DE4318949C1 - Elektrische Maschine mit mindestens einer Kupplung - Google Patents

Elektrische Maschine mit mindestens einer Kupplung

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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.
Vergleichsbeispiel
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%).
Erfindung
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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