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Dokumentenidentifikation DE102005029943A1 22.02.2007
Titel Elektrischer Lager Antrieb
Anmelder Pohlmann, Peter, 60389 Frankfurt, DE
Erfinder Pohlmann, Peter, 60389 Frankfurt, DE
DE-Anmeldedatum 28.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005029943
Offenlegungstag 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse B60K 7/00(2006.01)A, F, I, 20061213, B, H, DE
Zusammenfassung Mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Lagerantrieb (ELA) können Radfahrzeuge durch Magnetfelder getragen berührungslos schwebend fahren, ohne Antriebsteile im Fahrweg.
Der elektrische Lagerantrieb besteht gemäß Fig. 1 aus einem Außenring (Rotor/Felge, ggf. mit Reifen) mit Sekundärteilen (S), einem Innenring (Stator/Welle, ggf. fest verbunden mit einem Fahrzeug) mit Primärteilen (P) und magnetischen Feldern (M) im Spalt zwischen Primär- und Sekundärteilen. Die erforderlichen Magnetfelder werden durch Permanentmagnete oder Strom durchflossene Leiter erzeugt. Die Ströme werden durch Regelungen (C) dynamisch so eingestellt, dass der Rotor radial und axial stabil im Rotor berührungslos schwebt und der Rotor Solldrehzahl erreicht und hält. Eine berührungslose Lenkung ist dabei vorgesehen. Die Regelungen in den Primärteilen sind über Kabel (K) mit der Energiequelle (E) und dem Sollwertgeber (W) verbunden. Falls Energie- und Informationsübertragungen zu den Sekundärteilen erforderlich sind, erfolgen sie berührungslos über den Spalt. Die Energie wird der Energiequelle entnommen oder zurückgespeist. Für Notfälle können ggf. zusätzliche Vorrichtungen vorgesehen sein (z. B. Notlaufwalzen/Feststellbremse).
So verbindet der elektrische Lagerantrieb die Vorteile der Radfahrzeuge mit denen der magnetischen Schwebefahrzeuge. Er kann auf vorhandenen Fahrwegen schweben, das er keine Teile des Antriebs im Fahrweg benötigt, wie z. B. der Transrapid. Die wenigen robusten Komponenten ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Elektrischen Lager Antrieb (ELA) nach den Oberbegriffen der Patentansprüche, wie sie aus den Offenlegungsschriften DE 3042497 und DE 4027706 bekannt sind. Bei diesen bekannten Elektroantrieben wird ein Rad durch ein elektrisch erzeugtes Magnetfeld berührungslos angetrieben (beschleunigt und gebremst), wobei der Spalt zwischen Primär- und Sekundärteil entweder axial oder radial ausgeführt ist. Radial getragen und axial geführt wird das Rad durch ein mechanisches Lager, das ggf. gefedert/gedämpft ist. Dabei sind Lager mit berührungsloser magnetischer Kopplung aus DE 1750602 und DE 3498047 bekannt. Mit magnetisch schwebenden Fahrzeugen (z.B. Maglev, Transrapid) wurde bewiesen, dass Tragen und Führen sowie Antreiben magnetisch, berührungslos, verfügbar, zuverlässig, wartbar und sicher für Fahrzeuge möglich ist.

Problem

Die bekannten magnetisch schwebenden Fahrzeuge benötigen einen Teil des Antriebs im Fahrzeug und den anderen im Fahrweg. Damit können diese Fahrzeuge nur auf speziellen Fahrwegen bewegt werden, die erhebliche Investitionen erfordern. So werden auch heute noch die meisten Land-Fahrzeuge konventionell auf Rädern bewegt. Die elektrischen Antriebssysteme für Fahrzeuge auf Rädern, insbesondere in Strassen- und Schienen-Kraftwagen, bestehen in der Regel aus den folgenden wesentlichen Komponenten:

  • 1. Elektrische Energiequelle (z.B. Batterie, Generator, Brennstoffzelle, Stromabnehmer)
  • 2. Elektrischer Sollwertgeber
  • 3. Elektrische Regelsysteme mit Mess- und Stelleinrichtungen
  • 4. Elektrische Kabel zur Energie- und Signalübertragung
  • 5. Elektrischer Antrieb zum Beschleunigen/Bremsen
  • 6. Mechanische Getriebe und Wellen zur Kraftübertragung
  • 7. Mechanische Lenkung zur freien Wahl des Weges auf der Fahrbahn
  • 8. Mechanische Federn mit Dämpfern zur Entkopplung von Fahrzeug und Fahrweg
  • 9. Mechanische Lager zum Tragen und Führen
  • 10. Mechanische Naben, Speichen und Felge
  • 11. Reifen mit optimalen Kraftschluss zur Fahrbahn

Insbesondere die mechanischen Komponenten sind in vielen Varianten verfügbar und erprobt. Getriebe und Wellen sind dabei oft bereits minimiert oder überflüssig (z.B. Radnabenantrieb, Linearantriebe gemäß obigen Patenten).

