DE4318949C1 - Elektrische Maschine mit mindestens einer Kupplung - Google Patents
Elektrische Maschine mit mindestens einer KupplungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit mindestens einer
integrierten Kupplung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Maschine dieser Art ist Bestandteil des
nachstehend beschriebenen Fahrzeugs.
Im Zusammenhang mit den Bemühungen zur Verminderung des spezifischen
Kraftstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen ist ein Fahrzeug mit
Hybridantrieb bekanntgeworden, das einen Verbrennungsmotor und einen
herkömmlichen mechanischen Antriebsstrang mit Schaltgetriebe aufweist,
wie dies schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, vgl. DE-Z "mot. TECHNIK" (17/92 S. 93/94). Zwischen
Verbrennungsmotor 6 und Getriebe 7 ist eine elektrische Maschine
angeordnet, die als Asynchronmaschine ausgebildet und wahlweise als
Elektromotor (für den Fahrzeugantrieb oder zum Anlassen des
Verbrennungsmotors 6) oder als elektrischer Generator betreibbar ist. In
axialer Richtung gesehen sind außen an den einander gegenüberliegenden
Seiten des innenliegenden Rotors 1 dieser elektrischen Maschine zwei
schaltbare Kupplungen 3, 4 zur Drehmomentübertragung angeordnet. Der
Stator 2 dieser elektrischen Maschine liegt radial außen und ist
leitungsmäßig mit einer elektrischen Batterie 5 zur Übertragung von
Antriebsenergie verbindbar.
Der Rotor 1 hat eine Doppelfunktion, da er auch als Schwungscheibe für
den Verbrennungsmotor 6 arbeitet. Zu diesem Zweck wird in entsprechenden
Betriebsphasen die dem Verbrennungsmotor 6 zugewandte Kupplung 3 der
elektrischen Maschine eingeschaltet, so daß zwischen der Kurbelwelle 8a
des Verbrennungsmotors 6 und dem Rotor 1 eine drehfeste Verbindung
besteht. Um mechanische Antriebsenergie über die Welle 8b zum Getriebe 7
hin zu übertragen, wird auch die Kupplung 4 eingeschaltet. In
Betriebsphasen, in denen ein rein elektrischer Antrieb durch Entnahme
von Strom aus der Batterie 5 erfolgen soll, wird die dem
Verbrennungsmotor 6 zugewandte Kupplung 3 geöffnet und allein die andere
Kupplung 4 eingeschaltet. Dieser Schaltzustand der Kupplungen 3, 4 kann
auch in Phasen bestehen, in denen das Fahrzeug abgebremst wird, indem
die elektrische Maschine als Generator betrieben und die Batterie 5
dabei geladen wird. Zur Verstärkung des Bremseffektes kann dabei aber
auch die erste Kupplung 3 eingeschaltet werden, so daß der
Verbrennungsmotor 6 ebenfalls bremsend wirkt.
Durch das direkte Anflanschen der Kupplungen 3, 4 an die Stirnseiten des
Rotors 1 wird bereits eine relativ kompakte Bauweise erreicht. Ein
Nachteil dieser bekannten Lösung liegt insbesondere darin, daß die
Leistung und das maximale Drehmoment der elektrischen Maschine erheblich
kleiner ist als die entsprechenden Werte des Verbrennungsmotors 6.
Dieser Hybridantrieb läßt daher in Phasen des rein elektrischen Betriebs
nur sehr bescheidene Fahrleistungen zu. Zur Ableitung der in Wärme
umgewandelten Verlustleistung ist eine Luftkühlung vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße elektrische Maschine
dahingehend zu verbessern, daß sie bei in axialer Richtung möglichst
noch kompakterer Bauweise ein wesentlich höheres Drehmoment und eine
höhere Leistungsdichte ermöglicht und dabei eine hohe
Funktionssicherheit gewährleistet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen 2 bis 12 angegeben.
Anhand der Figuren wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Antriebsschema für einen bekannten Hybridantrieb,
Fig. 2 ein Antriebsschema für einen Hybridantrieb mit
erfindungsgemäßer elektrischer Maschine,
Fig. 3 eine abgewandelte Ausführung der elektrischen Maschine gemäß
Fig. 2 und
Fig. 4 einen Detailausschnitt aus einem Rotor der erfindungsgemäßen
elektrischen Maschine.
