information to the engine control unit 33 in order to also cause a reduction in the internal combustion engine torque.
  • the engine control unit 33 can also carry out an automatic start-stop control and specify to the control device 31 whether the electric machine 4 should start the internal combustion engine 1.
  • Energy obtained with each type of brake is stored in the additional memory 24 in order to be reused for later driving the electrical machine 4 or to be fed to the vehicle battery 11.
  • the electrical machine 4 shown in more detail in FIG. 3 is brushless or grinder-free and therefore wear-free, it has an outside diameter of approximately 250 mm and a length in the axial direction of 55 mm and produces a continuous torque of approx 50 Nm and a peak torque of approx. 150 Nm. it can reach speeds which correspond to the peak speeds of conventional internal combustion engines (approx. 6000 to 10000 rpm) and is speed-resistant up to 14000 rpm.
  • the electrical machine 4 has an outer stand 8 which has grooves 35 in the direction of the drive shaft 10 (axial direction).
  • the stator 8 carries a three-phase winding 36, which is designed such that it forms twelve poles when it is acted upon by a three-phase current.
  • grooves 35 there are three grooves 35 per pole, for a total of thirty-six grooves 35. (In other (not shown) embodiments, at least six, preferably nine, slots are provided per pole in order to reduce scattering effects.)
  • the poles rotate in a circular motion in the stator 8 with the three-phase oscillation. At a certain point in time, their current position is illustrated by arrows which bear the reference symbols “S” (for south pole) and “N” (for north pole).
  • a back 37 which closes the grooves 35 to the outside is relatively thin in the radial direction, and its thickness (in the place of a groove 35) is preferably 3-25 mm.
  • the stand 8 is made of thin Stator sheets (the thickness here is 0.25 mm) made of a material with low magnetic losses (here less than 1 W / kg at 50 Hz and a Tesla), with sheet metal planes running perpendicular to the axial direction.
  • the internal rotor 9 is designed as a squirrel-cage rotor with cage bars running essentially in the axial direction, each of which is connected at the end face to a short-circuit ring 38.
  • the rotor 9 carries a corresponding number of poles as the stator 8 (here twelve poles), which can be formed by permanent magnets or appropriately excited coils.
  • the synchronous machine is also illustrated in FIG. 3, by schematically indicating the rotor poles (reference number 39) that are present in it.
  • the air gap 40 between the rotor 9 and the stator 8 is relatively large; its width is 0.25 to 2.5 mm, preferably 0.5 to 1.5 mm.
  • the rotor is on the outside and the stand is on the inside.
  • the intermediate circuit memory 19 can be seen in the form of a capacitance, to which the additional memory 24 (not shown here in greater detail) is connected in parallel.
  • the capacitance symbolizes a parallel connection of several capacitors.
  • the machine inverter 20 is formed by three parallel (but independently switchable) switch groups 42, each of the switch groups 42 being responsible for the generation of one of the three three-phase voltages.
  • Each of the switch groups 42 is a series connection of two (independently switchable) switches 43 between the positive and the negative pole of the intermediate circuit.
  • the Series connection is connected in the middle (ie between the switches 43) to one side of each of the three windings 36a, 36b, 36c of the three-phase winding 36; on the other side, the three windings 36a, 36b, 36c are connected to one another.
  • a free-wheeling diode 44 is connected in parallel with the switches 43. It is polarized in such a way that it normally blocks and, only when the opposite switch is opened, allows a brief current flow generated in the opposite direction due to self-induction.
  • Each switch 43 symbolizes a parallel connection of several (e.g. five) MOS field-effect transistors, which are controlled directly by the control device 31 to form a three-phase current of the desired amplitude, frequency and phase.
  • the DC voltage converter 18 comprises two subassemblies, namely one which can bring electrical energy from the low voltage level (12 V) to the high intermediate voltage level (60 V or 350 V), and another which - vice versa - can bring electrical energy from the high voltage level (60 V or 350 V) to the low voltage level (12 V).
  • the first-mentioned subassembly can be omitted.
  • the first sub-assembly is, for example, a step-up converter 45.
  • This is formed by a series circuit of an inductor 46 connected to the positive pole of the vehicle battery 11 and a switch 47 connected to its negative pole and the negative pole of the intermediate circuit, this series circuit is connected in the center via a step-up diode 48 (polarized in the forward direction) to the positive pole of the intermediate circuit.
  • switch 47 When switch 47 is closed, a circulating current flows from plus to minus Pol of the vehicle battery 11.
  • Step-up diode 48 flows and charges the intermediate circuit memory 19.
  • the switch 47 is a semiconductor switch which is controlled directly by the control device 31.
  • the second sub-assembly is e.g. a voltage coaster 49, which functions similarly to a switching power supply. It comprises two series circuits of switches 50 between the positive and negative poles of the intermediate circuit, each with parallel-connected freewheeling diodes 51. The ends of a primary winding of a high-frequency (HF) transformer 52 are each connected to the centers of these series circuits. The secondary winding of the HF transformer 52 feeds a rectification and smoothing unit 53, which in turn feeds the vehicle battery 11 and possibly low-voltage consumer 23.
  • the switches 50 symbolize semiconductor switches which are controlled directly by the control device 31.
  • a high-frequency alternating current can be generated, which induces a corresponding alternating voltage at a lower voltage level in the secondary winding of the HF transformer 52, which is rectified and smoothed by the unit 53.
  • the exact value of the resulting DC voltage can be set exactly with the aid of the switches 50 by varying the switching frequency.
  • FIG. 5 shows an individual electrical machine 4, which has the function of an electromagnetic clutch and / or synchronizing device, a transmission connected downstream. It has an internal and an external electromagnetic Active element, which are called rotor 9 and stator 8 'based on the designations customary in electrical machines.
  • the rotor 9 is non-rotatably connected to the output shaft 55 and the stator 8 'is non-rotatably connected to the drive shaft 10 (in other embodiments, not shown, this assignment is reversed).
  • the electrical machine 4 can thus be rotated as a whole in addition to the rotor rotation; the term "stand” is therefore only to be understood in a figurative sense in view of its rotatability.
  • a fixed electrical machine for example a rotating field machine - to restrict the current supply to the fixed active element (ie the stator) and to produce currents in the rotatable active element (ie in the rotor) without current supply only by induction
  • both active elements can be rotated, at least one of them (here the stator 8 ') is supplied with current via rotatable electrical connections (for example via wipers / slip ring contacts not shown here).
  • the output shaft 55 can be fixed against rotation with a mechanical clutch, here a brake 62 supported against the vehicle chassis or the transmission housing.
  • the embodiment shown does not have a lock-up clutch, but other (not shown) embodiments are equipped with a friction or non-positive lock-up clutch for the mechanical connection of the shafts 10, 55.
  • the machine 4 can be placed in or on the motor housing, transmission housing or anywhere else in the drive train 2.
  • the individual electrical machine 4 can perform various functions.
  • the shafts 10, 55 are synchronized by adjusting the torque-generating magnetic fields of the machine 4 in such a way that the shafts 10 and 15 have the same speed, that is, the clutch slip between the stator 8 ' and runner 9 disappears exactly.
  • this is achieved, for example, by regulating or controlling the magnetic slip of a rotating field of suitable frequency and amplitude that rotates counter to the drive torque direction.
  • a positive lock-up clutch (not shown here) eliminates the electromagnetic losses when the clutch slip disappears.
  • An active transmission synchronization serves to accelerate or brake the output shaft 55 during a gear change in such a way that the gearwheels to be brought into mesh have the same circumferential speeds.
  • this function can also be implemented without a coupling function.
  • the shaft acceleration or deceleration takes place in support against the drive shaft 10 rotating with the variable speed of the internal combustion engine 1. The contribution of this rotation is taken into account when determining and controlling the relative speed of the machine 4 required for the respective synchronization.
  • a reduction in rotational nonuniformities of the drive shaft 10 can take place when the vehicle is stationary in support against the rotor 9 which is then fixed against rotation with the aid of the brake 62.
  • rotational nonuniformities of the output shaft 55 can be reduced by rapidly varying the transmitted torque, specifically by reducing it (ie increasing the clutch slip) with positive rotational nonuniformity and increasing it (ie a reduction in the clutch slip) with a negative one.
  • Additional acceleration or braking is possible when the lock-up clutch is not engaged by generating corresponding torques - or in other words - smaller or larger clutch slip.
  • the electrical machine 4 can be included in an ASR control in this way be that if the drive wheel slip is too great, the clutch slip instantly increases and thus the torque applied to the drive wheels is reduced.
  • a generator function for power generation is achieved by continuously maintaining clutch slip.
  • the electric machine 4 can directly start the internal combustion engine 1 in support against the output shaft 55 defined by the brake 62.
  • it can serve as a wear-free flywheel starter using the electromagnetic clutch function.
  • the electrical machine 4 first accelerates the then free-running rotor 9 together with the output shaft 55 in support against the drive shaft 10 and the compression of the not yet running internal combustion engine 1 to a relatively high speed when the gear is not engaged and the brake 62 is released. e.g. to 2000 rpm.
  • the electrical machine 4 is reversed within a short time so that it produces a braking moment, ie a force connection between the rotor 9 and the stator 8 '.
  • the rotor 9 with the output shaft 55 and the stator 8 'with the drive shaft 10 are quickly brought to a common average speed (e.g. 800 rpm) and the internal combustion engine 1 is started.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten einer Welle (10), insbesondere der Triebwelle eines Verbrennungsmotors oder einer damit gekoppelten oder koppelbaren Welle, mit wenigstens einer elektrischen Maschine (4), die mit der Welle gekoppelt oder koppelbar ist, wobei die elektrische Maschine (4) so gesteuert ist, daß sie zur Verringerung der Drehungleichförmigkeiten ein schnell variierendes Drehmoment erzeugt, und sie diesem Drehmoment zur zusätzlichen Erzielung einer antreibenden Wirkung oder bremsenden oder generatorischen Wirkung ein positives bzw. negatives Drehmoment überlagert. Die Erfindung ist auch auf ein entsprechendes Verfahren zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten gerichtet.

Description

System zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmig- keiten einer Welle, insbesondere der Triebwelle eines Verbrennungsmotors, und Verfahren hierzu
Insbesondere bei Verbrennungsmotoren treten Ungleichförmig- keiten in der Drehung der Motor-Triebwelle auf, welche in erster Linie von den Gas- und Massenkräften des Verbren¬ nungsmotors herrühren. Derartige Drehungleichförmigkeiten können z.B. bei einem Fahrzeug den Fahrkomfort beeinträch¬ tigen und zum Verschleiß des Antriebssystems sowie anderer Teile des Fahrzeugs führen.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen, einen Verbrennungs¬ motor eines Kraftfahrzeugs mit einem System zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten auszustatten. Die Wirkung eines solchen Systems beruht darauf, daß eine elek- trische Maschine oder eine elektrische Bremse ein wechseln¬ des oder auch nur in einer Richtung pulsierendes Drehmoment erzeugt, welches den Drehungleichförmigkeiten entgegenge¬ richtet ist und diese dadurch mindert. Beispiele solcher Systeme offenbaren Patent Abstracts of Japan, Band 11, Nr. 28 (M-557) , 27. Januar 1987 & JP-A-61 200 333 (NISSAN I) , Patent Abstracts of Japan, Band 4, Nr. 29 (M-002) , 14. März 1980 & JP-A-55 005 454 (TOYOTA) , EP-B-0 427 568 (ISUZU), DE-A-32 30 607 (VW) , EP-B-0 175 952 (MAZDA) , Patent Ab¬ stracts of Japan, Band 7, Nr. 240 (M-251) , 25. Oktober 1983 & JP-A-58 126 434 (NISSAN II) , DE-A-41 00 937 (FICHTEL & SACHS) und EP-A-0 604 979 (NIPPONDENSO) .
Bei der oben genannten EP-B-0 175 952 (MAZDA) ist die elek¬ trische Maschine eine Stromwendermaschine mit zwei geson¬ derten Läuferwicklungen, von denen eine zum Betrieb der Maschine als Motor und die andere zum Betrieb als Generator dient. Indem die Maschine jeweils in kurzen Zeitfenstern abwechselnd als Motor und Generator betrieben wird, erzeugt sie alternierend positive und negative Drehmomente, die den Drehungleichförmigkeiten entgegengerichtet sind und sich im Mittel gegenseitig aufheben. In den Zeiträumen zwischen zwei Zeitfenstern ist die Maschine passiv und erzeugt kein Drehmoment. In der Veröffentlichung ist auch die Möglich¬ keit erwähnt, daß die elektrische Maschine den Verbren¬ nungsmotor beim Beschleunigen und Abbremsen des Kraftfahr¬ zeugs unterstützen kann. Dies geschieht durch Veränderungen der Relativdauer der Motor- und Generatorzeitfenster, also durch Veränderungen des Taktverhältnisses von Motor- und Generatorbetrieb bei konstanter Größe des jeweiligen Motor¬ bzw. Generatormoments. Soll beispielsweise die elektrische Maschine den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen unter- stützen, so werden die Zeitfenster für den Generatorbetrieb verkürzt und die für den Motorbetrieb verlängert. Die elek¬ trische Maschine erzeugt dann - gemittelt über eine Periode - ein positives Drehmoment. Zur Erzeugung eines im Mittel negativen Drehmoments werden entsprechend die Zeitfenster für den Motorbetrieb verkürzt und die für den Generatorbe¬ trieb verlängert. Auch bei der EP-A-0 604 979 (NIPPONDENSO) kann die Überlagerung einer Schwingungsdämpfungsfunktion und einer Generatorfunktion durch ein von Eins abweichsen- des Taktverhältnis (sog. duty cycle) von Motor- und Genera- torbetrieb bei ungeänderter Größe des jeweiligen Motor¬ bzw. Generatormoments erfolgen. Der folgende, fernliegende Stand der Technik betrifft nicht die aktive Schwingungsdämpfung: DE-A-33 35 923 (VW II) , EP- A-0 437 266 (MAGNET-MOTOR) , DE-A-32 43 513 (VW III) , DE-A- 33 38 548 (VW IV), DE-A-44 08 719 (VW V), W. Geißler, F. Unger-Weber: Modelling the Three Phase Propulsion System of a Modern Multisystem-Locomotive, in: EPE Firenze, 1991, S. 4-632 bis 4-637, und J. Langheim, J. Fetz: Electric Citybus with Two Induetion Motors - Power Electronics and Motor Control, in: ETEP, Vol. 2, No. 6, November/December 1992, S. 359 bis 365.
