DE10015912A1 - Electrically-operated clutch for automobile drive train provided by electrical machine with rotor component and winding component - Google Patents
Electrically-operated clutch for automobile drive train provided by electrical machine with rotor component and winding componentInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung zum Öffnen und Schließen eines Antriebsstrangs, wobei die Kupplung einer Kraftmaschine nachgeschaltet und mit einer Abtriebswelle der Kraftmaschine verbunden werden kann. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Antriebsanordnung mit einem Antriebsstrang, der eine Kraft maschine aufweist.The present invention relates to a clutch for opening and closing a Powertrain, with the clutch downstream of an engine and with an output shaft of the engine can be connected. Furthermore concerns The invention is a drive assembly with a drive train that has a force has machine.
Kupplungen sind bereits seit langem bekannt. Beispielsweise werden sie in Kraft fahrzeugen wie Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen oder dergleichen einge setzt. Üblicherweise sind die Kupplungen bei einer solchen Verwendungsvariante zwischen einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Kraftmaschine und einem Getriebe angeordnet. Die Kupplungen sind sowohl mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, die Kurbelwelle genannt wird, als auch mit der Getriebe eingangswelle verbunden. Bei Betätigung der Kupplung wird der Antriebsstrang geöffnet oder geschlossen, etwa dann, wenn das Getriebe in einen anderen Gang hoch- oder runtergeschaltet werden soll.Couplings have been known for a long time. For example, they will be in effect vehicles such as passenger cars, commercial vehicles or the like puts. The couplings are usually in such a variant of use between an internal combustion engine and a Gear arranged. The clutches are both with the output shaft of the Internal combustion engine, which is called crankshaft, as well as with the transmission input shaft connected. When the clutch is actuated, the drive train opened or closed, such as when the transmission is in a different gear to be shifted up or down.
Derartige Kupplungen sind beispielsweise als Reibungskupplung ausgebildet. Rei bungskupplungen übertragen ein Drehmoment des Verbrennungsmotors kraft schlüssig durch Reibungskräfte auf das Getriebe. Sie können ein oder mehrere Kupplungsscheiben aufweisen, über die das Drehmoment vom Kupplungs schwungrad und einer Kupplungsdruckplatte auf die Getriebeeingangswelle über tragen wird. Zur Unterbrechung des Kraftflusses zwischen Verbrennungsmotor und Wechselgetriebe ist ein entsprechender Ausrücker vorgesehen.Such clutches are designed, for example, as a friction clutch. Rei Exercise clutches transmit a torque of the internal combustion engine conclusive due to frictional forces on the gearbox. You can have one or more Have clutch discs over which the torque from the clutch flywheel and a clutch pressure plate on the transmission input shaft will wear. To interrupt the flow of power between the combustion engine and change gear a corresponding release is provided.
Im Zuge der Entwicklungen in der Automobilindustrie gehen die Tendenzen dahin, daß Antriebsanordnungen für Fahrzeuge immer kompakter ausgebildet werden. Gleichzeitig werden die Antriebsanordnungen um immer neue, zusätzliche Kom ponenten erweitert.In the course of developments in the automotive industry, the tendencies are that drive arrangements for vehicles are becoming increasingly compact. At the same time, the drive arrangements are always new, additional Kom components expanded.
Bei einer Art solcher Komponenten handelt es sich beispielsweise um elektrische Maschinen, die in der Antriebsanordnung unterschiedliche Funktionen überneh men können. Derartige elektrische Maschinen sind unter anderem Synchronma schinen zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die erzeugte elektrische Energie kann dann verschiedensten Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden.One type of such component is, for example, electrical Machines that perform different functions in the drive arrangement can. Such electrical machines include Synchronma machines for generating electrical energy. The electrical energy generated can then be made available to a wide variety of consumers.
Eine mögliche Form solcher elektrischer Maschinen ist beispielsweise der soge nannte Kurbelwellen-Starter-Generator, der in Verbindung mit einer entsprechen den Kupplung im Antriebsstrang von Personenkraftfahrzeugen integriert ist. Bei einem Kurbelwellen-Starter-Generator handelt es sich beispielsweise um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, die zwischen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und einer herkömmlichen Reibungskupplung im Antriebs strang integriert ist. Mit Hilfe des Kurbelwellen-Starter-Generators kann zum ei nen der Verbrennungsmotor gestartet werden. Weiterhin kann dieser im Fahrbe trieb als Generator arbeiten, also Starter und Generator im Kraftfahrzeug erset zen. A possible form of such electrical machines is, for example, the so-called called crankshaft starter generator, which in conjunction with a match the clutch is integrated in the drive train of passenger vehicles. At a crankshaft starter generator, for example, is a permanent magnet synchronous machine, which is between the crankshaft of the Internal combustion engine and a conventional friction clutch in the drive strand is integrated. With the help of the crankshaft starter generator can ei the internal combustion engine is started. Furthermore, this can be in the Fahrbe drive worked as a generator, so starter and generator in the motor vehicle replaced Zen.
Wenn der Antriebsstrang des Fahrzeugs, in dem sich der Kurbelwellen-Starter- Generator befindet, geöffnet oder geschlossen werden soll, erfolgt dies über die herkömmliche Kupplung, beispielsweise eine Reibungskupplung, eine Trocken kupplung oder dergleichen.If the drive train of the vehicle in which the crankshaft starter is located Generator is to be opened or closed, this is done via the conventional clutch, for example a friction clutch, a dry clutch or the like.
Eine andere Lösung für eine in einem Antriebsstrang verwendete elektrische Ma schine ist in der EP-A 0 706 462 beschrieben. In dieser Druckschrift ist eine An triebsanordnung für ein Hybridfahrzeug offenbart. Die Antriebsanordnung weist neben einem herkömmlichen Verbrennungsmotor eine für den elektrischen An trieb des Fahrzeugs ausgebildete elektrische Maschine in Außenläuferbauweise auf. Der Stator dieser elektrischen Maschine ist mit dem Gehäuse des Verbren nungsmotors fest verbunden, während der Rotor an die Getriebeeingangswelle gekoppelt ist. Weiterhin ist in der Antriebsanordnung eine Kupplung vorgesehen, die eine schaltbare Drehmomentübertragungsverbindung zwischen der Kurbelwel le des Verbrennungsmotors und der Getriebeeingangswelle herstellt.Another solution for an electrical measure used in a powertrain Schine is described in EP-A 0 706 462. In this publication there is an An Drive arrangement for a hybrid vehicle disclosed. The drive arrangement has in addition to a conventional internal combustion engine, one for the electrical type Drive the vehicle trained electrical machine in external rotor design on. The stator of this electrical machine is cremated with the housing tion motor firmly connected, while the rotor to the transmission input shaft is coupled. Furthermore, a clutch is provided in the drive arrangement, which is a switchable torque transmission connection between the crankshaft le of the internal combustion engine and the transmission input shaft.
Bei beiden vorstehend beschriebenen Lösungen ist es erforderlich, daß neben der elektrischen Maschine jeweils eine zusätzliche Kupplung, beispielsweise in Form einer Reibungskupplung, einer Trockenkupplung oder dergleichen, eingesetzt werden muß. Solche Kupplungen erzeugen jedoch beim Einkuppeln Verluste. So fern die Kupplung der elektrischen Maschine nach- beziehungsweise vorgeschal tet ist, erfordert dies darüber hinaus einen erhöhten Bedarf an Bauraum. Insbe sondere im Automobilsektor steht für die einzelnen Antriebskomponenten in zu nehmendem Maße ein immer geringerer Bauraum zur Verfügung, so daß das Be dürfnis besteht, die einzelnen Antriebskomponenten möglichst kompakt und platzsparend im Antriebsstrang zu plazieren.In both solutions described above, it is necessary that in addition to the electrical machine each have an additional clutch, for example in the form a friction clutch, a dry clutch or the like, used must become. However, such couplings generate losses when engaging. Like this far the coupling of the electrical machine upstream or downstream tet, this also requires an increased space requirement. In particular In the automotive sector in particular, the individual drive components are entitled to Increasingly less space available, so that the loading There is a need for the individual drive components to be as compact and as possible to be placed in the drive train to save space.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung zum Öffnen und Schließen eines Antriebsstrangs sowie eine verbesserte Antriebsan ordnung bereitzustellen, mit der die beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll eine optimierte Kupplung beziehungsweise eine optimierte Antriebsanordnung geschaffen werden, mit der neben einer erzielbaren Platzersparnis auch verschiedene Komponenten und Nebenaggregate in einem Antriebsstrang herkömmlicher Bauform ersetzt und deren Funktionen in einer ein zigen Maschine integriert werden können.The present invention is therefore based on the object of a clutch Opening and closing a powertrain as well as an improved powertrain Provide order with which the disadvantages described are avoided can. In particular, an optimized clutch or an optimized one Drive arrangement can be created with which in addition to an achievable Space saving also different components and auxiliary units in one Drive train of conventional design replaced and their functions in one machine can be integrated.
Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch eine Kupplung zum Öffnen und Schließen eines Antriebsstrangs, wobei die Kupplung einer Kraftmaschine nachgeschaltet und mit einer Abtriebswelle der Kraftmaschi ne verbunden werden kann. Die Kupplung ist erfindungsgemäß dadurch gekenn zeichnet, daß die Kupplung als elektromotorische Kupplung in Form einer elektri schen Maschine ausgebildet ist, daß die elektromotorische Kupplung eine rotie rende oder rotierbare Rotorkomponenten und eine rotierende oder rotierbare Wicklungskomponente aufweist und daß eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Rotorkomponente und der Wicklungs komponente vorgesehen ist.According to the first aspect of the invention, this object is achieved by a Clutch for opening and closing a drive train, the clutch downstream of an engine and with an output shaft of the engine ne can be connected. The clutch is characterized according to the invention records that the clutch as an electromotive clutch in the form of an electri rule machine is designed that the electromotive clutch a rotie rende or rotatable rotor components and a rotating or rotatable Has winding component and that a control device for control the relative speed between the rotor component and the winding component is provided.
Mit Hilfe einer solchen erfindungsgemäßen Kupplung können verschiedenartigste Antriebsstränge geöffnet beziehungsweise geschlossen werden, so daß die Erfin dung nicht auf bestimmte Antriebsstrangtypen oder bestimmte Verwendungen solcher Antriebsstränge beschränkt ist. Beispielsweise kann die erfindungsgemä ße Kupplung in Antriebssträngen von Maschinen, Fahrzeugen wie Landfahrzeu gen, Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen oder dergleichen vorgesehen sein. Vor zugsweise kann die erfindungsgemäße Kupplung in einem Antriebsstrang für Kraftfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge und dergleichen einge setzt werden. Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft an Hand eines An triebsstrangs für einen Personenkraftwagen beschrieben, ohne daß der Umfang der Erfindung jedoch auf dieses konkrete Beispiel beschränkt wäre.With the aid of such a coupling according to the invention, a wide variety of different can Powertrains are opened or closed, so that the inven not to certain drivetrain types or specific uses such drive trains is limited. For example, the Coupling in drive trains of machines, vehicles such as land vehicles gene, aircraft, watercraft or the like may be provided. Before preferably the clutch according to the invention in a drive train for Motor vehicles such as passenger cars, commercial vehicles and the like be set. In the following, the invention is exemplified using an An Drive train for a passenger car described without the scope However, the invention would be limited to this specific example.
In dem Antriebsstrang ist zunächst eine Kraftmaschine vorgesehen, der die erfin dungsgemäße Kupplung nachgeschaltet ist. Wiederum ist die Erfindung nicht auf bestimmte Formen von Kraftmaschinen beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung grundsätzlich mit jeder Form von Maschine realisiert werden, der - meist über eine Abtriebswelle - technische Arbeit entnommen werden kann. In der Kraftma schine wird diese technische Arbeit aus einer anderen Energieform erzeugt. Bei spiele für geeignete Kraftmaschinen sind unter anderem Dampfturbinen, Wasser turbinen, Windkraftanlagen, Verbrennungsmotoren und dergleichen. Zur Verdeut lichung wird die Erfindung nachfolgend an Hand einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Kraftmaschine erläutert. Dabei ist die Erfindung jedoch nicht auf dieses konkrete Beispiel beschränkt. Wenn als Kraftmaschine ein Verbrennungs motor verwendet wird, handelt es sich bei der Abtriebswelle der Kraftmaschine in der Regel um die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors.In the drive train, an engine is initially provided, which inventions proper coupling is connected downstream. Again, the invention is not based on certain forms of engine are restricted. Rather, the invention can basically be realized with any form of machine that - mostly via an output shaft - technical work can be removed. In the Kraftma This technical work is created from a different form of energy. At Games for suitable engines include steam turbines, water turbines, wind turbines, internal combustion engines and the like. To clarify Lichung the invention is based on an internal combustion engine trained engine explained. However, the invention is not based on this limited this concrete example. If a combustion engine motor is used, it is the output shaft of the engine in usually around the crankshaft of the internal combustion engine.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, daß die Kupp lung zum Öffnen und Schließen des Antriebsstrangs als sogenannte elektromoto rische Kupplung ausgebildet ist. Diese elektromotorische Kupplung liegt in Form einer elektrischen Maschine vor. Elektrische Maschinen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, bestehen aus einem feststehenden Teil, der Stator ge nannt wird, und einem umlaufenden Teil, der Rotor genannt wird. Im Unterschied zu solchen bekannten elektrischen Maschinen weist die elektromotorische Kupp lung eine Rotorkomponente und eine Wicklungskomponente auf, wobei beide Komponenten rotieren oder rotierbar sind. Derjenige Teil der als elektromotori sche Kupplung ausgebildeten elektrischen Maschine, der bei herkömmlichen E lektroantrieben den Stator bildet, rotiert nun ebenfalls, weshalb er nicht mehr als "Stator" sondern als "Wicklungskomponente" bezeichnet wird. Die Wicklungs komponente zeigt jedoch einen ähnlichen Aufbau wie der Stator bei einer her kömmlichen elektrischen Maschine, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird.A basic idea of the present invention is that the dome to open and close the drive train as a so-called electric motor is designed coupling. This electromotive clutch is in shape an electrical machine. Electrical machines as they are from a standing start the technology are known consist of a fixed part, the stator ge is called, and a rotating part, which is called rotor. The difference the electromotive coupling points to such known electrical machines a rotor component and a winding component, both of which Components rotate or are rotatable. That part of the as an electric motor cal coupling trained electrical machine, which in conventional E electric drives form the stator, now also rotates, which is why it no more than "Stator" but is referred to as "winding component". The winding However, component shows a similar structure to the stator in one conventional electrical machine, as in the further course of the description is explained in more detail.