Die Funktionsweise des bekannten Hybridantriebs gemäß Fig. 1 wurde
eingangs bereits im einzelnen erläutert. Das in Fig. 2 dargestellte
Antriebsschema arbeitet im Grundsatz weitgehend gleich, so daß
nachfolgend im wesentlichen nur auf die Unterschiede näher eingegangen
wird. Funktionsgleiche Teile sind in den Fig. 2-4 jeweils mit
denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1.
Im Unterschied zu Fig. 1 ist die wahlweise als Elektromotor oder als
elektrischer Generator betreibbare elektrische Maschine gemäß Fig. 2
als Außenläufermaschine ausgebildet, weist also einen außenliegenden
Rotor 1 von im wesentlichen zylindrischer Form auf. Es handelt sich um
eine Synchronmaschine mit elektronischer Kornmutierung. Im Inneren des
Rotors 1 ist der Stator 2 angeordnet, der mit nicht einzeln
dargestellten elektrischen Wicklungen bestückt ist. Der Rotor 1 ist in
entsprechender Weise mit Permanentmagneten bestückt. Die elektronische
Kommutierung für die Stromversorgung des Stators 2 ist nicht gesondert
dargestellt. Zwischen den beiden Funktionsteilen (Rotor 1, Stator 2) des
Elektromotors verbleibt ein zylindermantelförmiger Luftspalt 9. Diese
Bauweise erlaubt sehr hohe Drehmomente, da der Luftspalt 8 sehr weit
nach außen verlagert werden kann. Der Rotor 1 weist ähnlich einem
Fahrzeugrad ein im Querschnitt teilweise eingezogenes Nabenteil 1a auf,
das in dem Stator 2 gelagert ist und ein Funktionsteil der schaltbaren
Kupplung 4 selbst bildet oder mit diesem Funktionsteil fest verbunden
ist. Das andere Funktionsteil der Kupplung 4 ist mit der zum Getriebe 7
führenden Welle 8b verbunden. Die Kupplung 4 ist in das Nabenteil 1a des
Rotors 1 von außen koaxial eingelassen und liegt damit gleichzeitig auch
innerhalb des Stators 2. Vorzugsweise ragt die Kupplung 4 nicht oder nur
unwesentlich über die stirnseitige Begrenzungsfläche der Kontur des
Stators 2 und entsprechend auch des Rotors 1 hinaus. Dadurch wird in
axialer Richtung eine äußerst kompakte Bauweise gewährleistet. Für viele
Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, in der Kupplung (nicht dargestellte)
Einrichtungen zur Drehschwingungsdämpfung vorzusehen.
Die Bestückung der elektrischen Maschine mit lediglich einer Kupplung
stellt bereits eine für manche Anwendungsfälle brauchbare
Ausführungsform der Erfindung dar. In Fällen, die wie das Beispiel des
Hybridantriebs gemäß Fig. 2 eine zweite Kupplung (Kupplung 3)
erfordern, wird auch diese in entsprechender Weise innerhalb des Stators
2 untergebracht. Zu diesem Zweck ist mit dem Nabenteil 1a des Rotors 1
ein zweites Nabenteil 1b verbunden, das gleichzeitig ein Funktionsteil
der schaltbaren Kupplung 3 bildet oder aber mit einem Funktionsteil der
Kupplung 3 fest verbunden ist. Das zweite Funktionsteil der Kupplung 3
ist drehfest mit der Kurbelwelle 8a verbunden. Beide Kupplungen 3, 4 sind
vorzugsweise vollständig in das Volumen des Stators 2 bzw. des Rotors 1
eingelassen, so daß die axiale Baulänge extrem kurz gehalten werden
kann.
Als Kupplungen 3, 4 eignen sich unterschiedliche Typen, wie
beispielsweise Lamellenkupplungen oder hydraulisch oder pneumatisch
betätigte Trockenkupplungen. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz
elektrisch betätigter Magnetpulverkupplungen. Unabhängig von der Art der
Kupplung empfiehlt es sich, das Ein- und Ausschalten automatisiert
durchzuführen.
Die Bauweise als Außenläufermaschine mit Permanentmagneterregung
gewährleistet hohe Drehmomente und hohe Leistung bei vergleichsweise
sehr kompakten Abmessungen. Außerdem kann der Rotor 1 in bekannter Weise
als Schwungscheibe für den Verbrennungsmotor 6 genutzt werden, wobei die
Schwungmasse erheblich besser zur Wirkung kommt als beim Stand der
Technik, da sie auf einem Zylindermantel mit größerem Radius angeordnet
ist. Zur Ableitung der durch die Verlustleistung in den Wicklungen des
Stators 2 entstehenden Wärme wird zweckmäßigerweise eine
Flüssigkeitskühlung (nicht dargestellt) vorgesehen, die im Vergleich zu
einer Luftkühlung effektiver arbeitet und eine kompaktere Bauweise
erlaubt.