Mit den Systemen der beiden o.g. Veröffentlichungen ist es grundsätzlich möglich, die elektrische Maschine beim Ver¬ ringern von Drehungleichförmigkeiten auch ein im Mittel nicht verschwindendes, positives oder negatives Drehmoment erzeugen zu lassen.
Die Erfindung zielt darauf ab, derartige Systeme weiter¬ zuentwickeln.
Sie löst dieses Problem mit einem System zur aktiven Ver¬ ringerung von Drehungleichförmigkeiten einer Welle, ins¬ besondere der Triebwelle eines Verbrennungsmotors oder einer damit gekoppelten oder koppelbaren Welle, umfassend wenigstens eine elektrische Maschine, die mit der Welle gekoppelt oder koppelbar ist, wobei die elektrische Maschi¬ ne so gesteuert ist, daß sie
- zur Verringerung der Drehungleichförmigkeiten ein schnell variierendes Drehmoment erzeugt, und - dieses Drehmoment zur zusätzlichen Erzielung einer antreibenden Wirkung oder bremsenden oder generatori¬ schen Wirkung ein positives bzw. negatives Drehmoment überlagert (Anspruch 1) .
Bei den Drehungleichförmigkeiten kann es sich insbesondere um solche handeln, die bei einem Verbrennungsmotor, ins¬ besondere einem Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung, durch die auf die Triebwelle (d.h. insbesondere die Kur¬ belwelle) wirkenden Gas- und Massenkräfte der einzelnen Hubkolben auftreten. Beispielsweise treten bei einem Vier¬ zylinder-Viertaktmotor relativ große Drehungleichförmig- keiten in der zweiten Ordnung (d.h. dem zweifachen der Drehfrequenz des Motors) auf. Daneben gibt es Drehung¬ leichförmigkeiten bei höheren Ordnungen sowie stochastisch auftretende Ungleichförmigkeiten. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich z.B. um einen Zweitakt- oder Viertaktmotor mit gerader Zylinderzahl (z.B. 2, 4, 8, 10, 12 Zylinder usw.) oder ungerader Zylinderzahl (1, 3, 5, 7, 9, 11 usw. Zylin¬ der) handeln (der z.B. nach dem Otto- oder dem Dieselprin¬ zip arbeitet) . Grundsätzlich kann es sich auch um einen andersartigen Verbrennungsmotor, wie z.B. einen Hubkolben- motor mit äußerer Verbrennung (sog. Stirling-Motor) han¬ deln. Eine andere Möglichkeit ist ein Kreiskolbenmotor (z.B. ein Wankelmotor) , bei dem zumindest die Gaskräfte zu Drehungleichförmigkeiten führen können. Daneben kommen Tur¬ binen, insbesondere Gas- oder Dampfturbinen in Frage. Bei ihnen sind die Drehungleichförmigkeiten im allgemeinen zwar nur klein; für Anwendungen, bei denen es auf besonders guten Rundlauf ankommt, kann auch bei ihnen das erfindungs¬ gemäße System äußerst vorteilhaft sein.
Das erfindungsgemäße System ist aber nicht nur geeignet zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten, welche von einem Antriebsaggregat (z.B. eines Kraftfahrzeugs, Schienenfahrzeugs oder Schiffes) herrühren, wie es in den o.g. Beispielen der Fall ist. Es kann sich vielmehr auch um Drehungleichförmigkeiten handeln, die in einem Antriebs¬ strang - also zwischen dem Antriebsaggregat und dem Ab¬ triebspunkt entstehen, etwa durch Kardangelenke, räumliche Wellenschwingungen oder Getriebeverschleiß.
Ein Antriebssystem könnte auch mit mehreren erfindungsgemä¬ ßen Systemen zur aktiven Verringerung von Drehungleichför¬ migkeiten ausgerüstet sein, z.B. könnte bei einem Kraft- fahrzeug ein erstes System direkt auf die Kurbelwelle des Antriebsaggregats (Verbrennungsmotors) wirken, während ein zweites System abwärts der Kupplung, z.B. zwischen Kupplung und Getriebe zum Verringern von Drehungleichförmigkeiten des Triebstrangs dient.
Eine "elektrische Maschine" ist jede Art von Maschine für Rotationsbewegungen, die sowohl als elektrischer Motor wie auch als elektrische Bremse, ggf. als Generator betrieben werden kann.
Grundsätzlich kann die Kopplung der elektrischen Maschine mit der Welle mittelbar sein, z.B. über ein Getriebe. Vor¬ zugsweise handelt es sich jedoch um eine direkte Kopplung, bei der z.B. der Läufer der elektrischen Maschine - ähnlich einem Schwungrad - unmittelbar auf der Welle oder einer ggf. koppelbaren Verlängerung der Welle sitzt.
Unter einer "schnellen Variation" wird eine Variation im Frequenzbereich der zu verringernden Drehungleichförmigkei¬ ten verstanden, also z.B. bei der Drehungleichförmigkeit der 2. Ordnung und bei einer Drehzahl von 3000 min"1 eine Variation mit einer Frequenz von 100 Hz. Demgegenüber vari¬ iert das überlagerte Drehmoment - abgesehen von möglicher- weise steilen Flanken am Anfang oder Ende der Überlagerung - im allgemeinen langsam oder ist konstant.
Es wurde erkannt, daß bei dem oben genannten Stand der Technik die Erzeugung eines im Mittel nichtverschwindenden Zusatz-Drehmoments auf Kosten der Güte der Drehungleich- förmigkeits-Verringerung geht. Denn die durch Verlängerung bzw. Verkürzung der Zeitfenster erhaltenen verlängerten bzw. verkürzten Drehmomentabschnitte Stimmern i.a. in ihrer Form und Dauer nicht mit den scheinbar verlängerten bzw. verkürzten positiven bzw. negativen Drehungleichförmigkei¬ ten überein, die man erhält, wenn man - in Gedanken - die Drehungleichförmigkeits-Nullinie verschiebt. Die verlänger- te oder verkürzte Antriebs- bzw. Bremswirkung der elektri¬ schen Maschine ist also nicht mehr optimal dem zeitlichen Verlauf der Drehungleichförmigkeit angepaßt und daher nicht mehr optimal zu deren Verringerung geeignet. Dieser Effekt wird umso größer, je größer das nichtverschwindende Zusatz¬ drehmoment ist; im Grenzfall eines Dauerbetriebs als Motor¬ oder Generator würde die Drehungleichförmigkeits-Verringe- rungswirkung ganz verschwinden. Von diesem Grenzfall ist daher - will man wenigstens eine gewisse Verringerungswir- kung erhalten - in der Praxis ein großer Abstand einzuhal¬ ten. Somit steht - neben dem Nachteil einer nicht optimalen Verringerungswirkung - nur ein relativ kleiner Teil des mit der elektrischen Maschine erreichbaren Drehmoments zur Erzeugung eines nichtverschwindenden Zusatz-Drehmoments zur Verfügung. Mit anderen Worten, für die Erzeugung des Zu¬ satz-Drehmoments steht nur ein geringer "Hub" zur Verfü¬ gung.
Um zur Erfindung zu gelangen, wurde weiter erkannt, daß zur Erzielung einer optimalen Verringerungswirkung und eines großen möglichen Hubs die Drehungleichförmigkeits-Verrin- gerung und die Zusatz-Drehmomenterzeugung voneinander ent¬ koppelt sein müßten.
Die Lösung besteht - wie gesagt - darin, die elektrische Maschine so zu steuern, daß sie zusätzlich zu dem - dem schnell variierenden Drehmoment zur Drehungleichförmig- keits-Verringerung ein überlagertes Zusatz-Drehmoment in der gewünschten Richtung und Stärke erzeugt. Die Überlage- rung der beiden Momente ist additiv bezüglich der Amplitude der Momente. Anders als bei einer Steuerung über Taktver¬ hältnisänderungen (wie im Stand der Technik) vergrößert oder verkleinert die Überlagerung mit dem Zusatzdrehmoment das jeweilige maximale bzw. minimale Gesamtdrehmoment. Bei Taktverhältnissteuerung bleibt dieses hingegen ungeändert, ein Zusatzdrehmoment entsteht nur im zeitlichen Mittel aufgrund der unterschiedlich langen Zeitfenster. Durch die erfindungsgemäße Überlagerung der beiden Momente wird das schnell variierende Drehmoment in seiner Kurvenform als Funktion der Zeit praktisch nicht verändert, nur gegenüber der Nullinie verschoben. Ausnahmsweise verändert sich die Kurvebform des schnell variierenden Drehmoments nur dann, wenn der Verbrennungsmotor aufgrund der mit der Zuschaltung des Zusatz-Drehmoments einhergehenden Laständerung tätsäch¬ lich geänderte Drehungleichförmigkeiten zeigt. Eine der¬ artige Verlaufsveränderung ist also kein Artefakt aufgrund der Überlagerung, sondern ist durch eine tatsächliche Ver¬ änderung der zu verringernden Drehungleichförmigkeit ver¬ ursacht.
Das erfindungsgemäße hat damit System folgende Vorteile: - es erlaubt eine völlig unabhängige Einstellung von schnell variierendem Drehmoment und Zusatz-Drehmoment und ist damit steuerungstechnisch einfacher; es leistet eine optimale Drehungleichförmigkeits-Ver- ringerung, unabhängig davon ob und welches Zusatz- Drehmoment es erzeugt; ein großer Hub des Zusatz-Drehmoments ist erzielbar (und zwar i.a. das maximal erzielbare Maschinendreh¬ moment verringert um die Amplitude des schnell variie¬ renden Drehmoments) .
Grundsätzlich kann die die elektrische Maschine so gesteu¬ ert werden, daß sie entweder nur Drehungleichförmigkeiten zum Schnellen hin (sog. positive Drehungleichförmigkeiten) oder zum Langsamen hin (sog. negative Drehungleichförmig- keiten) entgegenwirkt. Besonders wirksam ist jedoch eine Betriebsweise, bei der sie sowohl negativen als auch posi¬ tiven Drehungleichförmigkeiten entgegenwirkt, also ein schnell alternierendes Drehmoment erzeugt (Anspruch 2) .
Falls das momentan gelieferte Zusatz-Drehmoment kleiner als die momentane Amplitude des schnell alternierenden Drehmo ments ist, zeigt das Gesamt-Drehmoment der elektrischen Maschine - wenn auch gegenüber der Nullinie verschoben - abwechselnd positive und negative Werte. Im allgemeinen ergibt sich durch die Verschiebung des alternierenden Dreh¬ moments gegenüber der Nullinie auch eine Veränderung der relativen Zeiten, in denen die elektrische Maschine antrei¬ bend und bremsend wirkt. Anders als im Stand der Technik bewirkt diese Verschiebung aber auch eine Änderung der Beträge der antreibenden und bremsenden Momente. Falls das Zusatz-Drehmoment größer als die Amplitude des alternieren- den Drehmoments iεt, ist das Gesamt-Drehmoment entweder nur positiv oder negativ, wobei dessen Betrag einen schnell variierenden Anteil enthält (Anspruch 3) . Ein solcher Be¬ triebszustand ist mit herkömmlicher Taktverhältnissteuerung nicht erzielbar.
Ein negatives Zusatz-Drehmoment kann dazu dienen, daß die elektrische Maschine während der Drehungleichförmigkeits- Verringerung als Generator zur Stromversorgung fungiert und/oder dazu dient, eine Bremsung eines Fahrzeugs herbei- zuführen oder zu unterstützen und/oder etwa im Rahmen einer Anti-Schlupf-Regelung durch Bremsen den Schlupf eines An¬ triebsrads zu verringern (Anspruch 4) . Ein bremsendes Zu¬ satz-Drehmoment kann auch dazu dienen, daß die elektrische Maschine bei elektromagnetischer Kupplungsfunktion den Kupplungsschlupf veringert und/oder eine bremsende Synchro¬ nisierfunktion ausübt. Der Antriebsrad-Schlupf kann statt durch Bremsen auch durch Vergrößern des Kupplungs-Schlupfes verringert werden. Die bei Anwenden dieser Bremsfunktionen generatorisch gewonnene Bremsenergie (Zusatzdrehmoment- Bremsenergie) kann - wie die von Drehungleichförmigkeiten herrührende - gespeichert werden (z.B. in einem elektri¬ schen Speicher oder in einem Schwungradspeicher) und als Antriebsenergie wiederverwendet oder in ein Netz oder z.B. die Fahrzeugbatterie eingespeist werden. Um bei der Fahr- zeugbremsung mit Hilfe der elektrischen Maschine einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Bremsenergie-Rückgewinnung zu erzielen, trennt man beim Bremsen vorteilhaft die elek- trische Maschine vom Verbrennungsmotor mit Hilfe einer dazwischengeschalteten, z.B. mechanischen Kupplung.