Da nunmehr beide Komponenten der elektromotorischen Kupplung rotieren, müs sen bei der Steuerung der elektromotorischen Kupplungen beide Drehzahlen, nämlich die der Rotorkomponente und die der Wicklungskomponente, berücksich tigt und geregelt werden. Dies erfolgt in der Steuereinrichtung. Die Steuereinrich tung hat die Funktion, die Relativgeschwindigkeit zwischen der Rotorkomponente und der Wicklungskomponente zu steuern. Über die Regelung der Relativdrehzahl können verschiedene Funktionen der elektromotorischen Kupplung ausgeführt werden.Now that both components of the electromotive clutch rotate, must both speeds when controlling the electric motor clutches, namely that of the rotor component and that of the winding component be regulated and regulated. This takes place in the control device. The tax institution tion has the function, the relative speed between the rotor component and to control the winding component. Regulating the relative speed can perform various functions of the electromotive clutch become.
Durch die erfindungsgemäße Kupplung wird es möglich, daß diese - neben ihrer eigentlichen Kupplungsfunktion - zusätzlich auch die bisher einem Kurbelwellen- Starter-Generator vorbehaltenen Starterfunktionen, Generatorfunktionen und Dämpferfunktionen übernehmen kann. Die einzelnen Funktionen können ohne eine zusätzliche Energieversorgung ausgeführt werden. Wenn die elektromotori sche Kupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, kann sie für eine vollständige mechanische Entkopplung einer nachgeschalteten Kompo nente, etwa einem Getriebe, vom Verbrennungsmotor sorgen, was nicht zuletzt den Fahrkomfort steigert.The clutch according to the invention makes it possible for this - in addition to its actual clutch function - in addition also the previously a crankshaft Starter functions reserved for starter-generator, generator functions and Can take over damper functions. The individual functions can be done without an additional energy supply can be carried out. If the electric motor cal clutch is used in the drive train of a motor vehicle, it can for a complete mechanical decoupling of a downstream compo components, such as a gearbox, from the internal combustion engine, not least increases driving comfort.
Im Hinblick auf die Kupplungsfunktion kann durch die erfindungsgemäße Kupp lung erreicht werden, daß eine Drehmomentübertragung über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors sicher gewährleistet ist. Weiterhin kann bei entsprechender Einstellung der Relativdrehzahl zwischen Rotorkompo nente und Wicklungskomponente der Kraftfluß schnell und vollständig getrennt werden. Schaltvorgänge und das aktive Synchronisieren - wie später noch erläu tert wird - können sicher beherrscht werden. Schließlich kann ohne eine externe Energieversorgung gearbeitet werden, wobei etwaige Kupplungsverluste aus der Abtriebswellenleistung der Kraftmaschine gedeckt werden können.With regard to the coupling function, the clutch according to the invention tion achieved that a torque transmission over the entire Speed range of the internal combustion engine is safely guaranteed. Farther can with a corresponding setting of the relative speed between the rotor compo nente and winding component of the power flow quickly and completely separated become. Switching processes and active synchronization - as explained later can be mastered safely. Finally, without an external Power supply to be worked, with any coupling losses from the Output shaft power of the engine can be covered.
Das Einkuppeln der erfindungsgemäßen Kupplung erfolgt derart, daß die Relativ drehzahl zwischen Rotorkomponente und Wicklungskomponente zu Null geregelt wird. Dabei werden die Rotorkomponente und die Wicklungskomponente gegen einander abgebremst, wobei generatorische Leistung von der Kupplung abgege ben wird. Die Absolutdrehzahlen der Rotorkomponente und der Wicklungskom ponente werden beim Einkuppeln angeglichen, so daß die Rotorkomponente und die Wicklungskomponente nach dem Einkuppeln dieselbe Drehzahl aufweisen wie die Abtriebswelle der Kraftmaschine, etwa die Kurbelwelle des Verbrennungsmo tors. Im Unterschied zu bisher üblichen Reibungskupplungen entsteht das zu übertragende Drehmoment nicht durch Reibung. Statt dessen wird es elektromoto risch erzeugt.The clutch according to the invention is engaged in such a way that the relative speed between rotor component and winding component regulated to zero becomes. The rotor component and the winding component are against braked each other, whereby regenerative power from the clutch will. The absolute speeds of the rotor component and the winding com component are adjusted when engaging, so that the rotor component and the winding component have the same speed after coupling the output shaft of the engine, such as the crankshaft of the combustion engine tors. In contrast to the usual friction clutches, the one to be transmitted is created Torque not due to friction. Instead, it becomes an electric motor generated.
Beim Auskuppeln wird das Drehmoment zu Null geregelt. Beispiele, wie eine sol che "Nullregelung" vorteilhaft erfolgen kann, werden weiter unten näher be schrieben.When disengaging, the torque is regulated to zero. Examples of how a sol che "zero control" can be done advantageously, be further below wrote.
In der Teilfunktion als "Starter" wird es durch eine entsprechende Steuerung der Relativgeschwindigkeit zwischen Rotorkomponente und Wicklungskomponente der erfindungsgemäßen Kupplung möglich, daß die im Antriebsstrang vorgesehe ne Kraftmaschine über die elektromotorische Kupplung gestartet werden kann. Während des Betriebs der Kraftmaschine wird durch eine entsprechende Steue rung der Relativgeschwindigkeit zwischen Rotorkomponente und Wicklungskom ponente ermöglicht, daß in der elektromotorischen Kupplung generatorisch Leis tung erzeugt und an nachgeschaltete Verbraucher abgegeben werden kann.In the sub-function as "starter" it is controlled by appropriate control of the Relative speed between the rotor component and the winding component the clutch according to the invention possible that provided in the drive train ne engine can be started via the electromotive clutch. During operation of the engine is controlled by an appropriate control tion of the relative speed between the rotor component and winding com Component enables Leis in the electric motor clutch as a generator tion can be generated and given to downstream consumers.
Durch die erfindungsgemäße Kupplung ist es weiterhin möglich, Schwingungen im Antriebsstrang auszugleichen.The coupling according to the invention also makes it possible to generate vibrations balance in the drive train.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kupplung kann eine bisher im Antriebsstrang zusätzlich erforderliche Trockenkupplung, Reibungskupplung oder dergleichen entfallen. Gleichzeitig können die zum Stand der Technik beschriebe nen Nachteile vermieden werden. Die erfindungsgemäße Kupplung ermöglicht eine platzsparende und integrierte Anordnung bisher separater Antriebskompo nenten in einem vorgegebenen Bauraum.Due to the design of the clutch according to the invention, a previously in Drivetrain additionally required dry clutch, friction clutch or the like does not apply. At the same time, they can describe the state of the art disadvantages are avoided. The clutch according to the invention enables a space-saving and integrated arrangement of previously separate drive compos nents in a given space.
Zu den weiteren Vorteilen, Wirkungen, Effekten sowie der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kupplung, insbesondere wenn sie in einem Antriebsstrang integriert ist, wird ebenfalls auf die nachstehenden Ausführungen zur erfindungs gemäßen Antriebsanordnung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwie sen. On the other advantages, effects, effects and how the Coupling according to the invention, especially if they are in a drive train is integrated, is also based on the following explanations for the invention according drive arrangement fully referred to and hereby referenced sen.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kupplung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred embodiments of the coupling according to the invention result from the subclaims.
Vorteilhaft kann die Rotorkomponente in bezug auf die Rotationsachse radial au ßerhalb von der Wicklungskomponente angeordnet sein. Bei einer herkömmlichen elektrischen Maschine mit feststehendem Rotor würde eine solche Ausgestaltung einer Maschine in Außenläuferbauweise entsprechen.The rotor component can advantageously be positioned radially in relation to the axis of rotation be arranged outside of the winding component. With a conventional one electrical machine with a fixed rotor would be such a configuration correspond to a machine with external rotor design.
Vorteilhaft kann die Rotorkomponente einen Rotorträger, ein Rotorjoch und ein oder mehrere Magnetelemente aufweisen. In diesem Fall kann die elektromotori sche Kupplung als permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Jedoch ist es auch denkbar, daß die elektromotorische Kupplung als Asynchron maschine oder in noch anderer Bauform ausgebildet ist. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer permanentmagneterregten Synchronmaschine beschrie ben, ohne die Erfindung jedoch auf diesen speziellen Maschinentyp zu beschrän ken.The rotor component can advantageously have a rotor carrier, a rotor yoke and a or have several magnetic elements. In this case, the electric motor cal coupling be designed as a permanent magnet synchronous machine. However, it is also conceivable for the electromotive clutch to be asynchronous machine or in another design. Below is the Invention described using a permanent magnet synchronous machine ben, but without restricting the invention to this particular type of machine ken.
Über den Rotorträger kann die Rotorkomponente mit einer entsprechenden Welle zumindest zeitweilig drehfest verbunden sein. Unter "drehfest" wird in diesem Zusammenhang nicht zwangsläufig eine starre Verbindung verstanden, sondern es ist auch zulässig, daß eine begrenzte Veränderung der relativen Winkelstellung zwischen der Rotorkomponente und der jeweiligen Welle stattfindet, wie dies etwa durch den Einbau von Torsionsdämpfern ermöglicht wird. Beispielsweise kann die Rotorkomponente mit der Abtriebswelle der Kraftmaschine verbunden sein, was beispielsweise über eine geeignete Flanschverbindung erfolgen kann. Der Flansch des Rotorträgers kann die Abtriebswelle ringförmig umfassen. Prinzi piell könnte auch die Wicklungskomponente mit der Abtriebswelle der Kraftma schine verbunden sein. Insbesondere dann, wenn die Rotorkomponente radial außerhalb von der Wicklungskomponente angeordnet ist, ist es jedoch vorteil haft, daß die Rotorkomponente, beziehungsweise der Rotorträger, mit der Ab triebswelle der Kraftmaschine verbunden ist, da diese bei einer solchen Ausges taltung ein höheres Trägheitsmoment als die Wicklungskomponente aufweist. Die Rotorkomponente übernimmt in einer solchen Ausgestaltungsform die Funktion des Kupplungsschwungrads. Andererseits erleichtert die geringere Trägheit der Wicklungskomponente bei einer derartigen Ausgestaltung der elektrischen Ma schine Synchronisiervorgänge, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung noch verdeutlicht wird.The rotor component can be connected to a corresponding shaft via the rotor carrier at least temporarily connected in a rotationally fixed manner. Under "non-rotatable" in this Context does not necessarily understand a rigid connection, but it is also permissible to have a limited change in the relative angular position between the rotor component and the respective shaft takes place like this is made possible, for example, by installing torsion dampers. For example the rotor component can be connected to the output shaft of the engine be what can be done for example via a suitable flange connection. The flange of the rotor carrier can encircle the output shaft in a ring shape. Prince The winding component with the output shaft of the Kraftma seem to be connected. Especially when the rotor component is radial is arranged outside of the winding component, however, it is advantageous liable that the rotor component, or the rotor carrier, with the Ab drive shaft of the engine is connected, since this is such a Ausges has a higher moment of inertia than the winding component. The In such an embodiment, the rotor component takes over the function of the clutch flywheel. On the other hand, the lower inertia eases the Winding component in such a configuration of the electrical Ma seem synchronizing, as in the rest of the description is made clear.
Der Rotorträger muß material- und festigkeitstechnisch derart ausgebildet sein, daß er die Drehmomente der elektrischen Maschine sowie der Kraftmaschine ü bertragen kann. Weiterhin muß er die Verbindung von Rotorjoch und der entspre chenden Welle schaffen können. Dabei darf der Rotorträger keinen magnetischen Fluß führen, um im Falle einer Synchronmaschine die Verluste gering zu halten. Er muß daher aus einem Material gebildet sein, das eine erheblich geringere Per meabilität als das Rotorjoch aufweist. Als geeignetes Material kann beispielswei se, jedoch nicht ausschließlich, Aluminium verwendet werden.The rotor carrier must be designed in terms of material and strength in such a way that he ü the torques of the electrical machine and the engine can transmit. Furthermore, it must be the connection between the rotor yoke and the can create a corresponding wave. The rotor carrier must not be magnetic Flow in order to keep losses low in the case of a synchronous machine. It must therefore be made of a material that has a significantly lower per meability than the rotor yoke. As a suitable material, for example aluminum, but not exclusively.