Eine gegenüber der Fig. 2 abgewandelte Ausführungsform der Erfindung mit
wiederum zwei Kupplungen 3, 4 ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei sind
die Kupplungen 3, 4 axial unmittelbar hintereinander angeordnet und sind
beide von derselben Seite in den Stator 2 eingelassen, der hier eine
topfartige Gehäuseform aufweist. Diese Bauweise, die in ihrer
grundsätzlichen Funktion völlig derjenigen gemäß Fig. 2 entspricht, hat
den großen Vorteil, daß die Betätigungsorgane für die Kupplungen von der
Getriebeseite her angeschlossen werden können und ein unmittelbares
Anflanschen an die Motorkurbelwelle ohne Belassung eines axialen
Zwischenraums möglich ist. Der Luftspalt 9 wird an der dem Getriebe 7
zugewandten Seite von dem gehäuseartigen Nabenteil 1a abgedichtet
übergriffen. Dadurch kann staubförmiger Abrieb von den Kupplungen 3, 4,
der unter Umständen ferromagnetische Bestandteile enthalten könnte,
nicht einfach zu den Permanentmagneten des Rotors 1 gelangen und sich
dort im Bereich des Luftspaltes 8 ablagern und ggf. zu Störungen führen.
Er müßte schon um das Rotorgehäuse außen herumwandern, um auf der dem
Verbrennungsmotor 6 zugewandten Seite in den Luftspalt 9 einzudringen.
Um in dieser Hinsicht im Bedarfsfall eine noch größere Sicherheit gegen
Störungen zu erlangen, kann es zweckmäßig sein, wie in Fig. 4
dargestellt, zwischen den Permanentmagneten 12 und dem Nabenteil 1a
einen gegenüber dem Luftspalt 9 abgedichteten ringförmigen Sammelraum 10 zu schaffen,
der durch mehrere Öffnungen 11 in dein Nabenteil 1a an der dem Getriebe 7
zugewandten Seite zugänglich ist und in mehrere separate Sammelräume
unterteilt sein kann. Wenn nun ferromagnetischer Abrieb aus den
Kupplungen 3, 4 an der Getriebeseite nach außen austreten sollte, müßte
dieser an dem Nabenteil 1a entlang nach außen wandern. Bevor er den
Außenumfang erreicht hat, würde er die Öffnungen 11 passieren müssen und
würde dabei durch die Permanentmagnete 12 gleichsam "angesaug" und in
dem Sammelraum 10 magnetisch festgehalten, ohne daß Schaden entstehen
könnte.
Die Ausführungsform der Erfindung mit permanenterregter Synchronmaschine
hat noch einen weiteren wichtigen Vorteil gegenüber der bekannten
Ausführung mit Asynchronmaschine. Letztere sind sehr empfindlich gegen
Veränderungen des Luftspalts, der im Bereich 0,1-0,2 mm liegen muß, um
eine effektive Wirkungsweise zu gewährleisten. Im Falle von Abweichungen
ist mit erheblichen Wirkungsgradeinbußen zu rechnen. Dies führt dazu,
daß Asynchronmaschinen (bei direkter Anflanschung an die Kurbelwelle)
sehr empfindlich sind gegenüber dem jeweils vorliegenden
Kurbelwellenspiel des Verbrennungsmotors. Wenn hohe Wirkungsgrade
gewährleistet werden sollen, müssen daher aufwendige Zusatzmaßnahmen für
eine Lagerung mit entsprechend engen Toleranzen getroffen werden. Im
Falle des Einsatzes von Synchronmaschinen ist ein solcher Zusatzaufwand
dagegen nicht erforderlich.
Die Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgenden Beispiele
weiter verdeutlicht.
Ein Fahrzeug mit Hybridantrieb gemäß Fig. 1 weist als Antriebsaggregat
einen Dieselmotor von 55 kW Leistung mit einem maximalen Drehmoment von
110 Nm auf. Der Durchmesser der elektrischen Asynchronmaschine
(Motor/Generator) beträgt etwa 250 mm und die axiale Baulänge ca. 85 mm.