Ein positives Zusatz-Drehmoment kann eine bremsende Syn¬ chronisierfunktion ausüben oder eine Beschleunigung des Fahrzeugs unterstützen (die elektrische Maschine wirkt dann als "Booster") oder herbeiführen, beispielsweise um Be¬ schleunigungslöcher, etwa bei einem Turbolader-Motor, zu füllen (Anspruch 5) .
Vorteilhaft ist die elektrische Maschine eine Dreh- oder Wanderfeldmaschine (Anspruch 6) . Unter "Drehfeldmaschine" wird - im Gegensatz zu einer Stromwendermaschine - eine Maschine verstanden, in der ein magnetisches Drehfeld auf- tritt. Hierbei kann es sich z.B. um eine Asynchron- oder Synchronmaschine, insbesondere für Dreiphasenstrom, oder um eine Maschine mit elektronischer Kommutierung handeln. Bei einer Drehfeldmaschine überstreicht das magnetische Feld einen vollen 360°-Grad-Umlauf, bei einer Wanderfeldmaschine hingegen nur einen oder mehrere Ausschnitte (Sektoren) hiervon. Bei der Wanderfeldmaschine kann es sich also z.B. um eine Asynchron- oder Synchronmaschine handeln, deren Ständer sich nur über einen oder mehrere Sektoren des Läu¬ fers erstreckt - ähnlich einem bzw. mehreren gekrümmten Linearmotor(en) .
Das Antriebssystem weist vorzugsweise wenigstens einen Wechselrichter zum Erzeugen der für die magnetischen Felder der elektrischen Maschine benötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase auf, sowie wenigstens eine Steuereinrichtung, die den Wechsel¬ richter und damit die elektrische Maschine so steuert, daß diese das schnell variierende Drehmoment, bedarfsweise mit überlagertem positiven oder negativen Zusatz-Drehmoment erzeugt (Anspruch 7) . Der Wechselrichter kann die für die magnetischen Felder (insb. Dreh- bzw. Wanderfelder) benö¬ tigten Spannungen und/oder Ströme mit (innerhalb gewisser Grenzen) frei wählbarer Frequenz, Amplitude oder Phase oder beliebiger Kombinationen dieser Größen erzeugen. Er kann dies vorteilhaft mit Hilfe elektronischer Schalter aus einer vorgegebenen Gleich- oder Wechselspannung oder einem vorgegebenen Gleich- oder Wechselstrom tun (sog. Pulswech¬ selrichter) . Besonders vorteilhaft sind alle drei Größen - Frequenz, Amplitude und Phase - frei wählbar. Ein Wechsel¬ richterantrieb hat u.a. den Vorteil, mit hoher Variabilität bei unterschiedlichsten Betriebszustanden und verschieden- artigsten Drehungleichförmigkeiten diese effektiv verrin¬ gern und in vielen Fällen praktisch vollständig unterdrük- ken zu können und einfach die Überlagerung des Zusatz-Dreh¬ moments mit gewünschter Stärke herbeiführen zu können.
Um einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad des Antriebs¬ systems zu erzielen, wird vorteilhaft die beim Verringern einer positiven Drehungleichförmigkeit gewonnene Energie (Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie) wenigstens teilweise gespeichert und die gespeicherte Bremsenergie wenigstens teilweise zum Verringern einer negativen Drehungleichför¬ migkeit wiederverwendet (Anspruch 8) .
Die Speicherung der Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie sowie ggf. der Zusatzdrehmoment-Bremsenergie kann insbe- sondere durch einen elektrischen Speicher und/oder einen mechanischen Speicher (Schwungradspeicher) erfolgen: Als elektrischer Speicher kann beispielsweise eine Kapazität, Induktivität oder eine (schnelle) Batterie dienen. Vorteil¬ haft ist der Wechselrichter (falls vorhanden) ein Zwischen- kreis-Wechselrichter, dessen Zwischenkreis wenigstens einen elektrischen Speicher für Bremsenergie aufweist oder mit wenigstens einem solchen gekoppelt ist. Der Speicher kann entweder ausschließlich der Speicherung von Bremsenergie dienen (in diesem Fall wäre er z.B. zusätzlich zu einem üblicherweise vorhandenen Zwischenkreis-Speicher geschal¬ tet, welcher die beim Wechselrichter-Taktbetrieb erforder¬ lichen Spannungs- bzw. Stromimpulse liefern kann) , oder er kann nur teilweise der Speicherung der Bremsenergie dienen, also noch andere Energie - z.B. die zum Taktbetrieb nötige - speichern (im letzteren Fall könnte er z.B. mit dem übli¬ chen Zwischenkreis-Speicher zusammenfallen) . Im übrigen kann die Ausbildung des Stromrichters als Zwischenkreis- Stromrichter in jedem Fall - z.B. auch ohne Zwischenspei- cherung von Bremsenergie - vorteilhaft sein.
Unter einem "Zwischenkreis" versteht man einen Kreis, wel- eher im wesentlichen Gleichspannung bzw. -ström liefern kann, aus der ein nachgeschalteter Wechselrichter-Teil (der sog. Maschinen-Wechselrichter) durch Pulsen oder Takten variable Wechselspannungen bzw. -ströme bilden kann. Diese Gleichspannung bzw. dieser Gleichstrom muß Spannungs- bzw. Stromimpulse mit extremer Flankensteilheit und auf hohem Spannungs- bzw. Stromniveau bereitstellen. Im allgemeinen umfaßt ein Zwischenkreis-Wechselrichter drei Baugruppen, und zwar eine Eingangsbaugruppe zur Versorgung mit bzw. Abfuhr von elektrischer Energie, eine Ausgangsbaugruppe in Form des Maschinen-Wechselrichters und den dazwischenlie¬ genden Zwischenkreis.
Bei einem Schwungradspeicher kann vorzugsweise das Schwung¬ rad elektrisch über eine (zweite) elektrische Maschine mit dem System gekoppelt sein. Hierbei kann es sich z.B. um eine von einem eigenen Stromrichter gesteuerte Drehfeld¬ oder Stromwendermaschine handeln. Die elektrische Maschine zur Drehungleichförmigkeits-Verringerung und die Schwung¬ rad-Maschine arbeiten im Gegentakt: Wenn erstere bremsend wirkt, beschleunigt zweitere das Schwungrad bzw. wenn er¬ stere antreibend oder weniger bremsend wirkt, bremst zwei¬ tere das Schwungrad. Mit einem solchen Schwungrad-Energie¬ speicher können relativ hohe Energiedichten gespeichert werden.
Die (erste) elektrische Maschine kann neben der aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten gleichzeitig oder zeitlich versetzt auch andere Funktionen ausführen und so herkömmlicherweise auf diese Funktionen spezialisierte Ma¬ schinen ersetzen. Insbesondere kann sie außerdem die Funk¬ tion eines Starters für den mit der Welle gekoppelten Ver- brennungsmotor haben (Anspruch 9) . Daneben kann sie - wie bereits erwähnt - die Funktion eines Generators zur Strom¬ versorgung, z.B. zur Ladung einer Batterie oder Speisung eines Bordnetzes, haben. Während des Startvorgangs ist i.a. keine Drehungleichförmigkeits-Verringerung erforderlich; hierzu wird die elektrische Maschine vorübergehend als reiner Elektromotor betrieben. Sie arbeitet vorzugsweise als Direktstarter, d.h. sie ist getriebelos mit der Trieb¬ welle des Verbrennungsmotors gekoppelt oder koppelbar und ist so ausgebildet, daß sie den Verbrennungsmotor im Zu- sammenlauf aus dem Stand starten kann (dies wird im folgen¬ den auch "direktstarten" genannt) . Vorteilhaft sitzt der Läufer der elektrischen Maschine auf der Triebwelle oder einer (ggf. von ihr entkuppelbaren) Verlängerung. Er ist vorzugsweise drehfest mit der Triebwelle gekoppelt oder koppelbar. Die Drehzahl des Läufers gleicht vorzugsweise der Drehzahl des Verbrennungsmotors. Die Generatorfunktion ist hingegen i.a. auch während der Drehungleichförmigkeits- Verringerung erwünscht. Durch Überlagerung des schnell variierenden Moments mit einem gleichförmig bremsendes Moment erreicht man im zeitlichen Mittel einen Gewinn elek¬ trischer Energie.
Zur Versorgung von Hochleistungsverbrauchern, wie Hilfs¬ maschinen (Klimamaschinen, Servoantriebe, Pumpen) und Hei- zungen ist es vorteilhaft, daß die elektrische Maschine Strom auf relativ hohem Spannungsniveau, vorzugsweise im oberen Bereich der Niederspannung, wo gerade noch nicht für besonderen Berührungsschutz gesorgt werden muß (z.B. etwa 60 V Gleichspannung) liefert. Geht man darüber hinaus, wird vorzugsweise ein Bereich von 250 - 450 Volt gewählt. Vor¬ teilhaft werden die Hochleistungsverbraucher elektrisch (statt wie bisher mechanisch bzw. durch Abwärme) auf diesen hohen Spannungsniveaus angetrieben (bzw. beheizt) (Anspruch 10) . Derart hohe Spannungsniveaus können insbesondere bei einem Zwischenkreis-Wechselrichter im Zwischenkreis bereits vorliegen, und braucht so nicht besonders für diesen Zu- satzzweck erzeugt werden. Für Niederleistungsverbraucher kann ein kerkömmliches Niederspannungsbordnetz (12 V oder 24 V) vorgesehen sein.
Die aktive Verringerung von Drehungleichförmigkeiten beruht - wie gesagt - darauf, daß die elektrische Maschine positi¬ ven und negativen Drehungleichförmigkeiten entgegenwirkt, also z.B. bei positiven Drehungleichförmigkeiten bremsend und bei negativen antreibend wirkt. Hierfür benötigt die Steuereinrichtung Information über den Zeitpunkt und ggf. den Betrag einer positiven bzw. negativen Drehungleichför¬ migkeit.
Eine Möglichkeit, diese Information zu erhalten, liegt in einer Messung der momentanen Drehungleichförmigkeit oder einer anderen, mit ihr gekoppelten Größe. Beruht der Be¬ trieb der elektrischen Maschine auf dieser Information, so handelt es sich um eine (rückgekoppelte) Regelung, da das tatsächliche Vorliegen einer Drehungleichförmigkeit zu einer unmittelbaren Rückwirkung auf diese Drehungleichför- migkeit führt.
Als andere Möglichkeit verwendet man als Information für den Betrieb der elektrischen Maschine nicht die tatsächli¬ che, sondern eine erwartete Drehungleichförmigkeit. Es handelt sich hierbei also um eine (nicht-rückgekoppelte) Steuerung. Beispielsweise kann man bei einem Verbrennungs¬ motor Betrag und Vorzeichen der momentanen Drehungleich¬ förmigkeit als Funktion des (Kurbel) -Wellenwinkels und eines oder weiterer Betriebsparameter (z.B. Drehzahl und Drosselklappenstellung) einmal an einem Prototyp bestimmen bzw. per Rechner simulieren und mit dieser Information, gespeichert in Form eines Kennfeldes, jeden Serien-Verbren- nungsmotor ausrüsten. Im Betrieb mißt das System dann den momentan vorliegenden Kurbelwellenwinkel und die weiteren Betriebsparameter (z.B. Drehzahl und Drosselklappenstel- lung) , liest die dazugehörigen gespeicherten Kennfeldwerte für Betrag und Amplitude der erwarteten Drehungleichför¬ migkeit, und steuert über die Steuereinrichtung die elek¬ trische Maschine entsprechend, um der Drehungleichförmig¬ keit entgegenzuwirken.
Möglich ist außerdem eine adaptive Steuerung, d.h. eine (nicht-rückgekoppelte) Steuerung, bei der die Steuerinfo- mation jedoch nicht feststehend ist, sondern durch Messung zeitlich vorausgehender Drehungleichförmigkeiten definiert oder zumindest modifiziert wird.
Möglich sind ferner Mischformen der genannten Arten, z.B. können die in einem Kennfeld gespeicherten Erwartungswerte bezüglich einer erwarteten Größe adaptiv sein (z.B. bezüg¬ lich der Amplitude) , während sie bezüglich einer anderen erwarteten Größe (z.B. Wellenwinkel) feststehend sein könn¬ ten. Eine sehr vorteilhafte Kombination ist auch eine Rege¬ lung mit Vorsteuerung, bei der z.B. in jedem Regelintervall die Regelung zunächst entsprechend einem erwarteten Dre- hungleichförmigkeitswert aus einem Kennfeld voreingestellt wird (VorSteuerung) und anschließend die i.a. kleineren Abweichungen des tatsächlichen Werts zum voreingestellten Wert nachgeregelt werden (Regelung) . Diese Steuerart lie¬ fert bei relativ geringem Aufwand ein sehr schnelles und genaues Regelverhalten. Es kann auch vorteilhaft sein, bei niedrigen Drehzahlen (z.B. im Leerlauf) mit (rückgekoppel¬ ter) Regelung zu arbeiten, dagegen bei höheren Drehzahlen zu (nicht-rückgekoppelter) Steuerung überzugehen.