Das Rotorjoch kann als geblechter Ring ausgebildet sein, der zum einen das oder die Magnetelement(e) trägt (im Falle einer Synchronmaschine), und der zum an deren den magnetischen Fluß der Rotorkomponente führt. Das Rotorjoch ist mit dem Rotorträger, der das Verbindungselement der Rotorkomponente zur jeweili gen Welle darstellt, vorzugsweise kraftschlüssig verbunden. Das Rotorjoch kann aus gegeneinander isolierten, dünnen Blechen gebildet sein, wodurch Eisenverlus te möglichst gering gehalten werden können. Eisenverluste setzen sich aus Hystereseverlusten beim Ummagnetisieren sowie Wirbelstromverlusten zusam men.The rotor yoke can be designed as a laminated ring, the one or the the magnetic element (s) carries (in the case of a synchronous machine), and the to whose leads the magnetic flux of the rotor component. The rotor yoke is with the rotor carrier, which the connecting element of the rotor component to the respective represents gene wave, preferably non-positively connected. The rotor yoke can be formed from thin sheets insulated from each other, causing iron loss te can be kept as low as possible. Iron losses are exposed Hysteresis losses when remagnetizing and eddy current losses together men.
Die Rotorkomponente kann vorteilhaft mehrere Magnetelemente aufweisen, die vorzugsweise als Permanentmagnete ausgebildet sind. Die Magnetelemente sind mit abwechselnder Polrichtung gleichmäßig über den Umfang der Rotorkompo nente verteilt und vorzugsweise in entsprechenden Nuten eingebettet. Grundsätz lich ist es möglich, daß die Rotorkomponente nur ein einziges Magnetelement aufweist, das dann in mehreren Richtungen nebeneinander magnetisiert ist. Für die Magnetelemente können beispielsweise Selten-Erd-Materialien verwendet werden. Vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, können die Magnetelemente aus einem gesinterten Magnetwerkstoff der Zusammensetzung Neodym-Eisen- Bor gebildet sein.The rotor component can advantageously have a plurality of magnetic elements which are preferably designed as permanent magnets. The magnetic elements are with alternating pole direction evenly over the circumference of the rotor compo nente distributed and preferably embedded in appropriate grooves. Principle Lich, it is possible that the rotor component only a single magnetic element which is then magnetized side by side in several directions. For the magnetic elements can, for example, use rare earth materials become. Preferably, but not exclusively, the magnetic elements can made of a sintered magnetic material with the composition neodymium-iron Boron be formed.
In weiterer Ausgestaltung kann die Wicklungskomponente einen Wicklungsträger, ein Wicklungsblechpaket und eine Wicklung aufweisen.In a further embodiment, the winding component can have a winding support, have a winding laminated core and a winding.
Bei der Wicklungskomponente handelt es sich um denjenigen Teil der als elektri sche Maschine ausgebildeten elektromotorischen Kupplung, der bei herkömmli chen Elektroantrieben den Stator bildet. Da dieser Bestandteil in der elektromoto rischen Kupplung jedoch nicht stillsteht und im Falle der permanentmagneterreg ten Synchronmaschine mit Spannung/Strom versorgt werden muß, wurde zur Vermeidung von Unklarheiten der Begriff "Wicklungskomponente" gewählt.The winding component is that part of the electrical cal machine-trained electromotive clutch, which at conventional Chen electric drives forms the stator. As this component in the elektromoto However, the clutch does not stand still and in the case of permanent magnet excitation ten synchronous machine must be supplied with voltage / current Avoiding ambiguities the term "winding component" chosen.
Die Wicklungskomponente weist zunächst einen Wicklungsträger auf, der bei ei ner herkömmlichen elektrischen Maschine den Statorträger bildet. Der Wicklungs träger ist mit einer Welle verbunden, beispielsweise indem er auf dieser aufsitzt. Wenn der wie vorstehend beschriebene Rotorträger mit der Abtriebswelle der Kraftmaschine verbunden ist, ist der Wicklungsträger mit der Welle einer nach folgenden Komponente im Antriebsstrang verbunden. In einem Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug ist der Kupplung üblicherweise ein Verbrennungsmotor als Kraftmaschine vorgeschaltet sowie ein Getriebe nachgeschaltet. In einer solchen Ausgestaltung kann der Wicklungsträger mit der Getriebeeingangswelle verbun den sein, beispielsweise indem er auf dieser aufsitzt.The winding component initially has a winding carrier, which at ei ner conventional electrical machine forms the stator carrier. The winding Carrier is connected to a shaft, for example by sitting on it. If the rotor carrier as described above with the output shaft of Motor is connected, the winding carrier with the shaft is one after following component connected in the drive train. In a driveline for a motor vehicle is usually an internal combustion engine as the clutch Engine upstream and a transmission downstream. In one In one embodiment, the winding support can be connected to the transmission input shaft that, for example by sitting on it.
Der Wicklungsträger kann im Rotorträger gelagert sein, beispielsweise über ein Kugellager oder dergleichen.The winding carrier can be mounted in the rotor carrier, for example via a Ball bearings or the like.
Der Wicklungsträger hat die Aufgabe, Reaktionsmomente vom Wicklungsblech paket aufzunehmen und auf die Welle, beispielsweise die Getriebeeingangswelle, zu übertragen. Weiterhin muß er die Verbindung mit der nachfolgenden Kompo nente, beispielsweise dem Getriebe, sowie die Lagerung der Rotorkomponente ermöglichen können. Dazu muß er aus einem Material mit ausreichend hoher me chanischer Tragfähigkeit gebildet sein. Weiterhin wird in der Wicklungskompo nente nicht selten eine wie weiter unten näher beschriebene Kühleinrichtung in tegriert. Aus diesem Grund muß der Wicklungsträger ebenfalls aus einem korro sionsfesten Werkstoff gebildet sein. Als Material für den Wicklungsträger eignet sich beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, Aluminium.The winding carrier has the task of generating reaction moments from the winding plate package and onto the shaft, for example the transmission input shaft, transferred to. Furthermore, he must connect to the subsequent compo nente, for example the gear, and the storage of the rotor component can enable. To do this, it must be made of a material with a sufficiently high me mechanical load-bearing capacity. Furthermore, in the winding compo not infrequently a cooling device as described in more detail below in tegrated. For this reason, the winding carrier must also be made of a corro sion-resistant material. Suitable as material for the winding carrier For example, but not exclusively, aluminum.
Das weiterhin für die Wicklungskomponente vorgesehene Wicklungsblechpaket entspricht bei einer herkömmlichen elektrischen Maschine mit feststehendem Stator dem Statorblechpaket. Das Wicklungsblechpaket ist vorzugsweise kraft schlüssig mit dem Wicklungsträger verbunden. Es trägt die stromdurchflossenen Wicklungen und führt wicklungsseitig den magnetischen Fluß. Das Wicklungs blechpaket kann wie das vorstehend beschriebene Rotorjoch zur Verringerung von Verlusten geblecht und flächenisoliert ausgebildet sein.The winding laminated core also intended for the winding component corresponds to a conventional electrical machine with a fixed one Stator the stator laminated core. The winding laminated core is preferably powerful connected to the winding carrier. It carries the current-carrying ones Windings and leads the magnetic flux on the winding side. The winding laminated core can be reduced like the rotor yoke described above laminated from losses and surface-insulated.
Die Wicklung besteht aus einem Drahtmaterial. Um die Wicklung flexibel und platzsparend herstellen, beziehungsweise wickeln zu können, wird für diese vor teilhaft nicht ein Draht mit dem für die vorgegebene Stromstärke erforderlichen Querschnitt verwendet. Statt dessen werden mehrere parallele Drähte mit ent sprechend kleinerem Durchmesser verwendet. Dies wirkt sich ebenfalls vorteil haft auf den Stromverdrängungseffekt aus. Die einzelnen Drähte können gegen einander - beispielsweise mit Lack - isoliert sein. Weiterhin kann eine Isolation - beispielsweise eine Flächenisolation - vorgesehen sein, die die Drähte zum Wick lungsblechpaket isoliert. Zusätzlich können die Drähte zur Verfestigung und zur Wärmeabfuhr imprägniert werden.The winding consists of a wire material. To make the winding flexible and To be able to manufacture or wrap in a space-saving manner is a priority for them partly not a wire with the required for the given current Cross section used. Instead, several parallel wires are used speaking smaller diameter used. This also has an advantage adheres to the current displacement effect. The individual wires can be against be isolated from each other - for example with paint. Furthermore, isolation - for example, a surface insulation - be provided that the wires to the wick sheet metal package isolated. In addition, the wires for strengthening and Heat dissipation to be impregnated.
In weiterer Ausgestaltung kann zur Bestimmung der Winkellage von der Rotor komponente zur Wicklungskomponente ein Rotorlagegeber vorgesehen sein. Um die als elektrische Maschine ausgebildete elektromotorische Kupplung optimal betreiben zu können, ist es erforderlich, die jeweilige Winkellage der Rotorkom ponente zu kennen. Der Grund hierfür liegt unter anderem darin, daß elektrische Maschinen in der Regel einen Stromrichter nötig haben, um aus einer Zwischenkreisspannung eine Drehstromspeisung zu erhalten. Dabei muß zur Erzeugung des optimalen Drehmoments für die elektrische Maschine der Drehstrom so ein geprägt werden, daß sich das maximale Drehmoment in gewünschter Höhe aus bilden kann. Hierzu muß der Stromrichter jeweils die genaue Rotorlage und damit den konkreten Polradlagewinkel kennen. Eine hochgenaue Rotorlageerfassung ist somit Voraussetzung für einen guten Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.In a further embodiment, the rotor can be used to determine the angular position Component to the winding component, a rotor position encoder can be provided. Around the electromotive coupling designed as an electrical machine is optimal to be able to operate, it is necessary to adjust the respective angular position of the Rotorkom know component. The reason for this is, among other things, that electrical Machines usually need a converter to get out of an intermediate circuit voltage to receive a three-phase supply. It must be used for generation the optimum torque for the electrical machine the three-phase current be shaped that the maximum torque at the desired height can form. To do this, the converter must have the exact rotor position and thus know the specific rotor position angle. A highly accurate rotor position detection is thus a prerequisite for good electrical machine efficiency.
Die Winkellage der Rotorkomponente zur Wicklungskomponente wird vom Rotor lagegeber erfaßt und an die Regeleinrichtung der Kupplung weitergeleitet. Rotor lagegeber sind an sich bereits bekannt und können beispielsweise als Resolver, etwa als Scheibenresolver oder dergleichen, ausgebildet sein. Ein Scheibenresol ver besteht aus zwei Leiterplatten, wobei sich eine der Platten mit der Rotorkom ponente und die andere Platte mit der Wicklungskomponente dreht. Das Wirk prinzip eines solchen Schiebresolvers ist das eines rotierenden Transformators.The angular position of the rotor component relative to the winding component is determined by the rotor position sensor detected and forwarded to the control device of the clutch. Rotor position sensors are already known per se and can be used, for example, as resolvers, about as a disk resolver or the like. A disk resol ver consists of two printed circuit boards, one of the boards with the Rotorkom component and the other plate rotates with the winding component. The effect the principle of such a sliding resolver is that of a rotating transformer.
Vorteilhaft kann auf der der Kraftmaschine zugewandten Seite der elektromotori schen Kupplung eine zumindest zeitweilig aktivierbare Freilaufeinrichtung vorge sehen sein.The electric motor can advantageously be on the side facing the engine rule clutch a free-wheel device that can be activated at least temporarily to be seen.
Eine solche Freilaufeinrichtung hat die Funktion, den Kraftfluß in eine geforderte Richtung zu steuern. Dies soll an Hand eines konkreten, jedoch nicht ausschließ lichen Beispiels erläutert werden.Such a freewheel device has the function of force flow into a required Direction to steer. This should be based on a concrete, but not exclusive Lichen example are explained.
Wenn die elektromotorische Kupplung in einem Antriebsstrang für ein Kraftfahr zeug angeordnet ist, kann sie sich zwischen einer als Verbrennungsmotor ausge bildeten Kraftmaschine und einem Getriebe befinden. Da es sich bei der elektro motorischen Kupplung um eine elektrische Maschine handelt, kann diese, wenn elektrische Energie über eine zusätzliche elektrische Energiequelle zur Verfügung gestellt wird, ebenfalls als elektrischer Antrieb für das Kraftfahrzeug verwendet werden. Bei einer derartigen Antriebsanordnung handelt es sich dann um einen Hybridantrieb, wie er beispielsweise in der EP-A 0 706 462 beschrieben ist. When the electromotive clutch is in a powertrain for a motor vehicle Stuff is arranged, it can be between an internal combustion engine formed engine and a gearbox. Since the electro motor coupling is an electrical machine, this can if electrical energy is available through an additional electrical energy source is also used as an electric drive for the motor vehicle become. Such a drive arrangement is then one Hybrid drive, as described for example in EP-A 0 706 462.
