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Title:
SYSTEM FOR ACTIVELY REDUCING ROTATIONAL NON-UNIFORMITY OF A SHAFT, IN PARTICULAR THE DRIVE SHAFT OF AN INTERNAL-COMBUSTION ENGINE, AND METHOD OF OPERATING THE SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1997/008438
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a system for actively reducing rotational non-uniformity of a shaft (10), in particular the drive shaft of an internal-combustion engine or a shaft which is coupled, or can be coupled, to the drive shaft. The system includes at least one electrical machine (4) which is coupled, or can be coupled, to the shaft, the electrical machine (4) being controlled in such a way that it generates a rapidly varying torque designed to reduce rotational non-uniformity and superimpose on this torque a positive or negative torque designed to produce, in addition, a driving action or a braking or generating action, respectively. The invention also concerns a method of actively reducing rotational non-uniformity using the system.

Inventors:
MASBERG ULLRICH (DE)
PELS THOMAS (DE)
ZEYEN KLAUS-PETER (DE)
GRUENDL ANDREAS (DE)
HOFFMANN BERNHARD (DE)
Application Number:
PCT/DE1996/001618
Publication Date:
March 06, 1997
Filing Date:
August 31, 1996
Export Citation:
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Assignee:
CLOUTH GUMMIWERKE AG (DE)
GRUENDL & HOFFMANN (DE)
MASBERG ULLRICH (DE)
PELS THOMAS (DE)
ZEYEN KLAUS PETER (DE)
GRUENDL ANDREAS (DE)
HOFFMANN BERNHARD (DE)
International Classes:
B60K6/485; B60L7/28; B60L50/16; B60W10/08; B60W20/00; F02B75/06; F02N11/04; F16F15/18; G05D19/02; H02K49/02; H02P7/00; H02P15/00; H02P29/00; B60K17/22; (IPC1-7): F02B75/06; H02P7/00
Domestic Patent References:
WO1995002758A11995-01-26
Foreign References:
EP0354790A21990-02-14
DE4423577A11995-08-31
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 013, no. 335 (M - 856) 27 July 1989 (1989-07-27)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 013, no. 484 (M - 886) 2 November 1989 (1989-11-02)
None
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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.
4. 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 AntiSchlupfRegelung 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 ZusatzDreh¬ moment gewonnene Energie (ZusatzdrehmomentBremsen¬ ergie) wenigstens teilweise gespeichert wird und die gespeicherte DrehungleichförmigkeitsBremsenergie 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 GetriebeSynchronisiereinrichtung 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 112 verwendet wird.
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/cm 3 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 kgm 2 . 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.