Benötigt werden viele mechanische Komponenten mit Verschleiß, Verlusten, Gewicht und Kosten.

Lösung

Der Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, die Vorteile des magnetischen Schwebens für Rad-Fahrzeuge auf unveränderten Fahrwegen zu erschließen. Dazu wird der erfindungsgemäße Elektrische Lager Antrieb ein rotierendes Rad auch bei Beaufschlagung mit dynamischen Störkräften zuverlässig, verfügbar und sicher sowie elektromagnetisch berührungslos führen, tragen und antreiben. Ein elektrisches Antriebssystem für Fahrzeuge auf Rädern besteht dann gemäß 1 nur noch aus den folgenden Komponenten:

  • 1. Elektrische Energiequelle (z.B. Batterie, Generator, Brennstoffzelle, Stromabnehmer)
  • 2. Elektrischer Sollwertgeber
  • 3. Elektrische Kabel zur Energie- und Signalübertragung
  • 4. Elektrischer Lager Antrieb mit Regelsystem zum Antreiben, Tragen und Führen
  • 5. Reifen mit optimalen Kraftschluss zur Fahrbahn

Für Energiequelle (E), Sollwertgeber (W), Kabel (K) und Reifen (R) können marktgängige Komponenten verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Elektrische Lager Antrieb besteht gemäß 1 aus einem Außenring (Rotor/Felge, ggf. mit Reifen) mit Sekundärteilen (S), einem Innenring (Stator/Welle, ggf. fest verbunden mit einem Fahrzeug) mit Primärteilen (P) und magnetischen Feldern (M) im Spalt zwischen Primär- und Sekundärteilen sowie Regelungen (C). Die erforderlichen Magnetfelder werden durch Permanentmagnete oder Strom durchflossene Leiter erzeugt. Die Ströme werden durch Regelungen dynamisch so eingestellt, dass der Stator radial und axial stabil im Rotor berührungslos schwebt und der Rotor Solldrehzahl erreicht und hält. Eine berührungslose Lenkung ist dabei vorgesehen. Die Regelungen in den Primärteilen sind über Kabel (K) mit der Energiequelle (E) und dem Sollwertgeber (W) verbunden. Falls Energie- und Informationsübertragungen zu den Sekundärteilen erforderlich sind, erfolgen sie berührungslos über den Spalt. Die Energie wird der Energiequelle entnommen oder zurückgespeist. Für Notfälle können ggf. zusätzliche Vorrichtungen vorgesehen sein (z.B. Notlaufwalzen (N)/Feststellbremse (F)).

Vorteil der Erfindung

Der erfindungsgemäße Elektrische Lager Antrieb (ELA) kann bei Radfahrzeugen mechanische Getriebe, Wellen, Lenkung, Federn/Dämpfer, Lager, Naben, Speichen und Felge ersetzen mit erheblicher Reduzierung des Gewichts, des Platzbedarfs, der Geräuschemissionen, der Umweltbelastung und der Entwicklungs-, Beschaffungs- und Betriebs-Kosten im Lebenszyklus. Bei Radfahrzeugen muss eine Ausführung nur für jede Reifenklasse (gegeben durch Abmessungen, Tragkräfte, Geschwindigkeiten) und nicht für jeden Fahrzeugtyp entwickelt und produziert werden. Einzel- und Allradantriebe mit ABS, ESP, etc. sowie weiteren Systemen (z.B. Automatisches Fahren) können absehbar einfacher realisiert werden. Vorhandene Fahrzeuge können umgerüstet werden und ein komplett neues Fahrzeug- und Rad-Design wird möglich. Abweichend von den bekannten Schwebefahrzeugen (z.B. Transrapid) müssen keine Antriebskomponenten im Fahrweg installiert sein, so dass die Vorteile des berührungslosen magnetischen gefedert/gedämpften Schwebens auf vorhandenen unveränderten Fahrwegen (z.B. Strasse, Schiene) genutzt werden können. Die zum Tragen und Führen benötigte zusätzliche elektrische Energie kann durch Permanentmagnete minimiert werden, sodass insgesamt ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden kann, insbesondere wenn nicht nur aus Brems- sondern zusätzlich auch aus Störkräften elektrische Energie generiert wird, die bisher in Reifen/Federn/Dämpfern verloren geht.