Wenn die elektromotorische Kupplung als Elektroantrieb verwendet werden soll, muß ein Rückwärtslaufen des Verbrennungsmotors verhindert werden. Dies ge schieht über die Freilaufeinrichtung. Wenn die Rotorkomponente mit der Kurbel welle des Verbrennungsmotors verbunden ist, blockiert die Freilaufeinrichtung bei Betätigung die Rotationsbewegung der Rotorkomponente zumindest in einer Richtung, das heißt, sie macht die Rotorkomponente zu einem feststehenden "Stator". Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen für die Freilaufeinrichtung beschränkt. Vielmehr kann die Freilaufeinrichtung jede beliebi ge Form aufweisen, mit der eine Rotation in einer bestimmten Drehrichtung, bei spielsweise der Rückwärtsdrehrichtung des Verbrennungsmotors, unterbunden wird. In der jeweils entgegengesetzten Drehrichtung kann die Freilaufeinrichtung beliebige Drehgeschwindigkeiten zulassen.If the electromotive clutch is to be used as an electric drive, backward running of the internal combustion engine must be prevented. This ge looks over the freewheel device. If the rotor component with the crank shaft of the internal combustion engine is connected, blocks the freewheel device Actuation of the rotational movement of the rotor component at least in one Direction, that is, it makes the rotor component a fixed one "Stator". The invention is not limited to specific embodiments for the Limited freewheel device. Rather, the freewheel device can be any ge form with which a rotation in a certain direction of rotation, at for example, the reverse direction of rotation of the internal combustion engine, prevented becomes. In the opposite direction of rotation the freewheel device can Allow any rotational speed.
In weiterer Ausgestaltung kann auf der der Kraftmaschine abgewandten Seite der elektromotorischen Kupplung eine zumindest zeitweilig aktivierbare Sperreinrich tung vorgesehen sein. Ihre Funktionsweise soll wiederum an dem genannten Bei spiel erläutert werden. Wenn die elektromotorische Kupplung, wie beschrieben, im Antriebsstrang angeordnet ist, kann der Wicklungsträger mit der Getriebeein gangswelle des der Kupplung nachgeschalteten Getriebes verbunden sein. Die Sperreinrichtung dient ebenfalls dazu, den Kraftfluß in eine geforderte Richtung zu steuern. Über die Sperreinrichtung wird es möglich, die Wicklungskomponente zu blockieren, so daß diese zu einem feststehenden "Stator" der als elektrische Maschine ausgebildeten elektromotorischen Kupplung wird. Die Aktivierung der Sperreinrichtung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der Verbrennungsmotor gestartet werden soll, die elektromotorische Kupplung also als Starter fungiert. Über die Rotation der Rotorkomponente wird die mit dieser verbundene Kurbel welle auf Start-Drehgeschwindigkeit gebracht, so daß der Verbrennungsmotor gestartet werden kann. Die aktivierte Sperreinrichtung verhindert dabei, daß ein Drehmoment auf die Seite des Getriebes übertragen werden kann.In a further embodiment, on the side facing away from the engine electromotive clutch a locking device that can be activated at least temporarily tion should be provided. Your mode of operation should in turn on the mentioned case game explained. If the electromotive clutch as described, is arranged in the drive train, the winding carrier can be with the gearbox gear shaft of the transmission connected downstream of the clutch. The Locking device also serves to force flow in a required direction to control. The winding component is made possible via the locking device to block, so that this to a fixed "stator" as electrical Machine trained electromotive clutch. The activation of the Locking device is useful, for example, when the internal combustion engine should be started, so the electromotive clutch acts as a starter. The crank connected to it is rotated by the rotation of the rotor component shaft brought to start rotation speed, so that the internal combustion engine can be started. The activated locking device prevents a Torque can be transmitted to the side of the transmission.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen für die Sperreinrich tung beschränkt. Die Sperreinrichtung muß lediglich so beschaffen sein, daß sie im ausgeschalteten Zustand alle anliegenden Drehmomente auf die nachgeschal teten Komponenten übertragen kann. Im eingeschalteten Zustand muß sie eine Übertragung von Drehmomenten sicher unterbinden können.The invention is not limited to specific configurations for the locking device limited. The locking device must only be such that it when switched off, all torques present on the downstream components can be transferred. When switched on, it must be one Can safely prevent torque transmission.
Vorteilhaft kann an und/oder in der Rotorkomponente und/oder der Wicklungs komponente eine Kühleinrichtung vorgesehen sein. Über die Kühleinrichtung kann die Kupplung gekühlt werden.Can advantageously on and / or in the rotor component and / or the winding Component a cooling device can be provided. About the cooling device can the clutch can be cooled.
Vorzugsweise kann die Kühleinrichtung einen oder mehrere Kühlkanäle für ein Kühlmedium aufweisen. Als Kühlmedium können beispielsweise handelsübliche Wasser-Frostschutzgemische eingesetzt werden.The cooling device can preferably have one or more cooling channels for one Have cooling medium. As a cooling medium, for example, commercially available Water-antifreeze mixtures can be used.
Vorzugsweise kann zur Beaufschlagung der Wicklungskomponente mit Strom und/oder zur Übertragung von Rotorlagesignalen eine Schleifringkonstruktion vor gesehen sein. Die Stromversorgung über eine solche Schleifringkonstruktion ist erforderlich, da sowohl die Rotorkomponente als auch die Wicklungskomponente der elektromotorischen Kupplung rotieren. Natürlich kann die Stromversorgung auch auf andere Weise realisiert werden. So ist beispielsweise eine induktive E nergieversorgung oder dergleichen möglich.Preferably, current can be applied to the winding component and / or a slip ring construction for the transmission of rotor position signals be seen. The power supply via such a slip ring construction is required because both the rotor component and the winding component of the electromotive clutch rotate. Of course, the power supply can can also be realized in other ways. For example, an inductive E Power supply or the like possible.
Zur Wicklungsstromübertragung können beispielsweise, jedoch nicht ausschließ lich, drei Schleifringe mit einer entsprechenden Anzahl gehäusefester Bürstenhal ter vorgesehen sein. Zur Rotorlagestromübertragung können beispielsweise, je doch nicht ausschließlich, sechs Schleifringe mit Bürstenhaltern zur Übertragung der Rotorlagesignale vorgesehen sein. Um den axialen Bauraum der Schleifring konstruktion und damit der gesamten Kupplung zu minimieren, können die Schleifringe zur Übertragung der Rotorlagesignale sowie die Schleifringe zur Ü bertragung des Wicklungsstroms in bezug auf die Rotationsachse radial überein ander angeordnet sein.For the transmission of winding current, for example, but not exclusively Lich, three slip rings with a corresponding number of brush halves fixed to the housing ter be provided. For rotor position current transmission, for example, each but not exclusively, six slip rings with brush holders for transfer the rotor position signals can be provided. Around the axial installation space of the slip ring the design and thus the entire coupling can be minimized Slip rings for transmission of the rotor position signals and slip rings for transmission Transmission of the winding current radially with respect to the axis of rotation be arranged differently.
Vorzugsweise kann der zwischen Rotorkomponente und Wicklungskomponente befindliche Luftspalt eine Größe von etwa 1 mm aufweisen. Im Falle einer permanentmagneterregten Synchronmaschine ist dieser Luftspalt einer der speziellen Vorteile der Maschine. Jedoch ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Größe des Luftspalts beschränkt. Vielmehr muß die Luftspalthöhe so groß gewählt wer den, daß die Betriebssicherheit der elektromotorischen Kupplung gewährleistet ist.Preferably, that between the rotor component and the winding component located air gap have a size of about 1 mm. In the case of a permanent magnet This air gap is one of the special synchronous machines Advantages of the machine. However, the invention is not limited to any particular size of the air gap. Rather, the air gap height must be chosen so large that ensures the operational safety of the electromotive clutch is.
Die Steuereinrichtung für die Kupplung kann vorteilhaft eine Leistungselektronik zur Versorgung der elektromotorischen Kupplung mit elektrischer Energie aufwei sen.The control device for the clutch can advantageously be power electronics to supply the electromotive coupling with electrical energy sen.
Wenn die elektromotorische Kupplung in einem Antriebsstrang für ein Fahrzeug verwendet wird und zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe angeordnet ist, und wenn die elektromotorische Kupplung neben ihrer Kupplungs funktion auch Starter- und Generatorfunktionen übernimmt sowie als reiner Elekt roantrieb fungieren kann, hat die Leistungselektronik beispielsweise folgende Aufgaben:When the electromotive clutch is in a powertrain for a vehicle is used and between an internal combustion engine and a transmission is arranged, and when the electromotive clutch next to its clutch function also takes over starter and generator functions as well as pure electrical power electronics can function, the power electronics has, for example, the following Tasks:
Im reinen elektromotorischen Betrieb des Fahrzeugs erfolgt der Antrieb der elekt romotorischen Kupplung über eine externe elektrische Energiequelle, beispiels weise die Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs. Die Gleichspannung dieser externen Energiequelle muß, vorzugsweise über einen Gleichspannungsumrichter, mit einer Zwischenkreisspannung verbunden werden, die bei Fahrzeugen etwa 400 Volt betragen kann. Diese Spannung muß von einem Wechselrichter in die von der elektromotorischen Kupplung benötigte Drei-Phasen-Spannung gewandelt und nach Betrag und Phase an die Erfordernisse des jeweiligen Betriebszustands an gepaßt werden. Ebenso muß die von der elektromotorischen Kupplung gelieferte generatorische Leistung zum Laden der elektrischen Energiequelle (beispielsweise der Batterie) sowie zur Versorgung weiterer Komponenten nach Strom und Span nung angepaßt werden. Soll die elektromotorische Kupplung weder motorisch noch generatorisch arbeiten, muß dafür gesorgt werden, daß diese keine Leistung mit dem Zwischenkreis und der externen elektrischen Energiequelle austauscht. In the pure electromotive operation of the vehicle, the elect is driven Romotor coupling via an external electrical energy source, for example assign the vehicle battery to the vehicle. The DC voltage of this external Energy source must, preferably via a DC converter, with a DC link voltage are connected, which is approximately 400 volts in vehicles can be. This voltage must be transferred from an inverter to the electromotive clutch converted and required three-phase voltage according to the amount and phase of the requirements of the respective operating state be fitted. Likewise, the one supplied by the electromotive coupling regenerative power to charge the electrical energy source (for example the battery) as well as for supplying further components according to electricity and voltage can be adjusted. If the electromotive clutch is neither motorized still work as a generator, care must be taken to ensure that it has no power exchanges with the intermediate circuit and the external electrical energy source.
Die dazu erforderlichen Regelungen und Steuerungen erfolgen über die Leistungs elektronik.The regulations and controls required for this are carried out via the service electronics.
Vorzugsweise kann die Leistungselektronik dazu wenigstens einen Stromrichter aufweisen. Im Stromrichter kann eine vorgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung mit variabler Frequenz, Amplitude und Phase umgewandelt werden.For this purpose, the power electronics can preferably have at least one converter exhibit. A predetermined DC voltage can be converted into a AC voltage with variable frequency, amplitude and phase converted become.
Dazu kann der Stromrichter beispielsweise eine von der Art der verwendeten Um richterschaltung abhängige Anzahl von Leistungshalbleitern aufweisen. Als Leis tungshalbleiter können beispielsweise MOSFETs oder Bipolartransistoren verwen det werden. MOSFETs werden über ein elektrisches Feld angesteuert, während Bipolartransistoren über einen Basisstrom gesteuert werden. Bei einer besonders vorteilhaften Form von Leistungshalbleitern handelt es sich um eine Kombination der vorgenannten Transistoren, den sogenannten IGBTs (Isolated Gate Bipo lartransistor). IGBTs haben bei hohen Betriebsspannungen beispielsweise geringe re Durchlaßverluste als MOSFETs, was für die Zwischenkreisspannung günstig ist.For this purpose, the converter can, for example, be of the type used have a number of power semiconductors dependent on the rectifier circuit. As Leis tion semiconductors can use, for example, MOSFETs or bipolar transistors be det. MOSFETs are driven via an electric field while Bipolar transistors can be controlled via a base current. With one particularly advantageous form of power semiconductors is a combination of the aforementioned transistors, the so-called IGBTs (Isolated Gate Bipo lar transistor). For example, IGBTs have low at high operating voltages re forward losses as MOSFETs, which is favorable for the intermediate circuit voltage is.
Vorzugsweise kann die Leistungselektronik eine Regeleinrichtung aufweisen, wo bei die Regeleinrichtung derart ausgebildet ist, daß in Abhängigkeit von einem geforderten Drehmoment-Sollwert ein entsprechender, dazu gehörender Soll stromwert an die elektromotorische Kupplung vorgegeben wird oder vorgegeben werden kann, über den die Relativgeschwindigkeit zwischen der Rotorkomponen te und der Wicklungskomponente geregelt wird oder geregelt werden kann.The power electronics can preferably have a control device, where in the control device is designed such that depending on one required torque setpoint, a corresponding, associated setpoint current value to the electromotive clutch is specified or specified can be used to determine the relative speed between the rotor components te and the winding component is regulated or can be regulated.
In Abhängigkeit von dem geforderten Sollwert, beispielsweise einer geforderten Drehzahl oder einem Sollmoment und von verschiedenen Maschinenkonstanten gibt die Regeleinrichtung, die beispielsweise einen P-Regler und/oder vorzugswei se auch einen PI-Regler aufweisen kann, den zugehörigen drehmomentbildenden Sollstrom vor. Wenn die Kupplung beispielsweise im Antriebsstrang für ein Fahrzeug verwendet wird, kann das Sollmoment beispielsweise durch ein Fahrpedal, einen übergeordneten Drehzahlregelkreis oder dergleichen, vorgegeben werden.Depending on the required setpoint, for example a required one Speed or a target torque and of different machine constants are the control device, for example, a P controller and / or preferably se can also have a PI controller, the associated torque-generating Target current. For example, when the clutch is in the driveline for a vehicle the target torque can be used, for example, by an accelerator pedal, a superordinate speed control loop or the like can be specified.