Bei Regelung, adaptiver Steuerung und entsprechenden Misch- formen muß die Meßgröße nicht unmittelbar die Drehungleich¬ förmigkeit (ggf. abgeleitet aus einer Messung der Winkella¬ ge oder -geschwindigkeit als Funktion der Zeit) sein. Es kann sich vielmehr auch um eine (oder mehrere) andere Grö- ße(n) handeln, die einen Schluß auf zumindest einen Teil der auftretenden Drehungleichförmigkeiten erlaubt (erlau¬ ben) . Bei einem Verbrennungsmotor kann diese Größe vorteil- haft der Gasdruck in einem oder mehreren Motorzylindern sein. Der Gasdruck ist nämlich eine wesentliche, veränder¬ liche Quelle der Drehungleichförmigkeiten. Außerdem zu berücksichtigen ist eine andere wesentliche, praktisch unveränderliche Quelle - die Massenkräfte. Ihr Beitrag kann in einem Kennfeld fest gespeichert sein. Alternativ (oder ergänzend) kann das momentane Drehmoment des Verbrennungs¬ motors, z.B. mit Hilfe einer Drehmomentnabe gemessen wer¬ den. Die Verwendung des Gasdruckes und/oder des momentanen Drehmoments als Meßgröße erlaubt somit eine relativ ein- fache und schnelle Regelung, adaptive Steuerung oder ent¬ sprechende Mischform (Anspruch 14) .
Die elektrische Dreh- bzw. Wanderfeldmaschine des An¬ triebssystems ist vorzugsweise eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine, insbesondere für Drei-Phasen-Strom. Eine Asynchronmaschine hat i.a. einen relativ einfach aufgebauten Läufer (i. a. einen Läu¬ fer mit Kurzschlußwicklungen oder Wicklungen, deren Enden an Schleifringe geführt sind) . Hingegen haben Synchronma- schinen Läufer mit ausgeprägten magnetischen Polen, z.B. Permanentmagnete oder Elektromagnete, die z.B. mit Strom gespeist werden. Reluktanzmaschinen gehören im weiteren Sinn zu den Synchronmaschinen. Insbesondere bei der Asyn¬ chronmaschine erfolgt die Steuerung der elektrischen Ma- schine vorzugsweise auf der Grundlage einer feldorientier¬ ten Regelung (sog. Vektorregelung) . Hierbei wird, ausgehend von direkt meßbaren momentanen Größen, wie angelegte Span¬ nung, Ständerstrom und ggf. Drehzahl, anhand eines rech¬ nerischen dynamischen Maschinenmodells der Ständerstrom in eine drehmomentbildende Komponente, die mit dem Läuferfluß das Drehmoment erzeugt, und eine senkrecht dazu verlaufen- de, den Maschinenfluß erzeugende Komponente rechnerisch zerlegt und so das Drehmoment ermittelt.
Bei dem System zur aktiven Verringerung von Drehungleich- förmigkeiten handelt es sich i. a. um ein Hilfssystem, das z.B. im Triebstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbren¬ nungsmotor als Hauptsystem angeordnet ist. Wegen seines Hilfs-Charakters sollte es relativ zum Hauptsystem wenig Raum beanspruchen, sollte also möglichst kompakt aufgebaut sein. Die im folgenden genannten vorteilhaften Maßnahmen dienen - neben anderen vorteilhaften Zwecken - einem solch kompakten Aufbau.
Eine Maßnahme zur Erzielung hoher Kompaktheit liegt darin, daß die elektrische Maschine eine feine Polteilung, ins¬ besondere wenigstens einen Pol pro 45°-Ständerwinkel auf¬ weist. Bei einer kreisförmig geschlossenen (360°-)Maschine entspricht dies einer Gesamtzahl von wenigstens acht Polen. Besonders vorteilhaft sind noch feinere Polteilungen, ent- sprechend z.B. 10, 12, 14, 16 oder mehr Polen bei der kreisförmig geschlossenen Maschine. Eine feine Polteilung erlaubt es nämlich, die Wickelköpfe des Ständers klein auszubilden, und zwar sowohl in Axial- wie auch in Um¬ fangsrichtung der Maschine, so daß die Maschine in Axial- richtung insgesamt kürzer ausgebildet sein kann. Auch kann bei feinerer Polteilung der Ständerrücken für den magneti¬ schen Rückfluß dünner (und damit auch leichter) ausgebildet sein, mit der Folge, daß bei gleichem Außendurchmesser der Maschine der Läufer einen größeren Durchmesser haben kann. Größerer Läuferdurchmesser führt wegen des in Umfangsrich¬ tung längeren Luftspaltes und des größeren wirksamen Hebel¬ arms zu einem größeren Drehmoment. Insgesamt führt somit eine feinere Polteilung zu einer kompakteren und leichteren Maschine. Daneben sind wegen der geringeren Wickeldrahtlän- ge - kleinere Wickelköpfe benötigen weniger nicht-aktiven Wicklungsdraht - die ohmschen Verluste geringer. Da ferner das Streufeld (das den Blindleistungsanteil wesentlich bestimmt) von der Wickelkopffläche abhängt, ist es bei feiner Polteilung relativ gering. Ein geringes Streufeld ist insbesondere bei der Drehungleichförmigkeits-Verringe- rung vorteilhaft, da hier - anders als bei einer üblichen elektrischen Maschine - dauernd zwischen Motor- und Genera¬ torbetrieb hin- und hergewechselt wird und bei dem damit einhergehenden Umpolen laufend Blindleistung aufgebracht werden muß.
Bei schnell laufenden Drehfeld-Maschinen sind feine Pol¬ teilungen unüblich, da sie eine relativ hohe Polwechsel¬ frequenz bedingen. Ein üblicher Wert für die Polwechsel¬ frequenz beträgt beispielsweise 120 Hz. Die im Rahmen der Erfindung verwendete elektrische Maschine hat hingegen vorteilhaft eine hohe maximale Polwechselfrequenz, vor¬ zugsweise zwischen 300 und 1600 Hz und mehr, besonders vorzugsweise zwischen 400 Hz und 1500 Hz.
Um den Einfluß von Wirbelströmen im Ständer - die mit stei- gender Polwechselfrequenz zunehmen - zu verringern, weist der Ständer vorteilhaft dünne Ständerbleche, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,35 mm oder weniger, besonders vor¬ zugsweise 0,25 mm oder weniger auf. Als weitere Maßnahme zur Verringerung der Verluste sind die Ständerbleche vor- zugsweise aus einem Material mit niedrigen Ummagnetisie- rungsverlusten, insbesondere kleiner als 1 Watt/kg bei 50 Hz und 1 Tesla, gefertigt.
Als weitere Maßnahme, die zu einer kompakten Ausbildung beiträgt, weist die elektrische Maschine vorteilhaft eine innere Fluidkühlung auf. Bei dem Fluid kann es sich vor¬ teilhaft um Öl handeln. Eine sehr effektive Kühltechnik besteht darin, die Maschine im Inneren ganz unter Öl zu setzen. Ein Nachteil hiervor ist jedoch, daß oberhalb ca. 500 U/min Turbulenzverluste auftreten, die oberhalb ca. 2000 U/min merkliche Ausmaße annehmen können. Um dem zu begegnen, erfolgt die Zufuhr des Kühlfluids vorteilhaft verlustleistungs- und/oder drehzahlabhängig, wobei es sich bei der Fluidkühlung vorzugsweise um eine Sprühfluidkühlung handelt. In der Maschine befindet sich dann immer nur im wesentlichen soviel Kühlfluid, wie momentan zur Abfuhr der Verlustleistung benötigt wird.
Quantitativ läßt sich die Kompaktheit durch die Größe "Drehmomentdichte" ausdrücken. Vorzugsweise weist die elek¬ trische Maschine eine hohe Drehmomentdichte - bezogen auf das maximale Drehmoment - auf, die besonders vorzugsweise größer als 0,01 Nm/cm3 ist (Anspruch 11) .
An einer Welle mit Drehungleichförmigkeiten oft auch Radi¬ alschwingungen auftreten, insbesondere bei Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren. Um robust gegenüber Radialschwingungen zu sein, ist das System vorzugsweise so ausgebildet, daß die elektrische Maschine stark im Bereich magnetischer Sättigung arbeitet. Ein Maß für die magnetische Sättigung ist der Strombelag (bei maximalem Drehmoment) im Ständer pro cm Luftspaltlänge in Umfangsrichtung. Vorzugsweise beträgt dieses Maß wenigstens 400 - 1000 A/cm, besonders vorzugsweise wenigstens 500 A/cm. Das Arbeiten stark im Sättigungsbereich erlaubt es, die Maschine mit einem rela¬ tiv weiten Luftspalt auszubilden. Änderungen des Luftspal- tes - wie sie bei Radialschwingungen auftreten - wirken sich wegen des Betriebs im Sättigungsbereich kaum aus.
Eine derart kompakt aufgebaute elektrische Maschine hat im allgemeinen eine relativ geringe Induktivität. Um hier dennoch beispielsweise mit Hilfe einer getakteten Spannung einen möglichst genau sinusförmigen Strom zum Erzeugen der elektrischen Dreh- bzw. Wanderfelder zu erzielen, arbeitet der Wechselrichter vorteilhaft zumindest zeitweise mit einer hohen Taktfrequenz, insbesondere 10 kHz bis 100 kHz und höher. Diese Maßnahme ist auch vorteilhaft zur Erzie¬ lung einer hohen zeitlichen Auflösung des Systems: Bei¬ spielsweise kann man mit einer Taktfrequenz von 20 kHz eine zeitliche Auflösung im Drehmomentverhalten der elektrischen Maschine von 2 kHz erzielen, mit der man eine Drehun¬ gleichförmigkeit bei 200 Hz wirksam verringern kann (200 Hz entsprechen zum Beispiel der vierten Ordnung bei 3000 U/min) . Eine hohe Taktfrequenz trägt auch zu einer kompak¬ ten Bauweise des Wechselrichters selbst bei, denn sie er¬ laubt kleinere Zwischenkreiskondensatoren, die mit kurzen Leitungswegen unmittelbar neben den elektronischen Schal¬ tern angeordnet werden können. Ferner können EMV-Filter (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) des Wechselrich¬ ters kleiner ausgeführt sein.
Als weitere vorteilhafte Maßnahme zur Erzielung einer kom¬ pakten Bauweise des Wechselrichters sind elektronische Schalter des Wechselrichters fluidgekühlt, vorzugsweise siedebadgekühlt. Als Siedebad-Kühlmittel kann beispiels¬ weise ein Fluorkohlenwasserstoff verwendet werden. Bei der Siedebadkühlung verdampft das Kühlmittel an Wärmepunkten und entzieht ihnen dadurch seine relativ hohe Verdampfungs- wärme. Der Dampf steigt auf und kann z.B. in einem externen Kühler kondensieren und dabei seine Verdampfungswärme abge¬ ben. Diese Kühltechnik erlaubt kompakteste Anordnung der elektronischen Schalter des Wechselrichters ohne jegliche Kühlkörper. Daneben hat sie den Vorteil, daß zur Erreichung auch hoher Kühlleistung relativ geringe Temperaturdifferen¬ zen ausreichen, und zwar z.B. eine Differenz von 2-10° C gegenüber 40° C bei Luftkühlung. Eine weitere kühltechnisch vorteilhafte Maßnahme besteht darin, mehrere elektronische Schalter des Wechselrichters, insbesondere 2 bis 20 und mehr, parallel zu schalten. Die Parallelschaltung führt zu einer verteilten Anordnung der Wärmequellen und damit einer relativ geringen Verlustleistungsdichte.
Der Wechselrichter umfaßt vorteilhaft als Schalter Halblei- terschalter, vorzugsweise schnelle Halbleiterschalter, wie Feldeffekttransistoren - besonders vorzugsweise Metall¬ oxidhalbleiter(MOS) -Feldeffekttransistoren, bipolare Tran- sistoren und/oder bipolare Transistoren mit isoliertem Gateanschluß (IGBTs) . Unter "schnellen" Halbleiterschaltern werden insbesondere solche verstanden, die maximale Takt¬ frequenzen von 10 bis 100 kHz oder mehr erlauben.
Der Wechselrichter erzeugt die für die magnetischen Felder der elektrischen Maschine benötigten Spannungen und/oder Ströme vorzugsweise durch Pulse, insbesondere auf der Grundlage von Pulsweiten- oder Pulsamplitudenmodulation. Bei konstanter Zwischenkreisspannung lassen sich durch sinusbewertete Pulsweitenmodulation bei hohen Taktfrequen¬ zen aufgrund der Maschineninduktivität nahezu sinusförmige Ströme beliebig einstellbarer Frequenz, Amplitude und/oder Phase erzeugen. Bei der Pulsamplitudenmodulation geht man beispielsweise aus von einem Wechselrichter mit variabler Zwischenkreisspannung und erzeugt so Pulse verschiedener Amplituden.