Bei diesen Abmessungen liegt die elektrische Leistung (2000 min-1) bei 7
kW und das maximale Dauerdrehmoment beträgt ca. 33 Nm. Für den rein
elektrischen Fahrbetrieb resultieren daraus entsprechend bescheidene
Fahrleistungen im Vergleich zum Verbrennungsmotorbetrieb (Leistung max.
13%, Drehmoment max. 30%).
Unter Zugrundelegung desselben Verbrennungsmotors hat eine zweckmäßige
Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 eine elektrische
Synchronmaschine mit Permanentmagneterregung und mit einem Durchmesser
von 320 mm und einer axialen Baulänge von 147 mm. Die maximale Leistung
(1800 min-1) beträgt 25 kW und das maximale Drehmoment 400 Nm. Im
Vergleich zum Beispiel gemäß Fig. 1 liegt die Leistung also um 260%
und das Maximaldrehmoment sogar um 1100% höher, obwohl die Abmessung
der Maschine nur vergleichsweise wenig angewachsen sind (Durchmesser um
28%, Baulänge um 73%). Hinzu kommt als Vorteil die verbesserte
Schwungradwirkung für den Verbrennungsmotor aufgrund der
Außenläuferbauweise. Insbesondere der erhebliche Zuwachs des Drehmoments
bringt wesentliche Vorteile mit sich, wenn der Elektromotor als Anlasser
für den Verbrennungsmotor arbeiten soll.
Claims (12)
1. Elektrische Maschine, die wahlweise als Motor und als Generator
betreibbar und insbesondere in den Antriebsstrang eines
Kraftfahrzeuges mit Hybridantrieb einbaubar ist, mit einem Stator
(2) und einem Rotor (1) von im wesentlichen zylindrischer Form und
einem zwischen Stator (2) und Rotor (1) befindlichen
zylindermantelförmigen Luftspalt (9) sowie mit mindestens einer
integrierten schaltbaren Kupplung (3, 4) zur Drehmomentübertragung,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (1) außen angeordnet (Außenläufermaschine) ist und
daß die Kupplung (3 oder 4) innerhalb des innenliegenden Stators
(2) angeordnet ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie als Synchronmaschine mit elektronischer Kommutierung
ausgebildet ist und daß der Rotor (1) mit einer Vielzahl von
Permanentmagneten (12) bestückt ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Kupplungen (3, 4) vorgesehen sind, die in axialer Richtung
einander gegenüberliegend im Bereich der Stirnseiten des Stators
(2) angeordnet sind.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Kupplungen (3, 4) vorgesehen sind, daß der Stator (2) eine
im wesentlichen topfartige Gehäuseform aufweist und beide
Kupplungen (3, 4) axial unmittelbar hintereinander in dem
topfartigen Gehäuse angeordnet sind.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupplungen (3, 4) elektrisch betätigt werden.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupplungen (3, 4) als Magnetpulverkupplungen ausgebildet
sind.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupplungen (3, 4) als Lamellenkupplungen oder als
hydraulisch oder pneumatisch betätigte Trockenkupplungen
ausgebildet sind.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine der Kupplungen (3, 4) mit
Torsionsdämpfungselementen ausgestattet ist.
9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Betätigung der Kupplungen (3, 4) automatisiert ist.
10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupplungen (3, 4) in der Weise in dem Stator (2) integriert
sind, daß sie in axialer Richtung nicht oder nur unwesentlich über
die stirnseitige Kontur des Stators (2) und des Rotors (1)
hinausragen.
11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Flüssigkeitskühlung zur Ableitung der in der Maschine
entstehenden Wärmeverluste vorgesehen ist.
12. Elektrische Maschine nach Anspruch 2 und Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (1) mit einem gehäuseartigen Nabenteil (1a) auf der
der offenen Seite des topfartigen Statorgehäuses zugewandten Seite
den Luftspalt (9) nach außen abdichtend übergreift, daß zwischen
den Stirnseiten der Permanentmagnete (12) und dem gehäuseartigen
Nabenteil (1a) mindestens ein Sammelraum (10) gebildet ist und
die zum Luftspalt (9) hin dicht abgeschlossen sind, und daß in dem
gehäuseartigen Nabenteil (1a) einzelne Durchtrittsöffnungen (11) zu
dem mindestens einen Sammelraum (10) vorgesehen sind.
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