In der Steuereinrichtung werden Signale, die den Sollzustand der Kupplung bestimmen, vorgegeben. Diese Signale werden mit entsprechenden Istgrößen verglichen. Über die Regeleinrichtung kann das System in den Sollzustand gere gelt werden. Die Regelung der elektrischen Größen zur Erzeugung des Drehmo ments der elektromotorischen Kupplung aus einem entsprechenden Sollmoment erfolgt über die einzelnen Komponenten der Leistungselektronik.In the control device, signals representing the desired state of the clutch determine, predetermined. These signals are with corresponding actual values compared. The system can reach the desired state via the control device be valid. The regulation of the electrical quantities for generating the torque ment of the electromotive clutch from a corresponding target torque takes place via the individual components of the power electronics.
Vorteilhaft können über die Regeleinrichtung ebenfalls Verluste der elektromotori schen Kupplung bei der Steuerung der Relativgeschwindigkeit kompensiert wer den. Bei solchen Verlusten handelt es sich beispielsweise um Kupferverluste am ohmschen Widerstand der Wicklungen sowie der Zuleitungen, oder um Eisenver luste, die sich aus Wirbelstrom- und Hystereseverlusten zusammensetzen. Die Verluste verursachen Wärme, die über die weiter oben beschriebene Kühleinrich tung abgeführt werden muß.Losses of the electric motors can also be advantageous via the control device clutch when controlling the relative speed is compensated for the. Such losses are, for example, copper losses on ohmic resistance of the windings and the leads, or around Eisenver losses that are made up of eddy current and hysteresis losses. The Losses cause heat that is beyond the cooling device described above tion must be dissipated.
Wenn die entstehenden Verluste nicht über die externe elektrische Energiequelle, beziehungsweise den Zwischenkreis gedeckt werden sollen, kann zur Kompensa tion der Verluste vorzugsweise die Leistung der Abtriebswelle von der Kraftma schine herangezogen werden. Dies kann über eine entsprechende Ausgestaltung der Regeleinrichtung erreicht werden. Nachfolgend werden hierzu zwei nicht aus schließliche Beispiele angegeben.If the losses do not come from the external electrical energy source, or to cover the DC link, can be used to compensate tion of the losses preferably the output shaft output from the Kraftma be used. This can be done through an appropriate design the control device can be achieved. In the following, two will not be omitted final examples given.
Beispielsweise kann die Kompensation von Verlusten über eine Drehzahlregelung realisiert werden. Der Leistungsfluß kann beispielsweise durch die Relativdrehzahl von der Rotorkomponente und der Wicklungskomponente erfaßt werden. Die Re lativdrehzahl und das Drehmoment bestimmen die Verlustleistung. Nur wenn die se beiden Größen entgegengesetzt sind, was bedeutet, daß im normalen Fahrbe trieb mit geschlossener Kupplung die Wicklungskomponente in Antriebsrichtung langsamer dreht als die Rotorkomponente, wirkt die Kupplung generatorisch, kann also ihre Verluste sowie die Leistung für nachgeschaltete Komponenten aus der Leistung der Abtriebswelle der Kraftmaschine decken.For example, the compensation of losses via a speed control will be realized. The power flow can, for example, by the relative speed can be detected by the rotor component and the winding component. The Re The relative speed and the torque determine the power loss. Only if that se two sizes are opposite, which means that in normal driving drove the winding component in the drive direction with the clutch closed the clutch rotates more slowly than the rotor component, can account for their losses as well as the performance for downstream components the power of the output shaft of the engine cover.
Eine andere Möglichkeit zur Regulierung des Leistungsflusses und zur Kompensa tion von Verlusten besteht in einer Spannungsregelung im Zwischenkreis. Ein solcher Zwischenkreis ist weiter oben bereits beschrieben worden. Die Zwi schenkreisspannung kann beispielsweise 400 Volt betragen, wobei es sich bei dieser Größe um die Sollgröße handelt. Gemessen wird anschließend die tatsäch liche Zwischenkreisspannung. Gibt der Zwischenkreis Leistung an die elektromo torische Kupplung für Verluste, motorischen Betrieb sowie an weitere Komponen ten ab, sinkt die Zwischenkreisspannung unter 400 Volt. Wird dem Zwischen kreis im Fall des generatorischen Betriebs der elektromotorischen Kupplung Leis tung zugeführt, so steigt der Betrag der Zwischenkreisspannung über 400 Volt. Die Differenz zwischen der Sollgröße für die Zwischenkreisspannung und der tat sächlich gemessenen Zwischenkreisspannung wird von der Regeleinrichtung, bei spielsweise einem PI-Regler, erfaßt, der daraufhin die Vorgabe für einen Dreh momentregelkreis liefert. Sinkt die Zwischenkreisspannung unter 400 Volt, wird das übertragene Moment verringert, wodurch die Relativdrehzahl steigt. Dadurch wird vermehrt generatorische Leistung erzeugt. Steigt die Zwischenkreisspan nung über 400 Volt, wird das übertragene Moment erhöht, wodurch die Relativ drehzahl und die darüber erzeugte generatorische Leistung sinkt.Another way to regulate the flow of power and compensate Losses consist of voltage regulation in the DC link. On Such an intermediate circuit has already been described above. The two leg circuit voltage can be, for example, 400 volts, which is at this size is the target size. The actual is then measured DC link voltage. The intermediate circuit outputs power to the elektromo Toric coupling for losses, motor operation and to other components the DC link voltage drops below 400 volts. Becomes the in-between circuit in the case of generator operation of the Leis electromotive clutch supplied, the amount of the intermediate circuit voltage rises above 400 volts. The difference between the target value for the DC link voltage and the tat The DC link voltage is measured by the control device for example, a PI controller, which then specifies the rotation torque control loop delivers. If the intermediate circuit voltage drops below 400 volts, the transmitted torque is reduced, which increases the relative speed. Thereby regenerative power is increasingly generated. The DC link chip increases voltage over 400 volts, the transmitted torque is increased, reducing the relative speed and the generated generator power decreases.
Folglich kann die Kupplung derart ausgestaltet sein, daß in der Steuereinrichtung Istwerte von Zustandsgrößen der elektromotorischen Kupplung mit entsprechen den Sollwerten verglichen werden, wobei auf Grund einer Soll-Ist-Differenz die Relativgeschwindigkeit zwischen der Rotorkomponente und der Wicklungskom ponente geregelt wird.Consequently, the clutch can be designed such that in the control device Actual values of state variables of the electromotive clutch also correspond the target values are compared, with the Relative speed between the rotor component and the winding comm component is regulated.
Die einzelnen Systemzustände, in denen sich die Kupplung befinden kann, und von denen einige repräsentativ im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläu tert werden, sind durch Istwerte der Zustandsgrößen, durch Anfangs- und Rand bedingungen, sowie durch entsprechend vorgegebene Sollwerte der Zustandsgrößen gekennzeichnet. Größen, die der elektromotorischen Kupplung je nach Betriebszustand von außen vorgegeben werden, sind das Drehmoment von der Kraftmaschine und das auf die Eingangswelle einer der Kupplung nachgeschalte ten Komponente reduzierte Lastmoment. Die Soll-Ist-Differenz zweier Zustands größen dient jeweils als Eingangsgröße für die Regeleinrichtung, die das elektro motorische Drehmoment der elektromotorischen Kupplung regelt. Welche der Zu standsgrößen jeweils zur Regelung verwendet wird, ergibt sich aus den jeweili gen Betriebszuständen. Durch die Regelung wird die erforderliche Richtung für das in der elektromotorischen Kupplung erzeugte Moment bestimmt und die Rela tivgeschwindigkeit zwischen der Rotorkomponente und der Wicklungskomponen te eingestellt.The individual system states in which the clutch can be, and some of which are representative in the further course of the description are by actual values of the state variables, by start and margin conditions, as well as according to predetermined target values of the state variables characterized. Sizes depending on the electromotive clutch Operating state are specified from the outside, the torque of the Engine and the downstream on the input shaft of a clutch th component reduced load torque. The target-actual difference between two states Sizes serve as input variables for the control device that controls the electro regulates motor torque of the electromotive clutch. Which of the To status variables are used for control, results from the respective conditions. The regulation sets the required direction for determines the torque generated in the electromotive clutch and the Rela tiv speed between the rotor component and the winding components te set.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Antriebsan ordnung bereitgestellt, die einen Antriebsstrang mit einer Kraftmaschine auf weist. Die Antriebsanordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zum Öffnen und Schließen des Antriebsstrangs eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Kupplung vorgesehen ist, daß die Kupplung der Kraftmaschine nachgeschaltet ist und daß die Kupplung mit einer Abtriebswelle der Kraftma schine verbunden ist.According to a second aspect of the present invention, a drive is started Order provided that have a powertrain with an engine has. The drive arrangement is characterized in that to open and close the drive train as described above The clutch according to the invention provides that the clutch of the engine is connected downstream and that the clutch with an output shaft of Kraftma machine is connected.
Auf diese Weise läßt sich eine Antriebsanordnung realisieren, die zum einen be sonders platzsparend ausgebildet ist, und bei der zum anderen verschiedene, bis her separate Komponenten, in einem einzigen Bauteil, nämlich der Kupplung, in tegriert werden können. Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effekten sowie der Funkti onsweise der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung wird ebenfalls auf die vor stehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Kupplung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.In this way, a drive arrangement can be realized, which on the one hand be is particularly space-saving, and in the other different, up forth separate components, in a single component, namely the clutch, in can be tegrated. On the advantages, effects, effects and the functi onweise of the drive arrangement according to the invention is also on the front standing statements on the coupling according to the invention in full taken and hereby referred.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung er geben sich aus den Unteransprüchen. He advantageous embodiments of the drive assembly according to the invention give themselves from the subclaims.
Vorzugsweise kann die Kupplung weiterhin mit einer Eingangswelle einer weite ren Komponente des Antriebsstrangs verbunden sein. Diese weitere Komponente kann beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, als Getriebe ausgebildet sein, so daß die Kupplung mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist.Preferably, the coupling can also have a wide input shaft Ren component of the drive train to be connected. This other component can, for example, but not exclusively, be designed as a transmission, so that the clutch is connected to the transmission input shaft.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Rotorkomponente der Kupplung mit der Abtriebswelle der Kraftmaschine verbunden sein. Je nach Ausgestaltung der als elektrische Maschine ausgebildeten elektromotorischen Kupplung ist es jedoch auch möglich, daß die Eingangswelle der weiteren Komponente des An triebsstrangs, beispielsweise die Getriebeeingangswelle, mit der Rotorkomponen te der Kupplung verbunden ist.In an advantageous embodiment, the rotor component of the clutch be connected to the output shaft of the engine. Depending on the design it is the electromotive coupling designed as an electrical machine however, it is also possible that the input shaft of the other component of the An drive train, for example the transmission input shaft, with the rotor components te the clutch is connected.
Je nachdem, mit welcher der Wellen die Rotorkomponente verbunden ist, kann die Wicklungskomponente der Kupplung entweder mit der Eingangswelle der wei teren Komponente des Antriebsstrangs oder der Abtriebswelle der Kraftmaschine verbunden sein.Depending on which of the shafts the rotor component is connected to the winding component of the clutch either with the input shaft of the white teren component of the drive train or the output shaft of the engine be connected.
Vorteilhaft kann die Kupplung mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sein. In diesem Fall läßt sich die elektromotorische Kupplung als Elektroantrieb verwenden, so daß die entsprechend ausgebildete Antriebsanordnung als Hybrid antrieb eingesetzt werden kann.The coupling can advantageously be connected to an electrical energy source his. In this case, the electromotive clutch can be used as an electric drive use, so that the appropriately trained drive assembly as a hybrid drive can be used.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kupplung als elektromotorische Kupplung sowie die Anordnung der Kupplung in einer erfindungsgemäßen An triebsanordnung lassen sich verschiedenartige Betriebszustände realisieren. Dies soll an Hand eines konkreten Ausführungsbeispiels verdeutlicht werden. Dazu wird wiederum angenommen, daß die Kupplung in einer Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug angeordnet ist. Diese Antriebsanordnung weist einen Antriebs strang auf, der unter anderem über einen Verbrennungsmotor sowie ein Getriebe verfügt. Zum Öffnen und Schließen des Antriebsstrangs ist die Kupplung zwi schen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet. The inventive design of the clutch as an electromotive Coupling and the arrangement of the clutch in an invention different operating conditions can be realized. This is to be illustrated using a specific embodiment. To it is again assumed that the clutch in a drive arrangement for a motor vehicle is arranged. This drive arrangement has a drive stranded on, among other things, via an internal combustion engine and a transmission disposes. To open and close the drive train, the clutch is between arranged between the internal combustion engine and the transmission.
Die einzelnen Betriebszustände erfordern, daß die elektromotorische Kupplung entweder motorisch oder generatorisch arbeitet, wobei ein entsprechendes Drehmoment in der elektromotorischen Kupplung erzeugt und weitergegeben wird. In einigen Fällen ist es erwünscht, daß die elektromotorische Kupplung kei nerlei Drehmoment überträgt. Die Regelgröße für die elektromotorische Kupplung ist die Relativdrehzahl zwischen der Rotorkomponente und der Wicklungskompo nente, deren Sollwert je nach Betriebszustand individuell vorzugeben ist. Dazu können die Sollwerte für die verschiedenen Betriebszustände in der Speicherein richtung abgelegt sein.The individual operating conditions require that the electromotive clutch works either motor or generator, with a corresponding Torque generated and passed on in the electromotive clutch becomes. In some cases, it is desirable that the electromotive clutch not work transmits a lot of torque. The controlled variable for the electromotive clutch is the relative speed between the rotor component and the winding compo nente, whose setpoint must be specified individually depending on the operating state. To the setpoints for the various operating states can be stored in the memory direction.
Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kupplung ist es zum einen möglich, daß über diese ein rein elektromotorischer Fahrbetrieb realisiert werden kann. In diesem Fall wirkt die elektromotorische Kupplung als alleiniger Antrieb, der Verbrennungsmotor ist nicht aktiv. Für den reinen Elektroantrieb soll der Verbrennungsmotor in Ruhe bleiben, der Getriebeabtrieb jedoch beschleunigt werden. Für die Beschleunigung ist ein Drehmoment erforderlich, das in der elekt romotorischen Kupplung erzeugt wird. Um ein unerwünschtes Rückwärtsdrehen des Verbrennungsmotors zu verhindern, ist die Freilaufeinrichtung aktiviert, so daß der Rotorträger, der mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, blockiert wird und somit als "Stator" fungiert. Die Wicklungskomponente der elektromotorischen Kupplung, die mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist, rotiert. In diesem Betriebszustand ist die Drehzahl der Wicklungskomponente i dentisch mit der Relativdrehzahl zwischen Rotorkomponente und Wicklungskom ponente. Die elektromotorische Kupplung wirkt als Motor.On the one hand, due to the design of the coupling according to the invention possible that a purely electromotive driving operation can be realized can. In this case, the electromotive clutch acts as the sole drive, the internal combustion engine is not active. For the pure electric drive, the The internal combustion engine remains at rest, but the gearbox output accelerates become. For the acceleration a torque is required, which is in the elect Romotor coupling is generated. An unwanted backward turn to prevent the internal combustion engine, the freewheel device is activated, so that the rotor support, which is connected to the crankshaft of the internal combustion engine is blocked and thus acts as a "stator". The winding component of the electromotive clutch that is connected to the transmission input shaft rotates. In this operating state, the speed of the winding component is i dental with the relative speed between the rotor component and winding com component. The electromotive clutch acts as a motor.
Die elektromotorische Kupplung kann aber auch im kombinierten Einsatz von e lektromotorischem und verbrennungsmotorischem Betrieb eingesetzt werden. In diesem Fall wirkt die elektromotorische Kupplung als Zusatzantrieb zum Verbren nungsmotor. Dabei kann die elektromotorische Kupplung für eine gegenüber dem Verbrennungsmotor erhöhte Drehzahl des Getriebeantriebs sorgen. Sie liefert ü ber eine entsprechende Einstellung der Relativdrehzahl motorische Leistung in den Antriebsstrang. The electromotive clutch can also be used in combination with e electric motor and internal combustion engine operation. In In this case, the electromotive clutch acts as an additional drive for combustion motor. Here, the electromotive clutch for one compared to Internal combustion engine cause increased speed of the gear drive. It delivers ü Via a corresponding setting of the relative engine speed in the drivetrain.
Gemäß einem weiteren Betriebszustand kann die elektromotorische Kupplung zum Starten des Verbrennungsmotors herangezogen werden. In diesem Fall wirkt die elektromotorische Kupplung als Starter und bringt den zunächst stillstehenden Verbrennungsmotor auf Leerlaufdrehzahl. Der Sollzustand für die Regelung der elektromotorischen Kupplung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verbren nungsmotor auf seine Anlaufdrehzahl gebracht wird. Die dazu erforderliche Rela tivbeschleunigung ist entgegengesetzt zu der im reinen elektromotorischen Be trieb. Um eine getriebeseitige Rückwirkung des von der elektromotorischen Kupp lung erzeugten Moments zu verhindern, ist ein Gegenmoment erforderlich, das über die Aktivierung der Sperreinrichtung realisiert wird. Zum Starten des Verbrennungsmotors wird die Sperreinrichtung eingeschaltet, so daß die Rotation der Wicklungskomponente blockiert wird, die in diesem Fall als "Stator" wirkt. Die Relativdrehzahl zwischen Rotorkomponente und Wicklungskomponente ent spricht somit der Drehzahl der Rotorkomponente. Solange die elektromotorische Kupplung die Starterfunktion für den Verbrennungsmotor übernimmt, verbraucht sie elektrische Leistung.According to a further operating state, the electromotive clutch can be used to start the internal combustion engine. In this case it works the electromotive clutch as a starter and brings the initially stationary Internal combustion engine at idle speed. The target state for the regulation of electromotive clutch is characterized in that the burning motor is brought to its starting speed. The necessary rela The acceleration is the opposite of that in pure electromotive loading drifted. To have a reaction on the gearbox side of the electromotive clutch To prevent generated torque, a counter-torque is required is realized by activating the locking device. To start the Internal combustion engine, the locking device is turned on, so that the rotation the winding component is blocked, which in this case acts as a "stator". The relative speed between the rotor component and the winding component ent thus speaks the speed of the rotor component. As long as the electromotive Clutch takes over the starter function for the internal combustion engine, consumed they electrical power.
Mit der erfindungsgemäßen Kupplung ist es ebenfalls möglich, den Verbren nungsmotor während des elektromotorischen Betriebs zu starten. In diesem Fall wirkt die elektromotorische Kupplung zunächst als Motor und soll für den Über gang auf den verbrennungsmotorischen Betrieb den Verbrennungsmotor starten. Danach übernimmt die elektromotorische Kupplung ihre Aufgabe als Kupplung. Um den Verbrennungsmotor starten zu können, muß in der elektromotorischen Kupplung ein Drehmoment erzeugt werden, das in Gegenrichtung zu dem bis da hin wirkenden Drehmoment für den reinen elektromotorischen Fahrbetrieb gerich tet ist. Während des Startvorgangs bringt das Moment der elektromotorischen Kupplung den Verbrennungsmotor auf Startdrehzahl, wirkt aber gleichzeitig auch bremsend auf den Getriebeantrieb, da die Sperreinrichtung in diesem Fall nicht aktiviert ist. Um in diesem Zustand eine Verlangsamung des Fahrzeuges zu ver hindern, muß die Regelung der Relativdrehzahl und des damit verbundenen Drehmoments der elektromotorischen Kupplung über die Regeleinrichtung sehr schnell erfolgen, um den Kraftfluß nur kurz umzukehren.With the clutch according to the invention it is also possible to burn start motor during electromotive operation. In this case the electromotive clutch initially acts as a motor and is intended for the over start the internal combustion engine operation. The electromotive clutch then takes on its role as a clutch. In order to be able to start the internal combustion engine, the electromotive A torque can be generated that is in the opposite direction to that acting torque for pure electromotive driving operation is. During the starting process, the moment brings the electromotive Clutch the combustion engine to the starting speed, but at the same time it also works braking on the gear drive, since the locking device is not in this case is activated. To slow down the vehicle in this state must prevent the regulation of the relative speed and the associated Torque of the electromotive clutch via the control device very much done quickly to reverse the flow of force only briefly.
Wenn das Fahrzeug anfahren soll und der Verbrennungsmotor gestartet ist, über nimmt die elektromotorische Kupplung ihre Kupplungsfunktion, indem sie den stillstehenden Antriebsstrang an den laufenden Verbrennungsmotor ankoppelt. Die Relativdrehzahl zwischen der Rotorkomponente und der Wicklungskomponen te wird so gesteuert, daß die beiden Komponenten beim Einkuppeln gegeneinan der abgebremst werden. Dadurch entzieht die elektromotorische Kupplung dem System mechanische Leistung, sie wirkt also generatorisch.If the vehicle is to start and the internal combustion engine is started, press the electromotive clutch takes on its clutch function by the stationary drive train is coupled to the running internal combustion engine. The relative speed between the rotor component and the winding components te is controlled so that the two components against each other when coupling which are slowed down. This removes the electromotive clutch from the System mechanical performance, so it acts as a generator.
Im generatorischen Fahrbetrieb kann die elektromotorische Kupplung als Genera tor wirken, der vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, während das Fahrzeug fährt. Dabei wird die Generatorleistung über die Relativdrehzahl erzeugt. Wenn das Fahrzeug steht und die elektromotorische Kupplung dennoch als Generator wirken soll, der von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, muß erneut die Sperreinrichtung aktiviert werden. Die elektromotorische Kupplung wirkt wie ein herkömmlicher Generator mit feststehender Wicklungskomponente und drehender Rotorkomponente. Die Relativdrehzahl entspricht dabei der Drehzahl der Rotor komponente.In regenerative driving, the electromotive clutch can be used as a genera act that is driven by the internal combustion engine while the vehicle moves. The generator power is generated via the relative speed. If the vehicle is stationary and the electromotive clutch is still a generator to act, which is driven by the internal combustion engine, must again Locking device can be activated. The electromotive clutch acts like a conventional generator with fixed winding component and rotating Rotor component. The relative speed corresponds to the speed of the rotor component.
Wenn sich die elektromotorische Kupplung im eingekuppelten Zustand befindet, wirkt die elektromotorische Kupplung wie eine herkömmliche Kupplung, bei spielsweise eine Reibungskupplung oder dergleichen, und überträgt gleichblei bend das Moment des Verbrennungsmotors auf den gleichmäßig belasteten An triebsstrang. Die absoluten Drehgeschwindigkeiten des Verbrennungsmotors, be ziehungsweise der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, und der Getriebeein gangswelle sind gleich. Damit ist die Relativdrehzahl zwischen Rotorkomponente und Wicklungskomponente gleich Null. Weil die Relativgeschwindigkeit Null ist, wird in der idealen Maschine keine Leistung umgesetzt. Real erzeugt die elektro motorische Kupplung jedoch Verluste, die über eine entsprechende Nachregelung kompensiert werden müssen. If the electromotive clutch is in the engaged state, the electromotive clutch acts like a conventional clutch for example, a friction clutch or the like, and transmits the same the moment of the internal combustion engine on the evenly loaded type powertrain. The absolute rotational speeds of the internal combustion engine, be or the crankshaft of the internal combustion engine, and the gearbox gear shaft are the same. This is the relative speed between the rotor component and winding component is zero. Because the relative speed is zero, no performance is implemented in the ideal machine. The electro produces real Motor clutch, however, losses that have a corresponding readjustment must be compensated.
Im ausgeschalteten Zustand der Kupplung wirkt die elektromotorische Kupplung wie eine geöffnete herkömmliche Kupplung und überträgt kein Moment. Verbren nungsmotor und Getriebe sind somit voneinander entkoppelt. Diese Bedingung ist eine fest vorgegebene Größe, die in der Steuereinrichtung abgelegt ist. Der Soll- Ist-Vergleich zweier Drehzahlen, beziehungsweise der Relativdrehzahl, entfällt und wird durch einen externen Befehl, beispielsweise durch Betätigung eines Kupplungspedals, ersetzt, wobei der Befehl beispielsweise lauten kann, das Drehmoment der elektromotorischen Kupplung zu Null zu regeln. In diesem Fall kann die Relativdrehzahl ungleich Null sein. Weil die elektromotorische Kupplung jedoch kein Moment erzeugt, verrichtet sie auch keine mechanische Arbeit und die ideale, das heißt verlustfreie Maschine erzeugt keine Verluste.When the clutch is switched off, the electromotive clutch acts like an open conventional clutch and does not transmit a moment. Burn The motor and transmission are thus decoupled from one another. This condition is a predetermined size that is stored in the control device. He must- The actual comparison of two speeds, or the relative speed, is omitted and is triggered by an external command, for example by actuating a Clutch pedal, replaced, where the command may be, for example, that To regulate the torque of the electromotive clutch to zero. In this case the relative speed can be non-zero. Because the electromotive clutch but does not generate a moment, it does no mechanical work and the ideal, ie lossless machine does not generate any losses.
Wenn das Fahrzeug beschleunigt oder abgebremst wird, indem Gas gegeben oder Gas weggenommen wird, wirkt die elektromotorische Kupplung in ihrer Eigen schaft als Kupplung und überträgt ein erhöhtes, beziehungsweise ein verringertes Moment des Verbrennungsmotors auf den gleichmäßig belasteten Antriebs strang, beziehungsweise die Getriebeeingangswelle. Über die Steuereinrichtung muß die Relativdrehzahl zwischen Rotorkomponente und Wicklungskomponente erneut zu Null geregelt werden. Rotorkomponente und Wicklungskomponente müssen gegeneinander gebremst werden.When the vehicle is accelerating or braking by accelerating or If the gas is removed, the electromotive clutch acts on its own shaft as a clutch and transmits an increased or a reduced Torque of the internal combustion engine on the evenly loaded drive strand, or the transmission input shaft. Via the control device the relative speed between the rotor component and the winding component be regulated to zero again. Rotor component and winding component must be braked against each other.
Wenn das Fahrzeug beispielsweise bergauf oder bergab fährt, wirkt die elektro motorische Kupplung in ihrer Funktion als Kupplung und überträgt ein gleichblei bendes Moment des Verbrennungsmotors, wobei die Belastung entweder erhöht oder verringert wird. In beiden Fällen muß die Relativdrehzahl über die Steuerein richtung zu null geregelt werden.If the vehicle is driving uphill or downhill, for example, the electric system works motor clutch in its function as a clutch and transmits a constant exerting moment of the internal combustion engine, whereby the load either increases or is reduced. In both cases, the relative speed must be controlled direction to be regulated to zero.