Um bei dem System zu jedem Zeitpunkt die momentane Winkel- läge der Welle zu kennen, ist die elektrische Maschine oder die Welle vorteilhaft mit einem Läuferlage- bzw. Wellenla¬ ge-Geber ausgerüstet. Aus der Information über die momen¬ tane Winkellage kann auf die momentane Winkelgeschwindig¬ keit und -beschleunigung und damit auf momentane Drehun- gleichförmigkeiten geschlossen werden. Auf dieser Informa¬ tion kann - wie oben ausgeführt wurde - bei einem geregel¬ ten System die Drehungleichförmigkeits-Verringerung basie¬ ren. Bei einem gesteuerten System wird die Information über die momentane Winkellage und ggf. die momentane mittlere Drehzahl gebraucht, um den richtigen Erwartungswert aus dem Kennfeld auszulesen. Zur Gewinnung einer möglichst genauen Winkellage-Information kann insbesondere ein Drehtransfor¬ mator (ein sog. Resolver) dienen, also ein Transformator mit winkelabhängigem Übertragungsverhältnis. Auch hochauf- lösende Kodierer sind für diesen Zweck einsetzbar, z.B. eine Kombination aus einem hochauflösenden Inkrementalgeber und einem einfachen Absolutgeber. Herkömmlicherweise verwendet man in Antriebssystemen von Kraftfahrzeugen reibschlüssige Kupplungen, welche ein An¬ fahren des Kraftfahrzeugs mit Drehmomentwandlung ("schlei¬ fende Kupplung") in der Anfahrphase ermöglichen. Ihre wei- tere Aufgabe besteht darin, einen Gangwechsel durch Trennen des Antriebsaggregats von einem Schaltgetriebe und an¬ schließendes Wiederverbinden mit einer durch Reibung be¬ wirkten Drehzahlanpassung von Antriebsaggregat und Getriebe zu erlauben. Bekannt sind ferner hydrodynamische Kupplun- gen, zum Teil mit Wandlerfunktion.
Anstelle oder ergänzend zu solchen Kupplungen kann vorteil¬ haft die elektrische Maschine so gestaltet sein, daß sie als elektromagnetische Kupplung im Antriebsstrang und/oder als aktive Getriebe-Synchronisiereinrichtung oder als Teil hiervon wirkt (Anspruch 12) . Hierzu kann man beispielsweise die vom Verbrennungsmotor kommende Antriebswelle mit dem Läufer und die zum Getriebe führende Abtriebswelle mit dem Ständer, der hier drehbar gelagert ist, koppeln (oder mit umgekehrten Zuordnungen von Läufer und "Ständer") . Bei einer "elektromagnetischen Kupplung" erfolgt die Mo¬ mentübertragung über die Kupplung hinweg durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Kräfte. Es ist möglich, daß diese Art der Kraftübertragung nur zeitweise vorliegt. Zum Beispiel kann nach Erreichen gleicher Drehzahl der zu kuppelnden Wellen die Kraftübertragung von einer mechani¬ schen Kupplung übernommen werden. Die Maschine entspricht z.B. einer normalen Maschine mit Läufer und Ständer, welche zusätzlich zur Läuferrotation als Ganzes drehbar ist. Die als Ganzes drehbare Maschine kann zwischen Läufer und "Ständer" positive und negative Relativdrehmomente erzeu¬ gen. Auf diese Weise kann der Kupplungsschlupf wie bei einer herkömmlichen Kupplung ein- und ausgeschaltet werden sowie eine aktive Beschleunigung oder Bremsung der zum Getriebe führenden Welle zwecks Getriebesynchronisation erzielt werden. Die als Kupplung wirkende elektrische Ma¬ schine kann auch zur Schwingungsdämpfung verwendet werden, und zwar: 1) bei gegen Drehung festgelegter Abtriebswelle zur Dämpfung auf der Antriebszeit, und 2) sonst durch Ein¬ stellung eines mit der Drehungleichförmigkeit variierenden Kupplungsschlupfes zur Schwingungsisolierung der Abtriebs- von der Antriebsseite.
Die elektromagnetische Kupplungsfunktion kann auch vorteil¬ haft für eine modifizierte Form des Startens eingesetzt werden. Denn zum Direkt-Starten des Antriebsaggregats müs- sen relativ große Drehmomente aufgebracht werden. Als Al¬ ternative für den Fall kleinerer, hierfür nicht ausreichen¬ der Drehmomente kann die elektrische Maschine vorteilhaft als Schwungmassen-Starter mit elektromagnetisch kuppelbarer Schwungsmasse dienen. Als Schwungmasse dient vorzugsweise der Läufer bzw. der "Ständer" mit der daran anschließenden, zum Getriebe führenden Welle. Bei freigeschaltetem Gang läßt sich diese in Abstützung gegen die Massenträgheit der Triebwelle und die Kompression des Verbrennungsmotors elek¬ tromotorisch auf hohe Drehzahlen hochdrehen. Durch elek- tromagnetisches Einkuppeln mit Hilfe der elektrischen Ma¬ schine selbst wird die Schwungmasse schnell abgebremst und dadurch die Triebwelle derart beschleunigt, daß der Ver¬ brennungsmotor startet. Vorteil gegenüber bekannten Schwungrad-Startern mit mechanischer Einkopplung des Schwungrads (siehe z.B. das Buch D. Henneberger "Elektri¬ sche Motorausrüstung", Braunschweig 1990, Seiten 98-103) ist die Vermeidung von Kupplungsverschleiß und die genaue Steuerbarkeit des Einkupplungsvorgangs.
Die elektrische Maschine kann auch zur Antriebsschlupfrege- lung (ASR) dienen. Die Regelung des Antriebsschlupfes wird - im Stand der Technik - derart durchgeführt, daß bei Er¬ reichen eines Grenzwertes des Antriebsschlupfes oder einer zeitlichen Änderung (zeitliche Ableitung) des Antriebs- Schlupfes das Antriebsmoment verringert wird. Die Verringe¬ rung des Antriebsmoments wird entweder durch Verstellung des Verbrennungsmotors, also durch Drosselklappenverstel- lung oder durch Zündzeitpunktverstellung, oder durch Betä¬ tigen einer oder mehrerer Radbremse(n) realisiert. Auch eine Kombination beider Maßnahmen ist bekannt. Insbesondere können zusätzlich zur Verbrennungsmotorverstellung, die bei Überschreiten eines ersten Grenzwertes des Antriebsschlup- fes erfolgt, die Radbremsen betätigt werden, wenn ein zwei¬ ter, höherer Grenzwert des Antriebsschlupfes erreicht wird. Derartige Regelungen sind einerseits relativ langsam, ande¬ rerseits relativ schlecht steuerbar, d.h. ein bestimmter zeitlicher Verlauf der Antriebsmomentverringerung ist prak¬ tisch nicht erzielbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dient die elektri¬ sche Maschine einer Antriebsschlupfregelung und ist derart ausgelegt, daß mit ihr eine AntriebsschlupfVerringerung durch Zusatz-Drehmoment etwa durch Verkleinerung des An¬ triebsmoments (des Antriebsaggregats) herbeiführbar ist, insbesondere durch Bremswirkung und/oder - bei als Kupplung wirkender elektrischer Maschine - durch Kupplungsschlupf- Wirkung.
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zur aktiven Ver¬ ringerung von Drehungleichförmigkeiten einer Welle, ins¬ besondere der Triebwelle eines Verbrennungsmotors oder einer damit geklöppelten oder koppelbaren Welle, gerichtet, mit wenigstens einer elektrischen Maschine, die mit der Welle gekoppelt oder koppelbar ist, wobei die elektrische Maschine so gesteuert wird, daß sie ein schnell variierendes Drehmoment erzeugt, und - dem sie zur zusätzlichen Erzielung einer antreibenden
Wirkung oder bremsenden oder generatorischen Wirkung ein positives bzw. negatives Drehmoment überlagert
(Anspruch 13) .
Das Verfahren kann vorteilhaft mit einem System nach einer oder mehreren der oben erläuterten Ausgestaltungen durch¬ geführt werden (Anspruch 14) . Bezüglich einzelner Merkmale und Vorteile des Verfahrens wird auf die obigen Erläuterun¬ gen zum System verwiesen, die sich vollinhaltlich auch auf das Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestaltungen be¬ ziehen.
Die Gegenstände der Ansprüche 2, 6 - 12 und 14 sowie der Beschreibung können auch bei einem System bzw. Verfahren zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten vor¬ teilhaft sein, bei dem die elektrische Maschine kein Zu- satz-Drehmoment überlagert. Es wird daher der Vorbehalt erklärt, Patentansprüche auf diese Gegenstände unter Weg¬ lassung des jetzt in den Ansprüchen 1 bzw. Anspruch 13 enthaltenen diesbezüglichen Merkmalskomplexes zu richten.
Im übrigen werden in der gesamten vorliegenden Beschreibung Zahlenangaben "x" im Sinn von "wenigstens x" , und nur vor¬ zugsweise im Sinn von "genau x" verstanden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische beispielhafte Darstellung der Funktionsweise des Systems zur aktiven Verringe- rung von Drehungleichförmigkeiten;
Fig. 2 eine unmaßstäblich-schematische Darstellung einer Ausführungsform des Systems;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer elek¬ trischen Maschine mit Schnittebene senkrecht zur Axialrichtung zur Veranschaulichung verschiedener bei dem System verwendbaren Maschinentypen;
Fig. 4 einen schematischen Schaltplan eines bei dem Sy¬ stem verwendeten Wechselrichters; Fig. 5 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit drehbaren elektromagnetischen Wirk¬ einheiten.
In den Figuren tragen im wesentlichen funktionsgleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
Fig. la veranschaulicht (mit durchgezogener Linie) die Drehzahl n einer Welle als Funktion des Kurbelwellenwinkels φ. Die Welle führt um eine mittlere Drehzahl (hier 3000 Umdrehungen pro Minute) periodisch Drehzahlschwankungen zu kleineren und größeren Drehzahlen hin aus, welche in diesem idealisierten Beispiel insgesamt einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf haben. Bei der Welle handelt es sich beispielsweise um die Kurbelwelle eines Vierzylinder-Vier¬ takt-Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, die in der zweiten Ordnung (d.h. bei einer Frequenz von 100 Hz) eine relativ große, von den Gas- und Massenkräften herrührende Drehungleichförmigkeit aufweist. Zur Veranschaulichung ist auch das für eine Umdrehung der Welle benötigte Winkelin¬ tervall eingezeichnet. Im allgemeinen treten bei einer Welle außerdem (hier nicht dargestellte) Drehungleichför¬ migkeiten höherer Ordnungen und solche stochastischer Natur auf. Ihr Verlauf ist also i.a. nicht sinusförmig.
Im wesentlichen proportional zu den Drehungleichförmigkei¬ ten sind Schwankungen des Drehmoments Mv des Verbrennungs¬ motors um ein mittleres Drehmoment. Die durchgezogene Linie in Fig. la veranschaulicht damit auch den Verlauf des Mo- tor-Drehmoments Mv als Funktion des Kurbelwellenwinkels φ.
Fig. lb veranschaulicht das Gesamt-Drehmoment Me als Funk¬ tion des Wellenwinkels φ, das von einer mit der Welle ge¬ koppelten elektrischen Maschine aufgebracht wird. Der Ver- lauf des Maschinendrehmoments Me entspricht weitgehend dem der Drehungleichförmigkeit und des Motor-Drehmoments Mv, ist jedoch entgegengesetzt gerichtet. Die Verläufe sind im wesentlichen gegenphasig, d.h. , bei einer Drehungleichför¬ migkeit zu höheren Drehzahlen hin (sog. positive Drehun¬ gleichförmigkeit) erzeugt die elektrische Maschine ein die Welle bremsendes Drehmoment (sog. negatives Drehmoment) , wohingegen sie bei einer Drehungleichförmigkeit zu niederen Drehzahlen hin (sog. negative Drehungleichförmigkeit) ein antreibendes Drehmoment (sog. positives Drehmoment) er¬ zeugt. Der Betrag des Drehmoments Me ist so gewählt, daß die Drehungleichförmigkeit - und die zu ihr proportionale Schwankung des Drehmoments Mv - durch dessen Wirkung we¬ sentlich verringert wird oder sogar praktisch verschwindet, wie in Fig. la durch die gestrichelte Linie veranschaulicht ist.
Bei der in Fig. lb gezeigten Betriebsweise sind die negati¬ ven und positiven Drehmomentextrema betragsmäßig gleich groß. Die bei einer Bremsphase gewonnene Energie ist also im wesentlichen gleich groß wie die bei der folgenden An¬ triebsphase aufzuwendende Energie. Der Energiefluß nach außen ist somit Null, es wird nur im Inneren des System zeitweise Bremsenergie zwischengespeichert. Das System arbeitet also in dieser Betriebsweise als reiner Drehung¬ leichförmigkeits-Verringerer mit schnell variierendem Dreh¬ moment, ohne Erzeugung eines Zusatz-Drehmoments.
Ein Beispiel für eine demgegenüber modifizierte Betriebs¬ weise des Systems mit Zusatz-Drehmoment ist in Fig. lc gezeigt: Dem Wechseldrehmoment gemäß Fig. lb ist additiv ein Zusatzdrehmoment überlagert. Der zeitliche Verlauf des Gesamt-Drehmoments Me entspricht damit dem von Fig. lb, es ist jedoch global um einen bestimmten Betrag ΔMe (den sog. Hub) in negative Richtung verschoben. Entsprechend sind die Maximal- und Minimalwerte des Wechseldrehmoments um den Hub ΔMe verschoben. Der Hub ΔMe wird im allgemeinen langsam variieren, in dem hier dargestellten kurzen Zeitrahmen von ungefähr einer Umdrehungsperiode ist er jedoch in guter Näherung konstant. Der Hub ΔMe ist hier kleiner als die Amplitude der schnelle Variation des Drehmoments, so daß das Gesamt-Drehmoment Me alternierend positive und negative Werte annimmt. Gemittelt über die schnelle Drehmomentva¬ riation erhält man ein konstantes Drehmoment -ΔMe. Dem Verbrennungsmotor wird also im Mittel mechanische Energie entzogen, die weitgehend in elektrische Energie umgewandelt und dem System entnommen wird. Die elektrische Maschine hat also in dieser Betriebsart neben der Funktion als Drehung¬ leichförmigkeits-Verringerer die Funktion eines elektri- sehen Generators, der als Bremse wirken kann und Strom z.B. zum Ausgleichen der Betriebsverluste des Systems, zum Laden der Fahrzeugbatterie und/oder zum Betreiben elektrischer Verbraucher liefern kann.