Beispiel auf Basis der Erfindung

Eine einfache beispielhafte Ausführung des Elektrischen Lager Antriebs für ein Fahrzeug mit Rad und Reifen ist gemäß 1 und 2 gegeben,

  • • mechanisch durch einen mit dem Fahrzeug fest verbundenen Stator der in einem sich drehenden Rotor berührungslos schweben kann. Dabei ist der kreisförmige Spalt zwischen Rotor und Stator zur berührungslosen Übertragung der axialen und radialen Kräfte in V-Form ausgeführt.
  • • elektrisch durch 8 gleichmäßig über den Radius (4) und die Achse (2) des Stators verteilte Primärteile (P1.1–4.2) (bestehend aus Blechpaketen mit Nuten, in die jeweils eine Drehstromwicklung eingelegt ist) und zwei Sekundärteilen (S1–2) (bestehend aus axialen verlustarmen Leitern, die tangential an den drei Ecken der V-Form verlustarm verbunden sind (ein Käfigläufer pro V-Fläche)), sodass sich 16 Wanderfelder zur Kompensation der mechanischen Kräfte ergeben. Die 8 Drehströme durch die 8 Primärteile werden dazu einzeln in Richtung, Stärke und Frequenz so geregelt, dass die Solldrehzahl erreicht und gehalten sowie der Spalt magnetisch berührungslos über den ganzen Radius gleich gehalten wird. Der Spaltabstand wird aus den Strom- und Spannungsverläufen identifiziert.

Die elektrodynamischen Magnetkräfte in diesem Ausführungsbeispiel stoßen den Rotor tangential, axial und radial ab. Die insgesamt auf den Rotor wirkende Kraft ergibt sich aus der Summe der 16 durch die Regelungen eingestellten Wanderfelder und deren Rückschlüssen im Rotor. Auch wenn ein Primärteil ausfällt ist die Funktion noch gegeben (Redundanz).


Anspruch[de]
Elektrischer Lager Antrieb bestehend aus einem feststehendem Innenring (Stator/Welle), einem um den Innenring rotierenden Außenring (Rotor/Felge) und einem magnetisch berührungslos gehaltenen Spaltabstand zwischen Innen- und Außenring, dadurch gekennzeichnet, dass

• der Innenring aus einem oder mehreren über den Ringumfang oder axial verteilten Primärteilen besteht, deren Wanderfelder in Stärke und Frequenz durch jeweils eine individuelle Folge-Regelung unabhängig voneinander eingestellt werden

• der Außenring aus einem oder mehreren über den Ringumfang oder axial aufgeteilten Sekundärteilen besteht

• der Spaltabstand und die Form des kreisrunden Spaltes optimal ist zur Übertragung radialer, tangentialer und axialer magnetischer Kräfte

• in der Spaltfläche die Magnetfelder mechanische Kräfte (tragen, führen, antreiben) kompensieren, die auch durch magnetische Kräfte eingebracht sein können

• eine Führungs-Regelung den Folge-Regelungen der einzelnen Primärteile die Sollwerte so vorgibt, dass der optimale Spaltabstand und der Sollwert der Drehzahl erreicht und gehalten wird

• die magnetischen Kräfte elektromagnetisch, -dynamisch oder permanentmagnetisch sind

• elektrische Energie in mechanische gewandelt wird oder umgekehrt
Anspruch 1 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass

• die Regelung ein Rad berührungslos magnetisch lenken kann

• der kreisrunde Spalt in axialer Richtung eine optimierte Form hat

• der Primärteil aus Permanentmagneten und/oder Blechpaketen mit Nuten besteht, in denen jeweils eine mindestens 3-phasige Stromwicklung eingelegt ist

• der Sekundärteil aus Permanentmagneten, Käfigleitern (asynchron) oder Leitern mit geregelten Erregerströmen (synchron) oder einer Kombination daraus besteht

• die Regelungen die Abweichungen von den Sollvorgaben über spezielle Sensoren messen oder aus Strom- und Spannungsverläufen identifizieren

• die Regelungen die Steifigkeit (Federung/Dämpfung) im Spalt einstellen

• die zur Korrektur notwendigen elektrischen Ströme aus der Energiequelle entnommen oder in die Energiequelle gespeist werden

• elektrische Energien und Informationen berührungslos zwischen Stator und Rotor ausgetauscht werden

• die Funktion auch noch gegeben sein kann, wenn einzelne Primärteile, Sekundärteile oder Regelungen ausfallen (Redundanz)
Anspruch 1–2 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mechanisch mit einem Fahrzeug und der Rotor mit einer Fahrbahn verbunden ist, sodass das Fahrzeug sich bei rotierendem Rotor über die Fahrbahn bewegt. Anspruch 1–3 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Körper im Spalt oder an der Außenseite des Rotors/Felge/Reifen für spezifische Betriebsfälle oder zur Sicherung (bremsen, anfahren, Notlaufen) vorgesehen sind Anspruch 1–4 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung mechanische oder magnetische Teile des Lagers, die nicht zur Kompensation der mechanischen oder magnetische Kräfte benötigt werden entfallen können.






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