Beim Umschalten des Getriebes in einen niedrigeren oder in einen höheren Gang kann die elektromotorische Kupplung zum Synchronisieren verwendet werden. Dabei wirkt die elektromotorische Kupplung in ihrer Funktion als Kupplung, die zu Beginn des Schaltvorgangs den Kraftfluß unterbricht, während des Schaltens aktiv Getriebeeingang und Getriebeausgang synchronisiert und nach Beendigung des Schaltvorgangs den Kraftfluß schließt. Über eine Regelung der Relativdreh zahl kann die mit der Wicklungskomponente verbundene Getriebeeingangswelle auf eine erwartete Synchrondrehzahl gebracht werden. Diese Drehzahl kann in der Steuereinrichtung aus der tatsächlich vorherrschenden Getriebeabtriebsdreh zahl und der Übersetzung der neuen Schaltstufe berechnet werden.When shifting the transmission into a lower or a higher gear the electromotive clutch can be used for synchronization. The electromotive clutch acts in this way as a clutch The beginning of the shifting process interrupts the flow of power, while shifting is active Gearbox input and gearbox output synchronized and after completion of the switching process closes the power flow. Via a regulation of the relative rotation number can be the transmission input shaft connected to the winding component be brought to an expected synchronous speed. This speed can be in the control device from the actually prevailing transmission output rotation number and the translation of the new switching stage can be calculated.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to exemplary embodiments under Be access to the accompanying drawing explained. Show it:
Fig. 1 in schematischer Ansicht ein Ersatzschaltbild einer Antriebsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und Fig. 1 according to a schematic view of an equivalent circuit diagram of a drive arrangement of the present invention; and
Fig. 2 eine schematische, geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kupplung. Fig. 2 is a schematic, sectional side view of the coupling according to the invention.
In Fig. 1 ist schematisch ein Fahrzeug 10 dargestellt. Dieses weist einen An triebsstrang 11 auf, der wiederum eine als Verbrennungsmotor ausgebildete Kraftmaschine 12 und ein Getriebe 14 aufweist. Dem Getriebe 14 nachgeschal tet ist ein Achsgetriebe 16, sowie ein Differential 17, über die ein erzeugtes Drehmoment auf die Antriebsräder 18 des Fahrzeugs übertragen wird. Im An triebsstrang 11 zwischen dem Verbrennungsmotor 12 und dem Getriebe 14 ist eine Kupplung angeordnet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als elektro motorische Kupplung 30 ausgebildet ist.A vehicle 10 is shown schematically in FIG. 1. This has a drive train 11 , which in turn has an internal combustion engine 12 and a transmission 14 . The gear 14 downstream is an axle 16 , and a differential 17 , via which a torque generated is transmitted to the drive wheels 18 of the vehicle. In the drive train 11 between the internal combustion engine 12 and the transmission 14 , a clutch is arranged, which is designed as an electric motor clutch 30 in the present embodiment.
Die elektromotorische Kupplung 30 weist eine Rotorkomponente 40 auf, die mit der Abtriebswelle 13 der Kraftmaschine 12, im vorliegenden Fall der Kurbelwelle der Verbrennungsmotors, verbunden ist. Weiterhin weist die elektromotorische Kupplung 30 eine Wicklungskomponente 50 auf, die über eine Getriebeein gangswelle 15 mit dem Getriebe 14 verbunden ist. Der genaue Aufbau sowie die Funktionsweise der elektromotorischen Kupplung 30 werden im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben. Die als elektrische Maschine ausgebildete elektromotori sche Kupplung 30 ist im Unterschied zu herkömmlichen elektrischen Maschinen derart ausgebildet, daß sich zu deren Betrieb sowohl die Rotorkomponente 40, als auch die Wicklungskomponente 50 rotieren lassen. Die Wicklungskomponente 50 entspricht dabei in ihrem Grundaufbau einem bei einer herkömmlichen elektri schen Maschine vorgesehenen Stator.The electromotive clutch 30 has a rotor component 40 which is connected to the output shaft 13 of the engine 12 , in the present case the crankshaft of the internal combustion engine. Furthermore, the electromotive clutch 30 has a winding component 50 which is connected to the transmission 14 via a transmission input shaft 15 . The exact structure and the mode of operation of the electromotive clutch 30 are described in connection with FIG. 2. In contrast to conventional electrical machines, the electromotive clutch 30 designed as an electrical machine is designed in such a way that both the rotor component 40 and the winding component 50 can be rotated for their operation. The winding component 50 corresponds in its basic structure to a stator provided in a conventional electrical machine.
Je nach Betriebszustand kann es wünschenswert sein, daß die Rotorkomponente 40 und/oder die Wicklungskomponente 50 blockiert werden, so daß sich diese nicht drehen können. Dazu ist auf der der Kraftmaschine 12 zugewandten Seite 37 der elektromotorischen Kupplung 30 zunächst eine Freilaufeinrichtung 31 vorgesehen. Diese Freilaufeinrichtung 31 kann zumindest zeitweilig aktiviert wer den, wodurch die Rotation der Rotorkomponente 40 blockiert wird. Um eine zu mindest zeitweilige Blockade der Wicklungskomponente 50 zu erreichen, ist auf der der Kraftmaschine 12 abgewandten Seite 38 der elektromotorischen Kupp lung 30 eine entsprechende Sperreinrichtung 32 vorgesehen.Depending on the operating state, it may be desirable for the rotor component 40 and / or the winding component 50 to be blocked so that they cannot rotate. For this purpose, a freewheel device 31 is initially provided on the side 37 of the electromotive clutch 30 facing the engine 12 . This freewheel device 31 can be activated at least temporarily, which blocks the rotation of the rotor component 40 . In order to achieve an at least temporary blockage of the winding component 50 , a corresponding locking device 32 is provided on the side 38 of the electromotive coupling 30 facing away from the engine 12 .
Die erfindungsgemäße elektromotorische Kupplung 30 kann verschiedene Funkti onen übernehmen, die bisher von separaten Bauelementen ausgeführt wurden. Neben ihrer eigentlichen Funktion als Kupplung, das heißt zum Öffnen und Schließen des Antriebsstrangs 11, kann die elektromotorische Kupplung 30 als Starter für den Verbrennungsmotor 12 dienen. Ebenso kann die elektromotori sche Kupplung 30 als Generator fungieren, in dem elektrische Leistung erzeugt und an nachfolgende Komponenten, wie beispielsweise das Bordnetz des Fahr zeugs, abgegeben wird.The electromotive clutch 30 according to the invention can take on various functions that have previously been carried out by separate components. In addition to its actual function as a clutch, that is to say for opening and closing the drive train 11 , the electromotive clutch 30 can serve as a starter for the internal combustion engine 12 . Likewise, the electromotive clutch 30 can function as a generator in which electrical power is generated and delivered to subsequent components, such as the vehicle's electrical system.
Die unterschiedliche Funktionsweise der elektromotorischen Kupplung 30 in den verschiedenen Betriebszuständen, wie dies ausführlich im Rahmen der allgemei nen Beschreibung erläutert wurde, wird erreicht, indem die Relativgeschwindig keit zwischen der Rotorkomponente 40 und der Wicklungskomponente 50 gere gelt, beziehungsweise gesteuert, wird. Die Regelung, beziehungsweise Steuerung der Relativgeschwindigkeit erfolgt in einer Steuereinrichtung 60, die mit der e lektromotorischen Kupplung 30 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 60 kann entweder ein separates Bauteil oder Bestandteil der Kupplung 30 sein. The different functioning of the electromotive clutch 30 in the different operating states, as has been explained in detail in the context of the general description, is achieved by the relative speed between the rotor component 40 and the winding component 50 being regulated or controlled. The regulation or control of the relative speed takes place in a control device 60 , which is connected to the electric motor clutch 30 . The control device 60 can either be a separate component or part of the clutch 30 .
Die über die elektromotorische Kupplung 30 erreichbaren unterschiedlichen Be triebszustände sind durch Istwerte der jeweiligen Zustandsgrößen, durch An fangs- und Randbedingungen, sowie durch die Sollwerte der jeweiligen Zu standsgrößen gekennzeichnet. Die Soll-Ist-Differenz zweier Zustandsgrößen dient als Eingangsgröße für eine Regeleinrichtung 63 der Steuereinrichtung 60, über die das elektromotorische Drehmoment der elektromotorischen Kupplung 30, be ziehungsweise die Relativgeschwindigkeit zwischen der Rotorkomponente 40 und der Wicklungskomponente 50 geregelt wird. Welche Zustandsgrößen zur Rege lung verwendet werden, hängt unter anderem von den jeweiligen Betriebszustän den der Kupplung 30 ab. Einige exemplarische Betriebszustände sind im allge meinen Teil der Beschreibung ausführlich erläutert worden.The different operating states that can be achieved via the electromotive clutch 30 are characterized by actual values of the respective state variables, by initial and boundary conditions, and by the target values of the respective state variables. The target / actual difference between two state variables serves as an input variable for a control device 63 of the control device 60 , via which the electromotive torque of the electromotive clutch 30 , or the relative speed between the rotor component 40 and the winding component 50, is regulated. Which state variables are used for control depends, among other things, on the respective operating states of clutch 30 . Some exemplary operating states have been explained in detail in the general part of the description.
Die Regeleinrichtung 63 ist neben einem Stromrichter 62 Bestandteil einer Leis tungselektronik 61 der Steuereinrichtung 60, über die die elektromotorische Kupplung 30 mit Energie versorgt wird.The control device 63 is in addition to a converter 62 part of a power electronics 61 of the control device 60 , via which the electromotive clutch 30 is supplied with energy.
In Abhängigkeit von den von der Regeleinrichtung 63 ermittelten Werten wird der zugehörige, das Drehmoment bildende Sollstrom vorgegeben.Depending on the values determined by the control device 63 , the associated target current forming the torque is specified.
Über den Stromrichter 62 wird eine Gleichspannung in eine für die als elektrische Maschine ausgebildete elektromotorische Kupplung 30 erforderliche Wechsel spannung umgewandelt.Via the converter 62 , a DC voltage is converted into an AC voltage required for the electromotive clutch 30 designed as an electrical machine.
Ein möglicher Betriebszustand der Kupplung 30 ist beispielsweise die Verwen dung als alleiniger elektromotorischer Antrieb. In diesem Fall ist der Verbren nungsmotor 12 nicht in Betrieb und die elektromotorische Kupplung 30 wird über eine externe Energiequelle, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie 70 mit 12 V Netzspannung betrieben. Die Gleichspannung der Batterie 70 wird mittels eines Gleichspannungsumrichters 71 mit einer Zwischenkreisspannung 72 von 400 V verbunden, die die maximale Umrichterspannung ist. Diese Spannung wird von dem Stromrichter 62, der als Wechselrichter ausgebildet ist, in die von der elektromotorischen Kupplung 30 benötigte Drei-Phasen-Spannung gewandelt, und ü ber die Steuereinrichtung 60, insbesondere die Regeleinrichtung 63, an die Erfor dernisse jedes Betriebszustands angepaßt. Ebenso muß die von der elektromoto rischen Kupplung 30 im entsprechenden Betriebszustand erzeugte generatorische Leistung zum Laden der Batterie 70 und zur Versorgung weiterer Komponenten, wie beispielsweise dem Bordnetz oder dergleichen, nach Strom und Spannung angepaßt werden. Soll die elektromotorische Kupplung 30 weder motorisch noch generatorisch arbeiten, muß dafür gesorgt werden, daß sie keine Leistung mit dem Zwischenkreis 72 und der Batterie 70 austauscht. All diese Aufgaben über nimmt die Leistungselektronik 61.A possible operating state of the clutch 30 is, for example, the use as the sole electromotive drive. In this case, the internal combustion engine 12 is not in operation and the electromotive clutch 30 is operated via an external energy source, for example a vehicle battery 70 with a 12 V mains voltage. The DC voltage of the battery 70 is connected by means of a DC voltage converter 71 to an intermediate circuit voltage 72 of 400 V, which is the maximum converter voltage. This voltage is converted by the converter 62 , which is designed as an inverter, into the three-phase voltage required by the electromotive clutch 30 , and adapted via the control device 60 , in particular the control device 63 , to the requirements of each operating state. Likewise, the regenerative power generated by the electromotive clutch 30 in the corresponding operating state for charging the battery 70 and for supplying further components, such as, for example, the vehicle electrical system or the like, must be adapted to current and voltage. If the electromotive clutch 30 is to operate neither as a motor nor as a generator, it must be ensured that it does not exchange any power with the intermediate circuit 72 and the battery 70 . Power electronics 61 takes on all these tasks.
In der Steuereinrichtung 60 kann weiterhin eine nicht dargestellte Speicherein richtung vorgesehen sein, in der verschiedene Werte, beispielsweise Sollwerte für verschiedene Betriebszustände, Istwerte für verschiedene Betriebszustände zu Wartungszwecken oder dergleichen abgespeichert werden können.A control device (not shown) can also be provided in the control device 60 , in which different values, for example setpoints for different operating states, actual values for different operating states for maintenance purposes or the like, can be stored.
An Hand von Fig. 2 wird nachfolgend der detaillierte Aufbau der elektromotori schen Kupplung 30 beschrieben.The detailed structure of the electromotive clutch 30 is described below with reference to FIG. 2.
Die elektromotorische Kupplung 30 ist als elektrische Maschine, im vorliegenden Fall als permanentmagneterregte Synchronmaschine, ausgebildet und besteht im wesentlichen aus einer Rotorkomponente 40 und einer Wicklungskomponente 50.The electromotive clutch 30 is designed as an electrical machine, in the present case as a permanent magnet-excited synchronous machine, and essentially consists of a rotor component 40 and a winding component 50 .