Falls der Hub ΔMe größer als die Amplitude zur Verringerung der Drehungleichförmigkeit ist, wirkt die elektrische Ma¬ schine nur noch bremsend und nicht mehr antreibend, wobei die Bremswirkung in ihrem Betrag entsprechend Fig. lb und lc gegenphasig zur Drehungleichförmigkeit variiert.
Allein durch eine entsprechende Einstellung der (Softwa¬ re-) Steuerung der elektrischen Maschine - ohne jegliche konstruktive (Hardware-)Änderungen - sind kleine und sehr große Generatorleistungen einstellbar. Begrenzend wirkt nur die Größe der elektrischen Maschine. Damit kann ein und der selbe Maεchinentyp beispielsweise für kleine und große Kraftfahrzeugtypen ohne konstruktive Anpassung verwendet werden.
Der globale Drehmomentverlauf kann auch in positiver Rich¬ tung verschoben sein (positiver Hub) . Die elektrische Ma¬ schine arbeitet dann neben ihrer Funktion als Drehungleich- förmigkeits-Verringerer als (antreibender) Motor, z.B. um den Verbrennungsmotor bei einer Fahrzeugbeschleunigung zu unterstützen. Das in Fig. 2 dargestellte Antriebssystem eines Kraftfahr¬ zeugs, z.B. eines Personenkraftwagens, weist als Antriebs¬ aggregat einen Verbrennungsmotor 1 auf, bei dem es sich beispielsweise um einen Vierzylinder-Viertakt-Otto- oder Dieselmotor handelt. Das vom Verbrennungsmotor 1 erzeugte Drehmoment kann über einen Antriebsstrang 2 auf Antriebs¬ räder 3 übertragen werden. In Abtriebsrichtung ist im An¬ triebsstrang 2 nach dem Verbrennungsmotor 1 zunächst eine elektrische Maschine 4 angeordnet. Auf diese folgen eine Fahrkupplung 5, ein Getriebe 6 und ein Achsantrieb 7, wel¬ cher das Drehmoment auf die Antriebsräder 3 überträgt. Bei der Kupplung 5 und dem Getriebe 6 kann es sich um eine Rei¬ bungskupplung und ein Schaltgetriebe handeln; alternativ sind z.B. eine automatische Kupplung oder Wandlerkupplung, jeweils mit Schaltgetriebe oder automatischem Getriebe möglich. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist im Antriebsstrang 2 zwischen Verbrennungsmotor 1 und elektrischer Maschine 4 eine weitere (durch Steuerung betä¬ tigte) Kupplung angeordnet, um beim Bremsen mit der elek- trischen Maschine 4 einen Mitlauf des Verbrennungsmotors 1 zu vermeiden.
Die elektrische Maschine 4 - hier eine Drehstrom-Wander- feld-Maschine in Asynchron- oder Synchron-Bauart - umfaßt einen Ständer 8 und einen Läufer 9. Ersterer stützt sich drehfest gegen den Verbrennungsmotor 1, ein (nicht gezeig tes) Fahrzeugchassis oder ein (nicht gezeigtes) Kupplungs¬ gehäuse ab, wohingegen letzterer direkt auf einer Trieb¬ welle (Kurbelwelle) 10 des Verbrennungsmotors 1 oder einer Verlängerung hiervon sitzt und mit dieser drehfest gekop¬ pelt ist. Die Triebwelle 10 und der Läufer 9 rotieren also gemeinsam, ohne Zwischenschaltung eines Getriebes.
Die elektrische Maschine 4 erfüllt mehrere Funktionen: Sie fungiert einerseits als Drehungleichförmigkeits-Verringe- rer, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits erläutert wur¬ de. Andererseits fungiert sie als Generator zur Ladung einer Fahrzeugbatterie 11 und zur Versorgung elektrischer Verbraucher und ersetzt damit eine herkömmlicherweise im Kraftfahrzeug vorhandene Lichtmaschine. Die Generatorfunk¬ tion kann ferner zum Abbremsen des Fahrzeugs oder des Ver- brennungsmotors 1 dienen. Außerdem kann die elektrische Maschine 4 als Zusatzmotor ("Booster") fungieren, z.B. um den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen des Fahrzeugs zu unterstützen. Auch dient sie als Starter für den Verbren¬ nungsmotor und kann somit auch einen herkömmlicherweise beim Kraftfahrzeug gesondert vorgesehenen Starter ("Anlas¬ ser") ersetzen. Schließlich fungiert sie aufgrund des Mas- senträgheitsmoments des Läufers 9 als Schwungrad und kann so das bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen i.a. vorhandene, auf der Kurbelwelle sitzende Schwungrad ersetzen.
Die elektrische Maschine 4 ist durch eine Flüssigkeitsküh- lung, hier eine Sprühflüssigkeitskühlung 12 innengekühlt. Nach Durchlaufen eines Kühlers 13 und einer Pumpe 14 wird die Kühlflüssigkeit - hier ein geeignetes Öl - an den Läu- fer 9, und zwar in der Nähe von dessen Rotationsachse, gesprüht. Sie wandert aufgrund der Läuferrotation flieh¬ kraftbedingt nach außen und kühlt dabei Läufer 9 und Stän¬ der 8, und verläßt dann ein Gehäuse 15 der elektrischen Maschine 4, um in einem geschlossenen Kreislauf wieder in den Kühler 13 einzutreten. Der Kühlmittelfluß erfolgt ver¬ lustleistungs- und drehzahlabhängig durch entsprechende Steuerung der Pumpe 14, derart, daß sich jeweils im wesent¬ lichen nur eine gerade benötigte Mindestmenge der Kühlflüs- sigkeitsmenge im Inneren des Gehäuses 15 befindet. Ein (nicht gezeigtes) Ausgleichsgefäß erlaubt diese Variation der Kühlflüssigkeit im Gehäuse 15. Bei anderen (nicht ge¬ zeigten) Ausführungsformen ist die elektrische Maschine (oder nur der Läufer) in ein Kupplungε- und/oder Getriebe¬ gehäuse integriert und wird durch ein darin befindliches Schmier- und/oder Kühlfluid (z.B. Kupplungs- oder Getriebe¬ öl) mit gekühlt. Die elektrische Maschine 4 ist außerdem mit einem Dreh¬ transformator 16 (sog. Resolver) ausgerüstet, der vorzug¬ weise mehr als 8 Pole, hier z.B. 12 Pole auweist. Er be- steht aus zwei benachbart angeordneten Leiterplatten, von denen eine feststeht und die andere sich mit der Triebwelle 10 dreht. Die Leiterplatten tragen auf ihren zugewandten Oberflächen durch Leiterbahnen gebildete Windungen, derart daß sich ein drehwinkelabhängiges Transformator-Überset¬ zungsverhältnis ergibt. Der Drehtransformator 16 arbeitet nach dem Transponder-Prinzip: Die feststehenden Windungen (festehende Platine) werden aktiv mit Strom/Spannung beauf¬ schlagt und strahlen elektromagnetische Energie zu den drehbaren Windungen (drehbare Platine) hin ab. Letztere strahlen einen Teil dieser Energie wieder zurück, wobei dieser Teil aufgrund des drehwinkelabhängigen Übertra¬ gungsverhältnisses vom Drehwinkel abhängt. Der rückge¬ strahlte Teil erzeugt in den festεtehenden Windungen ein drehwinkelabhängigeε Signal. Eine Auswertung dieseε Signalε liefert den momentanen Drehwinkel der Triebwelle 10 mit einer Genauigkeit von wenigεtens 0,5 Grad. Bei einfacheren Ausführungsformen wird ein Inkrementalgeber verwendet.
Ein Wechselrichter 17 liefert dem Ständer 8 der elektri¬ schen Maschine 4 bei einer sehr hohen Taktfrequenz (z.B. 10-100 kHz) sinuεbewertete pulεweitenmodulierte Spannungε- impulεe, die unter der Wirkung der Maεchineninduktivität im wesentlichen sinusförmige Dreiphasen-Ströme ergeben, deren Amplitude, Frequenz und Phase frei vorwählbar ist.
Der Wechselrichter 17 ist ein Spannungszwischenkreiε-Pulε- wechselrichter und umfaßt drei Baugruppen: einen Gleich¬ spannungsumsetzer 18 (Eingangsbaugruppe) , welcher Gleich¬ spannung von einem niedrigen Niveau (hier 12 V) auf ein höheres Zwischenkreisniveau (hier 60 V oder 350 V) und in umgekehrter Richtung umεetzt, einen elektriεchen Zwischen- kreisspeicher 19, hier ein Kondensator bzw. eine Anordnung parallel geschalteter Kondensatoren, und einen Maschinen- wechεelrichter 21 (Auεgangεbaugruppe) , welcher aus der Zwi¬ schenkreis-Gleichspannung die (getaktete) Dreiphasen-Wech¬ selspannung variabler Amplitude, Frequenz und Phase erzeu¬ gen kann oder - bei generatorischem Betrieb der elektri¬ schen Maschine 4 - derartige beliebige Wechselεpannungen in die Zwischenkreis-Gleichspannung umsetzen kann. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen liegt das Zwischen¬ kreisniveau am oberen Rand des ohne besonderen Berührungs¬ schutz zuläsεigen Niederspannungsbereichs, hier 60 V.
Die drei Baugruppen 18, 19, 20 des Wechselrichters 17 sind in einem metallischen Gehäuse 21 hermetisch eingeschloεεen, welches mit einem geeigneten Siedekühlmittel gefüllt ist. Bei diesem handelt es sich z.B. um einen Fluorkohlenwasser- stoff, der bei einem geeigneten Druck (etwa zwischen 50 mbar und 3 bar) einen geeigneten Siedepunkt, z.B. bei 60° C, hat. Verdampftes Siedekühlmittel kann in einem Kondensa¬ tionskühler 22 kondensieren und in flüεεiger Form in einem geschlosεenen Kreislauf in das Gehäuse 21 zurückkehren. Das Gehäuεe 21 mit dem Kühlkreiεlauf ist hermetisch dicht.
Der Gleichspannungsumsetzer 18 ist niederspannungsseitig mit der Fahrzeugbatterie 11 und verschiedenen Niederspan¬ nungverbrauchern 23, wie beispielsweise Beleuchtung und elektronische Geräte, verbunden. Der Wechselrichter 17 kann einerseits Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Laden der Fahrzeugbatterie 11 und Versorgen der Niederspannungs¬ verbraucher 23 liefern, andererseits kann er der Fahrzeug¬ batterie 11 Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Starten des Verbrennungsmotorε 1 entnehmen. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen befindet sich die Fahrzeug¬ batterie auf Zwischenkreisniveau und ist direkt mit dem Zwischenkreis gekoppelt.
Der Zwischenkreisspeicher 19 ist verbunden mit einem exte¬ rnen Zusatzεpeicher 24, bei dem es sich um einen elektri¬ schen Speicher, hier eine Zusatzkapazität 25, und/oder einen Schwungradspeicher 26 handeln kann. Der Zusatzspei¬ cher 24 hat in erster Linie die Aufgabe, die beim Drehung- leichförmigkeitε-Verrringern in einer Bremεphase gewonnene Energie zwischenzuspeichern und für die anschließende An- treibphase wieder abzugeben. Daneben kann er auch der Spei¬ cherung derjenigen Energie dienen, die bei anderen, durch die elektrische Maschine 4 vermittelten Bremsvorgängen anfällt. Schließlich kann er die Fahrzeugbatterie 11 beim Startvorgang des Verbrennungsmotors 1 entlasten, indem dieser Energie nur langsam entnommen und im Zuεatzεpeicher 24 gespeichert wird. Hier steht sie dann für eine schnelle Entnahme beim Startvorgang zur Verfügung.
Hingegen hat der (innere) Zwischenkreisspeicher 19 im we- sentlichen die Aufgabe, der Maschinen-Wechselrichtergruppe 20 Spannung mit der für das Takten notwendigen hohen Flan¬ kensteilheit - also εchnell - zu liefern. Er braucht dazu keine sehr hohe Kapazität (er hat z.B. 2 μF) , vorteihaft für die Schnelligkeit sind vielmehr geringe Zuleitungsin- duktivitäten, waε durch die Anordnung im Inneren des Wech¬ selrichters 17 sichergeεtellt ist (und zwar vorzugsweiεe auf derεelben Platine, auf der auch die elektroniεchen Schalter deε Maschinen-Wechselrichterε 20 angeordnet εind) . Der Zusatzspeicher 24 kann hingegen relativ langsam arbei- ten, so daß hier die Zuleitungskapazitäten aufgrund der externen Anordnung nicht stören. Die Zusatzkapazität 25 kann insbesondere 50 bis 10000 mal größer sein (εie iεt hier z.B. 4,7 mF für die Speicherung der Drehungleichför- migkeitε-Energie) alε die deε Zwiεchenkreiεspeichers 19.
Noch größere Speicherkapazitäten sind mit dem Schwungrad¬ speicher 26 erreichbar, der hier eine eigene wechselrich¬ tergesteuerte elektrische Maschine 27 und eine damit gekop¬ pelte Schwungmasse 28 umfaßt. Letztere kann durch ein ge- sondertes Schwungrad gebildet oder in den Läufer der elek¬ trischen Maschine 27 integriert sein. Das Maεsenträgheits- moment der Schwungmasse 28 beträgt vorzugsweiεe 0,05 bis 2 kgm2. Es ist auch möglich, in dem Schwungradspeicher 26 ein Mehrfaches der zum Starten des Verbrennungsmotorε 1 benötigten Energie zu speichern und ihm zum Starten schnell (d.h. in weniger als einer Sekunde) die jeweils nötige Startenergie zu entnehmen.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist kein gesonderter Zusatzspeicher 24 vorgesehen. Hier ist der Zwischenkreisspeicher 19 so dimensioniert und ggf. außer- halb des Wechselrichters 17 angeordnet, daß er die Funk¬ tionen des Zusatzspeicherε 24 mit übernehmen kann.
Der Zwischenkreis mit seinem hohen Spannungsniveau (hier 60 V bzw. 350 V) verεorgt verεchiedene Hochleistungεverbrau- eher, wie eine Klimamaεchine 29 und Servoantriebe 30 mit elektriεcher Energie. Während derartige Hochleiεtungsver- braucher herkömmlicherweise durch mechaniεche Kopplung vom Verbrennungsmotor 1 angetrieben werden, erlaubt das hier zur Verfügung stehende hohe Spannungsniveau einen wirkungs- gradmäßig günstigeren, rein elektrischen Antrieb.
Eine Steuereinrichtung 31 gibt dem Wechselrichter 17 durch entsprechende Ansteuerung seiner Halbleiterschalter zu jedem Zeitpunkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phase die von ihm zu erzeugende Wechselspannung haben soll. Die Steuereinrichtung 31, die beispielεweiεe durch ein entεpre- chend programmiertes Mikrocomputer-System gebildet sein kann, bestimmt zunächst den Betrag und die Richtung des Drehmoments, welches die elektrische Maschine 4 zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugen soll. Sie kann dies z.B. mit Hilfe einer Kennfeldsteuerung tun, indem sie als Eingangs¬ information vom Drehtransformator 16 die Winkelstellung der Triebwelle 10, die momentane mittlere Drehzahl und ggf. weitere Betriebsparameter, wie z.B. die Drosselklappenstel- lung, erhält und aus einem gespeicherten Kennfeld die mo¬ mentan zu erwartende Drehungleichförmigkeit in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern ermittelt. Eine andere Mög- lichkeit besteht darin, die tatsächlich momentan vorliegen¬ de Drehungleichförmigkeit zu ermitteln, z.B. durch Berech¬ nung der momentanen Drehgeschwindigkeit auf der Grundlage der vom Drehtransformator 16 gelieferten Information und/- oder durch Auswertung der momentan im Verbrennungsmotor 1 vorliegenden Gasdrücke, welche mit Hilfe von Gasdrucksenso¬ ren 32 detektierbar sind, εowie durch Erfaεεung der momen¬ tanen Drehmomentε deε Verbrennungεmotorε 1 mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Drehmomentnabe im Antriebsstrang. Möglich ist auch eine Kombination von Regelung und Steuerung. Aus dem so ermittelten Wert für die momentane Drehungleichför¬ migkeit wird ein entsprechender (gegenphasiger) Wert für das schnell variierende Soll-Drehmoment der elektrischen Maschine 4 abgeleitet, dem ggf. ein positives oder negati- ves Zuεatz-Drehmoment gewünεchter Stärke additiv überlagert wird. Zum Starten deε Verbrennungεmotors 1 kann daε Soll- Drehmoment auf der Grundlage gespeicherter Werte bestimmt werden, die den zeitlichen Soll-Verlauf der Drehzahl oder des Drehmoments der elektrischen Maschine 4 während des Startvorgangs vorgeben, ggf. ergänzt durch eine Messung dieser Größen und eine rückgekoppelte Regelung, welche die Einhaltung der Vorgaben sicherstellt.
In einem zweiten Schritt bestimmt die Steuereinrichtung 31, welche Amplitude, Frequenz und Phase der Spannung bzw. des Stroms vom Wechselrichter 17 bereitgestellt werden muß, damit die elektrische Maschine 4 dieεeε Soll-Gesamtdrehmo¬ ment herbeiführt. Diese Bestimmung erfolgt bei der elek¬ trischen Asynchronmaschine auf der Grundlage einer feld- orientierten Regelung, welche auf einer Modellrechnung der elektrischen Maschine 4 beruht und als Eingangsinformation im wesentlichen die meßbaren elektrischen Ständergrößen (Amplitude, Frequenz und Phase von Strom und Spannung) und die momentane mittlere Läuferdrehzahl verwendet.
In Fig. 2 ist die Steuereinrichtung 31 als außerhalb des Wechselrichtergehäuseε 21 angeordnet dargeεtellt. Um die Zuleitungsinduktivitäten gering zu halten und auch an der Siedebadkühlung zu partizipizieren, iεt sie jedoch bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen im Inneren des Wechselrichtergehäuses 21 angeordnet.
Die Steuereinrichtung 31 teilt verschiedene, zur Erfüllung ihrer Steueraufgaben dienende Sensoren bzw. davon abgelei¬ tete Sensorinformationen mit einem Motorsteuergerät 33 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 1. Im einzelnen handelt es sich z.B. um den Drehtransformator 16 (Winkellagegeber), die Gasdruckεensoren 32, daneben (nicht gezeigte) Sensoren zur Erfasεung der mittleren Drehzahl, des Lastzustandeε deε Verbrennungεmotors 1 (z.B. über die Drosselklappenstellung) und dessen Drehmoments (z.B. mit Hilfe einer Drehmomentna- be) .
Außerdem kommuniziert die Steuereinrichtung 31 mit einer Vielzahl weiterer Steuergeräte: ein (nicht gezeigtes) Ener¬ gieverbrauchs-Steuergerät gibt an, wieviel Energie zum Laden der Fahrzeugbatterie 11, zur Versorgung der Nieder- spannungεverbraucher 23 und der Hochleiεtungεverbraucher 29, 30 benötigt wird, so daß die Steuereinrichtung 31 eine entsprechende globale Drehmomentverstellung ΔMe (siehe Fig. lc) veranlassen kann. Das Motorsteuergerät 33 gibt der Steuereinrichtung 31 vor, ob die elektrische Maschine 4 zusätzlich zu ihrer Schwingungsverringerungs-Funktion fahr¬ zeugbeschleunigend oder -bremsend wirken soll, so daß diese eine entsprechende globale Drehmomentverschiebung ΔMe ver¬ anlassen kann und ggf. die Drehungleichförmigkeitε-Verrin- gerungεfunktion vorübergehend abschalten kann. Entsprechend gibt ein ASR-Steuergerät 34 (ASR=Anti-Schlupf-Regelung) der Steuereinrichtung 31 bei Vorliegen von Antriebsschlupf vor, daß die elektrische Maschine 4 vorübergehend alε generato¬ rische Bremse wirken soll, ggf. bevor daε ASR-Steuergerät bei verbleibendem Antriebεεchlupf als massivere Maßnahme ein Einbremsen der betroffenen Antriebsräder durch die Radbremse veranlaßt. Zusätzlich kann das ASR-Steuergerät seine Schlupfinformation an das Motorsteuergerät 33 überge¬ ben, um außerdem eine Verringerung des Verbrennungsmotor- Drehmoments zu veranlassen. Das Motorsteuergerät 33 kann auch eine automatische Start-Stop-Steuerung durchführen und der Steuereinrichtung 31 vorgeben, ob die elektrische Ma¬ schine 4 den Verbrennungsmotor 1 starten soll.
Bei jeder Art von Bremsen gewonnene Energie wird im Zusatz¬ speicher 24 gespeichert, um zum späteren Antreiben der elektrischen Maschine 4 wiederverwendet oder der Fahrzeug¬ batterie 11 zugeleitet zu werden.
Die in Fig. 3 näher dargestellte elektrische Maschine 4 ist bürsten- bzw. schleiferlos und damit verschleißfrei, sie hat einen Außendurchmesεer von ungefähr 250 mm und eine Länge in Axialrichtung von 55 mm und erbringt bei einem Gewicht von 10-15 kg ein Dauerdrehmoment von ca. 50 Nm und ein Spitzendrehmoment von ca. 150 Nm. sie kann Drehzahlen erreichen, die den Spitzendrehzahlen üblicher Verbrennungs- motoren (ca. 6000 biε 10000 U/min) entεpricht und ist dreh¬ zahlfest bis 14000 U/min. Die elektrische Maschine 4 hat einen außenliegenden Ständer 8, welcher Nuten 35 in Rich¬ tung der Triebwelle 10 (Axialrichtung) aufweist. Der Stän¬ der 8 trägt eine Drei-Phasen-Wicklung 36, die so ausgebil- det ist, daß sie bei Beaufschlagung mit Drei-Phasen-Strom zwölf Pole ausbildet. Pro Pol sind drei Nuten 35, insgesamt also sechsunddreißig Nuten 35 vorhanden. (Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen sind zwecks Verringe¬ rung von Streueffekten pro Pol wenigstens sechs, vorzugs- weise neun Nuten vorhanden.) Die Pole laufen mit der Dreh¬ strom-Oszillation in einer Kreisbewegung im Ständer 8 um. Für einen bestimmten Zeitpunkt ist ihre momentane Lage durch Pfeile, welche die Bezugszeichen "S" (für Südpol) und "N" (für Nordpol) tragen, veranschaulicht. Ein die Nuten 35 nach außen abschließender Rücken 37 ist in Radialrichtung relativ dünn, seine Dicke beträgt (an der Stelle einer Nut 35) vorzugsweise 3-25 mm. Der Ständer 8 ist aus dünnen Statorblechen (die Dicke beträgt hier 0,25 mm) aus einem Material mit niedrigen Ummagnetisierungεverlusten (hier kleiner als 1 W/kg bei 50 Hz und einem Tesla) aufgebaut, mit senkrecht zur Axialrichtung verlaufenden Blechebenen.
Der innenliegende Läufer 9 ist bei der Asynchron-Maεchine als Käfigläufer mit im wesentlichen in Axialrichtung ver¬ laufenden Käfigstäben, die jeweils stirnseitig mit einem Kurzschlußring 38 verbunden sind, ausgebildet. Beim der Synchronmaschine trägt der Läufer 9 eine entsprechende Zahl von Polen wie der Ständer 8 (hier zwölf Pole) , die durch Permanentmagnete oder entsprechend erregte Spulen gebildet sein können. In Fig. 3 ist die Synchronmaschine ebenfalls veranschaulicht, indem die bei ihr vorhandenen Läuferpole (Bezugsziffer 39) schematiεch angedeutet sind.
Der Luftspalt 40 zwischen Läufer 9 und Ständer 8 ist rela¬ tiv groß; seine Weite beträgt 0,25 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist der Läufer außenliegend und der Ständer innenliegend.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Schaltplan des Wechsel- richters 17. Man erkennt den Zwischenkreisspeicher 19 in Form einer Kapazität, welcher der (hier nicht näher darge¬ stellte) Zusatzspeicher 24 parallelgeschaltet ist. Die Kapazität symbolisiert eine Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren.
Der Maschinenwechselrichter 20 wird durch drei parallelge¬ schaltete (aber unabhängig schaltbare) Schaltergruppen 42 gebildet, wobei jede der Schaltergruppen 42 für die Erzeu¬ gung jeweils einer der drei Drei-Phasen-Spannungen zustän- dig ist. Jede der Schaltergruppen 42 iεt eine Serienεchal- tung zweier (unabhängig εchaltbarer) Schalter 43 zwischen dem Plus- und dem Minuspol des Zwischenkreises. Die Serienschaltung ist mittig (d.h. zwischen den Schaltern 43) mit einer Seite jeweils einer der drei Wicklungen 36a, 36b, 36c der Drei-Phasenwicklung 36 verbunden; an der anderen Seite sind die drei Wicklungen 36a, 36b, 36c miteinander verbunden.
Parallel zu den Schaltern 43 ist jeweils eine Freilaufdiode 44 geschaltet. Sie ist so gepolt, daß sie normalerweise sperrt und, nur wenn der gegenüberliegende Schalter geöff- net wird, einen aufgrund von Selbstinduktion erzeugten, kurzzeitigen Stromfluß in Gegenrichtung durchläßt.
Jeder Schalter 43 symboliεiert eine Parallelεchaltung von mehreren (z.B. fünf) MOS-Feldeffektransistoren, welche von der Steuereinrichtung 31 zur Bildung eines Drei-Phasen- Stroms gewünschter Amplitude, Frequenz und Phase direkt angesteuert werden.
Der Gleichspannungsumεetzer 18 umfaßt zwei Unter-Baugrup- pen, nämlich eine, welche elektriεche Energie von dem nied¬ rigen Spannungεniveau (12 V) auf daε hohe Zwiεchenkreiε- Spannungεniveau (60 V bzw. 350 V) bringen kann, und eine andere, welche - umgekehrt - elektriεche Energie von dem hohen Spannungεniveau (60 V bzw. 350 V) auf das niedrige Spannungsniveau (12 V) bringen kann. Bei Ausführungsformen mit im Zwischenkreis angeordneter Fahrzeugbatterie kann die erstgenannte Unter-Baugruppe entfallen.
Bei der ersten Unter-Baugruppe handelt es z.B. sich um einen Hochsetzsteller 45. Dieser wird durch eine Serien¬ schaltung einer mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie 11 verbundenen Induktivität 46 und einen mit deren Minuspol und dem Minuspol des Zwiεchenkreises verbundenen Schalter 47 gebildet, wobei diese Serienschaltung mittig über eine (in Durchlaßrichtung gepolte) Hochsetzdiode 48 mit dem Pluspol des Zwischenkreiεeε verbunden ist. Bei geschlosse¬ nem Schalter 47 fließt ein Kreisstrom vom Plus- zum Minus pol der Fahrzeugbatterie 11. Nach Öffnen des Schalters 47 sucht eine Selbstinduktionsεpannung ein Zuεammenbrechen dieseε Stromes zu verhindern, mit der Folge, daß kurzzeitig das hohe Zwischenkreis-Spannungεniveau (60 V bzw. 350 V) überεchritten wird und Strom durch die (ansonεten εperren- de) Hochεetzdiode 48 fließt und den Zwiεchenkreisspeicher 19 auflädt. Durch periodisches Öffnen und Schließen des Schalters 47 erzielt man einen quasi-stationären Ladestrom, z.B. als Vorbereitung des Startvorgangs. Bei dem Schalter 47 handelt es sich um einen Halbleiterschalter, welcher direkt von der Steuereinrichtung 31 angesteuert wird.
Die zweite Unter-Baugruppe ist z.B. ein Spannungsunterset¬ zer 49, der ähnlich einem Schaltnetzteil funktioniert. Er umfaßt zwei Serienschaltungen von Schaltern 50 zwischen dem Plus- und Minuspol des Zwischenkreiεeε, mit jeweils par¬ allelgeschalteten Freilaufdioden 51. Die Enden einer Pri¬ märwicklung eines Hochfrequenz (HF) -Transformators 52 sind jeweils mit den Mitten dieser Serienschaltungen verbunden. Die Sekundärwicklung des HF-Transformators 52 speist eine Gleichrichtungs- und Glättungεeinheit 53, welche wiederum die Fahrzeugbatterie 11 und ggf. Niederspannungsverbraucher 23 speist. Die Schalter 50 symbolisieren Halbleiterschal¬ ter, welche direkt von der Steuereinrichtung 31 angesteuert werden. Durch periodischeε Öffnen und Schließen der Schal¬ ter läßt sich ein hochfrequenter Wechselstrom erzeugen, welcher in der Sekundärwicklung des HF-Transformators 52 eine entsprechende Wechselεpannung auf niedrigerem Span¬ nungεniveau induziert, welche durch die Einheit 53 gleich- gerichtet und geglättet wird. Der genaue Wert der reεultie- renden Gleichεpannung läßt εich mit Hilfe der Schalter 50 durch Variation der Schaltfrequenz genau einεtellen.
Fig. 5 zeigt eine elektrische Einzelmaschine 4, welche die Funktion einer elektromagnetischen Kupplung und/oder Syn¬ chronisiereinrichtung ein nachgeschaltetes Getriebe hat. Sie weist ein inneres und ein äußeres elektromagnetischeε Wirkelement auf, die in Anlehnung an bei elektrischen Ma¬ schinen üblichen Bezeichnungsweisen hier Läufer 9 und Stän¬ der 8' genannt werden. Der Läufer 9 ist drehfest mit der Abtriebswelle 55 und der Ständer 8' ist drehfest mit der Triebwelle 10 verbunden (bei anderen - nicht gezeigten - Ausführungsformen ist diese Zuordnung umgekehrt) . Die elek¬ trische Maschine 4 ist also zusätzlich zur Läuferdrehung als Ganzes drehbar; der Begriff "Ständer" ist also ange¬ sichts dessen Drehbarkeit nur in einem übertragenen Sinn zu verstehen. Während es bei einer festεtehenden elektri¬ schen Maschine - z.B. einer Drehfeld-Maschine - möglich ist, die Stromzufuhr auf das feststehende Wirkelement (d.h. den Ständer) zu beschränken und im drehbaren Wirkelement (d.h. im Läufer) Ströme ohne Stromzufuhr nur durch Induk- tion hervorzurufen, wird hier - wo beide Wirkelemente dreh¬ bar sind - wenigstens einem von ihnen (hier dem Ständer 8') Strom über drehbewegliche elektrische Verbindungen (z.B. über hier nicht gezeigte Schleifer/Schleifring-Kontakte) zugeführt. Die Abtriebswelle 55 ist mit einer mechanischen Kupplung, hier einer gegen das Fahrzeugchassis oder das Getriebegehäuse abgestützten Bremse 62 gegen Drehung fest¬ legbar. Die gezeigte Ausführungsform hat keine Überbrük- kungskupplung, andere (nicht gezeigte) Ausführungsformen sind jedoch mit einer reib- oder kraftschlüsεigen Über- brückungskupplung zur mechanischen Verbindung der Wellen 10, 55 ausgerüstet. Die Maschine 4 kann im oder am Motor¬ gehäuse, Getriebegehäuse oder an beliebiger anderer Stelle im Antriebsstrang 2 plaziert sein.
Die elektrische Einzelmaschine 4 kann - verschiedene Funk¬ tionen ausführen. In der Funktion als Schaltkupplung und ggf. als Anfahrkupplung wird ein Gleichlauf der Wellen 10, 55 durch eine solche Einstellung der drehmomenterzeugenden magnetischen Felder der Maschine 4 erzielt, daß Drehzahl- gleichheit zwischen den Wellen 10 und 15 herrscht, also der Kupplungsεchlupf zwischen Ständer 8' und Läufer 9 genau verschwindet. Bei einer Asynchronmaschine wird dies bei- spielsweise durch die Regelung bzw. Steuerung des magneti¬ schen Schlupfes eines entgegen der Antriebsdrehmoment-Rich¬ tung umlaufenden Drehfelds geeigneter Frequenz und Amplitu¬ de erzielt. Eine (hier nicht dargestellte) formεchlüεεige Überbrückungskupplung eliminiert bei verschwindendem Kupp¬ lungsschlupf die elektromagnetischen Verluste.
Eine aktive Getriebesynchroniεierung dient dazu, die Ab¬ triebswelle 55 während eines Gangwechsels so zu beschleuni- gen oder abzubremsen, daß die in Kämmung zu bringenden Ge¬ triebezahnräder gleiche Umfangsgeschwindigkeiten haben. Diese Funktion kann bei Ausführungεformen der Einzelmaεchi- ne 4 auch ohne Kupplungsfunktion realisiert sein. Die Wel¬ lenbeschleunigung oder -abbremsung erfolgt in Abstützung gegen die mit der variablen Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 drehende Triebwelle 10. Der Beitrag dieser Drehung wird bei der Bestimmung und Steuerung der für die jeweilige Synchronisation nötigen Relativdrehzahl der Maschine 4 berücksichtigt.
Eine Verringerung von Drehungleichförmigkeiten der Trieb¬ welle 10 kann im Stand des Fahrzeugs in Abstützung gegen den dann mit Hilfe der Bremse 62 gegen Drehung festgelegten Läufer 9 erfolgen. Bei angetriebener Fahrt können bei nicht eingekuppelter (oder nicht vorhandener) Überbrückungskupp- lung Drehungleichförmigkeiten der Abtriebεwelle 55 durch schnelles Variieren des übertragenen Drehmoments verringert werden, und zwar durch desεen Verkleinerung (d.h. einer Vergrößerung deε Kupplungsschlupfes) bei positiver Dreh- ungleichförmigkeit und desεen Vergrößerung (d.h. einer Verkleinerung deε Kupplungsεchlupfes) bei negativer.
Zusatzbeschleunigung oder -bremsung ist bei nicht einge¬ kuppelter Überbrückungskupplung durch Erzeugung entspre- chenden Drehmomente - oder anders ausgedrückt - kleineren oder größeren Kupplungsschlupfes möglich. Die elektrische Maschine 4 kann in eine ASR-Regelung derart einbezogen sein, daß bei zu großem Antriebsrad-Schlupf der Kupplungs¬ schlupf augenblicklich vergrößert und damit das an den Antriebsrädern anliegende Moment verkleinert wird. Eine Generatorfunktion zur Stromerzeugung wird durch dauernd aufrechterhaltenen Kupplungsschlupf erzielt.
Die elektrische Maschine 4 kann den Verbrennungsmotors 1 in Abstützung gegen die durch die Bremse 62 festgelegte Ab¬ triebswelle 55 direktstarten. Bei einer anderen Ausführ- ungsform, bei der die Maschine 4 hierfür kein ausreichendes Drehmoment aufbringt, kann sie unter Ausnutzung der elek¬ tromagnetischen Kupplungsfunktion alε verschleißfreier Schwungradstarter dienen. Hierzu beschleunigt die elektri¬ sche Maschine 4 zunächst bei nicht eingelegtem Gang und gelöster Bremse 62 den dann freilaufenden Läufer 9 zusammen mit der Abtriebswelle 55 in Abstützung gegen die Triebwelle 10 und die Kompression des noch nicht laufenden Verbren¬ nungsmotors 1 auf eine relativ hohe Drehzahl, z.B. auf 2000 U/min. Dann wird die elektrische Maschine 4 innerhalb kur- zer Zeit so umgesteuert, daß sie ein bremsendeε Moment, also Kraftεchluß zwiεchen dem Läufer 9 und dem Ständer 8' herstellt. Dadurch werden der Läufer 9 mit der Abtriebs¬ welle 55 und der Ständer 8' mit der Triebwelle 10 schnell auf eine gemeinsame mittlere Drehzahl (z.B. 800 U/min) gebracht und der Verbrennungsmotor 1 gestartet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. System zur aktiven Verringerung von Drehungleichför- migkeiten einer Welle, insbeεondere der Triebwelle
(10) eines Verbrennungsmotors (1) oder einer damit gekoppelten oder koppelbaren Welle, umfassend wenig¬ stenε eine elektrische Maschine (4), die mit der Welle gekoppelt oder koppelbar ist, wobei die elektrische Maschine (4) so geεteuert ist, daß sie zur Verringerung der Drehungleichförmigkeiten ein schnell variierendes Drehmoment erzeugt, und sie diesem Drehmoment zur zusätzlichen Erzielung einer antreibenden Wirkung oder bremsenden oder generatorischen Wirkung ein positives bzw. nega¬ tives Drehmoment überlagert.
2. System nach Anspruch 1, bei welchem das schnell vari¬ ierende Drehmoment alternierend, und zwar bei einer positiven Drehungleichförmigkeit der Welle bremsend und bei einer negativen Drehungleichförmigkeit antrei¬ bend wirkt.
3. System nach Anspruch 2, bei welchem bei kleiner zu erzielender antreibender, bzw. bremsender/generatori¬ scher Wirkung das von der elektrischen Maschine (4) aufgebrachte Gesamtdrehmoment positive und negative Werte annimmt, während es bei größerer zu erzielender Wirkung nur positive bzw. negative Werte annimmt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) ein negatives Drehmoment erzeugt, um als Generator zur Stromversor¬ gung zu fungieren und/oder eine Bremsung eines Fahr¬ zeugs herbeizuführen oder zu unterstützen und/oder um im Rahmen einer Anti-Schlupf-Regelung durch Bremsen den Schlupf eines Antriebsrades zu verringern.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) ein positives Drehmoment erzeugt, um eine Beschleunigung eines Fahr- zeugs herbeizuführen oder zu unterstützen.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) eine Dreh- oder Wanderfeldmaschine ist.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Wechselrichter (17) zum Erzeugen der für die magnetischen Felder der Maschine (4) benötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase; und wenigstenε einer Steuereinrichtung (31) , die den Wechεelrichter (17) und damit die elektrische Maschine (4) so steuert, daß diese das schnell variierende Drehmoment, bedarfsweise mit überla- gertem positiven oder negativen Drehmoment er¬ zeugt.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem beim Verringern einer positiven Drehungleich- förmigkeit gewonnene Energie (Drehungleichförmigkeits-
Bremεenergie) εowie ggf. bei bremsenden Zusatz-Dreh¬ moment gewonnene Energie (Zusatzdrehmoment-Bremsen¬ ergie) wenigstens teilweise gespeichert wird und die gespeicherte Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie we- nigstens teilweise zum Verringern einer negativen
Drehungleichförmigkeit wiederverwendet wird.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) außerdem die Funktion eines Starters hat.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die als Generator wirkende elektrische Ma¬ schine (4) Strom auf relativ hohem Spannungsniveau liefert und Hochleiεtungεverbraucher elektriεch auf dem hohen Spannungεniveau geεpeiεt werden.
11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) eine hohe Drehmo¬ mentdichte - bezogen auf daε maximale Drehmoment - aufweiεt, inεbeεondere größer als 0,01 Nm/cm3.
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) alε elektromagne¬ tische Kupplung im Antriebsstrang (2) und/oder als aktive Getriebe-Synchronisiereinrichtung oder als ein Teil hiervon wirkt.
13. Verfahren zur aktiven Verringerung von Drehungleich¬ förmigkeiten einer Welle, insbesondere der Triebwelle (10) eines Verbrennungsmotors (1) oder einer damit gekoppelten oder koppelbaren Welle, mit wenigstens einer elektrischen Maschine (4) , die mit der Welle gekoppelt oder koppelbar ist, wobei die elektrische Maschine (4) so gesteuert wird, daß εie ein schnell variierendes Drehmoment erzeugt, - dem sie zur zusätzlichen Erzielung einer antrei¬ benden Wirkung oder bremsenden oder generatori¬ schen Wirkung ein positiveε bzw. negatives Dreh¬ moment überlagert.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem ein System zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten nach einem der Ansprüche 1-12 verwendet wird.
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