Die Rotorkomponente 40 weist einen aus Aluminium bestehenden Rotorträger 41, ein als geblechter Ring ausgebildetes Rotorjoch 42 sowie eine Anzahl von Magnetelementen 43, im vorliegenden Fall von aus einer Neodym-Eisen-Bor- Zusammensetzung gebildeten Permanentmagneten, auf. Der Rotorträger 41 ist an der Kurbelwelle 13 des Verbrennungsmotors 12 angeflanscht. Er weist eine Abtriebswellenaufnahme 35 zur Aufnahme der Kurbelwelle 13 auf und ist ring förmig um die Kurbelwelle 13 ausgebildet. Weiterhin ist im Rotorträger 41 auf der dem Verbrennungsmotor 12 zugewandten Seite 37 der elektromotorischen Kupplung 30 eine Freilaufaufnahme 33 zur Aufnahme der Freilaufeinrichtung 31 (siehe Fig. 1) vorgesehen.The rotor component 40 has a rotor carrier 41 made of aluminum, a rotor yoke 42 designed as a laminated ring and a number of magnetic elements 43 , in the present case permanent magnets formed from a neodymium-iron-boron composition. The rotor carrier 41 is flanged to the crankshaft 13 of the internal combustion engine 12 . It has an output shaft receptacle 35 for receiving the crankshaft 13 and is ring-shaped around the crankshaft 13 . Furthermore, a freewheel receptacle 33 for receiving the freewheel device 31 (see FIG. 1) is provided in the rotor carrier 41 on the side 37 of the electromotive clutch 30 facing the internal combustion engine 12 .
Die Rotorkomponente 40 übernimmt die Funktion des Kupplungsschwungrades bei herkömmlichen Kupplungen wie Reibungskupplungen oder dergleichen. Das Rotorjoch 42 trägt zum einen die Permanentmagnete 43 und führt zum anderen den magnetischen Fluß der Rotorkomponente 40. Das Rotorjoch 42 ist mit dem Rotorträger 41, der das Verbindungselement zur Kurbelwelle 13 darstellt, kraft schlüssig verbunden.The rotor component 40 takes over the function of the clutch flywheel in conventional clutches such as friction clutches or the like. The rotor yoke 42 on the one hand carries the permanent magnets 43 and on the other hand guides the magnetic flux of the rotor component 40 . The rotor yoke 42 is non-positively connected to the rotor support 41 , which is the connecting element to the crankshaft 13 .
Die Rotorkomponente 40 und die Wicklungskomponente 50 sind durch einen Luftspalt 44, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Höhe von etwa 1 mm aufweist, voneinander getrennt.The rotor component 40 and the winding component 50 are separated from one another by an air gap 44 , which in the present exemplary embodiment has a height of approximately 1 mm.
Die Wicklungskomponente 50, die bei einer herkömmlichen elektrischen Maschi ne den Stator darstellt, im vorliegenden Fall aber ebenfalls drehbar ist, weist ei nen Wicklungsträger 51, ein Wicklungsblechpaket 52 und eine Anzahl von Wick lungen 53 auf. Der Wicklungsträger 51 sitzt auf der Getriebeeingangswelle 15. Weiterhin ist der Wicklungsträger 51 im Rotorträger 41 gelagert. Diese Lagerung erfolgt beispielsweise über ein Kugellager 34. Die elektromotorische Kupplung 30 ist derart ausgebildet, daß die Rotorkomponente 40 in Bezug auf die Rotations achse R radial außerhalb von der Wicklungskomponente 50 ausgebildet ist. Bei einer herkömmlichen elektrischen Maschine mit feststehendem Stator würde man in einem solchen Fall von einer Maschine in Außenläuferbauweise sprechen.The winding component 50 , which is the stator in a conventional electrical machine, but is also rotatable in the present case, has a winding support 51 , a winding core 52 and a number of windings 53 . The winding carrier 51 is seated on the transmission input shaft 15 . Furthermore, the winding carrier 51 is mounted in the rotor carrier 41 . This storage takes place, for example, via a ball bearing 34 . The electromotive clutch 30 is designed such that the rotor component 40 is formed radially outside of the winding component 50 with respect to the rotational axis R. In such a case, a conventional electrical machine with a fixed stator would be referred to as a machine with an external rotor design.
Der aus Aluminium bestehende Wicklungsträger 51 ist mit dem Wicklungsblech paket 52 verbunden, das wie das Rotorjoch 42 zur Verringerung von Verlusten geblecht und flächenisoliert ausgebildet sein kann. Das Wicklungsblechpaket 52 trägt sie stromdurchflossenen Wicklungen 53 und führt wicklungsseitig den magnetischen Fluß. The aluminum winding carrier 51 is connected to the winding plate package 52 , which, like the rotor yoke 42, can be laminated and surface-insulated to reduce losses. The winding lamination stack 52 carries windings 53 through which it flows and guides the magnetic flux on the winding side.
Um die genaue Winkellage der Rotorkomponente 40 zur Wicklungskomponente 50 bestimmen zu können, ist ein Rotorlagegeber 36 vorgesehen, der im vorlie genden Ausführungsbeispiel als Scheibenresolver ausgeführt ist. Er besteht aus zwei Leiterplatten, von denen sich jeweils eine mit der Rotorkomponente 40 und eine mit der Wicklungskomponente 50 dreht.In order to be able to determine the exact angular position of the rotor component 40 relative to the winding component 50 , a rotor position sensor 36 is provided, which is designed as a disk resolver in the present embodiment. It consists of two printed circuit boards, one of which rotates with the rotor component 40 and one with the winding component 50 .
Da sich sowohl die Rotorkomponente 40 als auch die Wicklungskomponente 50 drehen, muß die Stromversorgung für die elektromotorische Kupplung 30 über eine Schleifringkonstruktion 90 erfolgen. Die Schleifringkonstruktion 90 weist zunächst eine Schleifringkomponente 91 zur Wicklungsstromübertragung auf. Die Schleifringkomponente 91 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus drei Schleifringen mit einer gleichen Anzahl gehäusefester Bürstenhalter.Since both the rotor component 40 and the winding component 50 rotate, the power supply for the electromotive clutch 30 must be provided via a slip ring construction 90 . The slip ring construction 90 initially has a slip ring component 91 for winding current transmission. The slip ring component 91 in the present exemplary embodiment consists of three slip rings with an equal number of brush holders fixed to the housing.
Eine zweite Schleifringkomponente 92 dient zur Übertragung von Signalen des Rotorlagegebers 36, insbesondere zur Rotorlagegeberstromübertragung. Zur Ü bertragung dieses Stroms von der mit der Wicklungskomponente 50 verbundenen Platte des Rotorlagegebers 36 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs Schleifringe mit Bürstenhalter vorgesehen.A second slip ring component 92 serves for the transmission of signals from the rotor position sensor 36 , in particular for the transmission of the rotor position sensor current. To transfer this current from the plate of the rotor position sensor 36 connected to the winding component 50 , six slip rings with a brush holder are provided in the present exemplary embodiment.
Um den Platzbedarf der aus den beiden Schleifringkomponenten 91, 92 beste henden Schleifringkonstruktion 90 zu reduzieren, sind die beiden Schleifringkom ponenten 91, 92 im Hinblick auf die Rotationsachse R radial übereinander ange ordnet.To reduce the space required for the slip ring of the two components 91, 92 best Henden slip ring structure 90, the two components are Schleifringkom 91, 92 with respect to the axis of rotation R arranged radially superimposed.
Üblicherweise entsteht in der elektromotorischen Kupplung 30 während des Be triebs auf Grund von Verlusten Wärme, die abgeführt werden muß. Im vorliegen den Ausführungsbeispiel übernimmt der Wicklungsträger 51 die Kühlung, wozu dieser über eine entsprechende Kühleinrichtung 80 verfügt. Die Kühleinrichtung 80 weist eine Anzahl von vorzugsweise spiralförmigen Kühlkanälen auf. Durch die Kühlkanäle 81 kann ein geeignetes Kühlmedium, beispielsweise ein Wasser- Frostschutzmittel-Gemisch hindurchströmen. Die Kühlkanäle 81 sind vorzugswei se am äußeren Umfang des Wicklungsträgers 51 vorgesehen. Die Zuführung des Kühlmittels, beziehungsweise dessen Abführung, erfolgt über entsprechende Kühlmittelzuläufe 82, beziehungsweise Kühlmittelabläufe 83.Usually, heat is generated in the electromotive clutch 30 during operation due to losses, which must be dissipated. In the present exemplary embodiment, the winding carrier 51 takes over the cooling, for which purpose it has a corresponding cooling device 80 . The cooling device 80 has a number of preferably spiral cooling channels. A suitable cooling medium, for example a water / antifreeze mixture, can flow through the cooling channels 81 . The cooling channels 81 are vorzugswei se provided on the outer periphery of the winding support 51 . The coolant is supplied or discharged via corresponding coolant inlets 82 or coolant outlets 83 .
Für die Zuführung des Kühlmittels von einem feststehenden Zwischenflansch 100 zur rotierenden Wicklungskomponente 50 ist eine entsprechende, abgedich tete Drehdurchführung 84 vorgesehen. Diese Drehdurchführung 84 muß so aus gebildet sein, daß sie über entsprechende Dichtungselemente verfügt, so daß ein unbeabsichtigtes Austreten des Kühlmittels während der Rotation der Wicklungs komponente 50 unterbunden wird.For the supply of the coolant from a fixed intermediate flange 100 to the rotating winding component 50 , a corresponding, sealed rotary union 84 is provided. This rotary union 84 must be formed so that it has appropriate sealing elements, so that unintentional leakage of the coolant is prevented during the rotation of the winding component 50 .
Der feststehende Zwischenflansch 100 hat die Funktion, den Wicklungsstrom, Rotorlagegebersignale, Kühlmittel, eventuell zu verwendendes Hydrauliköl oder dergleichen zu übertragen. Er ist fest mit dem Kupplungsgehäuse 39 verbunden und trägt zudem alle feststehenden mechanischen Komponenten. Wenn die Sperreinrichtung 32 beispielsweise als Kupplung ausgebildet ist, kann er den Ausrücker der Sperreinrichtung 32 fixieren und eine Druckfeder abstützen, die die Sperreinrichtung 32 erneut löst. Weiterhin kann der Zwischenflansch 100 zur Befestigung der Bürstenhalter für die Schleifringkomponenten 91, 92 dienen.The fixed intermediate flange 100 has the function of transmitting the winding current, rotor position sensor signals, coolant, hydraulic oil which may be used or the like. It is firmly connected to the clutch housing 39 and also carries all fixed mechanical components. If the locking device 32 is designed, for example, as a clutch, it can fix the release device of the locking device 32 and support a compression spring which releases the locking device 32 again. Furthermore, the intermediate flange 100 can be used to fasten the brush holders for the slip ring components 91 , 92 .
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der elektromotorischen Kupplung 30 wird ein Bauteil für den Antriebsstrang 11 geschaffen, das zum einen sehr platz sparend ausgebildet ist, und in dem zum anderen verschiedene Funktionen über nommen werden, die bisher in einzelnen separaten Bauelementen verwirklicht wurden. Die elektromotorische Kupplung 30 kann derart zwischen dem Verbren nungsmotor 12 und dem Getriebe 14 angeordnet sein, daß sie über die vordere Wand 20 der Kraftmaschine 12, die Getriebeglocke 19 des Getriebes 14 sowie das Kupplungsgehäuse 39 vollständig abgeschlossen und vor äußeren Einflüssen geschützt ist.The inventive design of the electromotive clutch 30 creates a component for the drive train 11 , which on the one hand is designed to be very space-saving, and in which on the other hand, various functions are assumed that were previously realized in individual separate components. The electromotive clutch 30 can be arranged between the combus- tion engine 12 and the transmission 14 so that it is completely closed and protected from external influences via the front wall 20 of the engine 12 , the transmission bell 19 of the transmission 14 and the clutch housing 39 .
Zusammenfassend wird eine Kupplung 30 zum Öffnen und Schließen eines An triebsstrangs 11 sowie eine mit einem solchen Antriebsstrang 11 ausgerüstetes Fahrzeug 10 beschrieben, wobei die Kupplung 30 zwischen einer Kraftmaschine 12 und einem Getriebe 14 angeordnet ist. Die Kupplung ist erfindungsgemäß da durch gekennzeichnet, daß sie als elektromotorische Kupplung 30 in Form einer elektrischen Maschine ausgebildet ist. Sie weist eine rotierende oder rotierbare Rotorkomponente 40 auf, die über eine Abtriebswelle 13 mit der Kraftmaschine 12 verbunden ist. Weiterhin weist die elektromotorische Kupplung 30 eine rotie rende oder rotierbare Wicklungskomponente 50 auf, die über eine Getriebeein gangswelle 15 mit dem Getriebe 14 verbunden ist. Die elektromotorische Kupp lung 30 kann neben ihrer Kupplungsfunktion auch als Starter, Generator sowie rein elektrischer Antrieb fungieren. Die jeweiligen Betriebszustände der elektro motorischen Kupplung 30 werden durch eine Steuerung der Relativgeschwindig keit zwischen der Rotorkomponente 40 und der Wicklungskomponente 50 über eine Steuereinrichtung 60 realisiert. Die Verluste der elektrischen Maschine wer den durch eine entsprechende Regelung aus der Leistung der Kraftmaschine 12 und nicht aus dem Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, gedeckt.In summary, a clutch 30 and a drive train 11 described equipped with such a driveline 11 vehicle 10 for opening and closing an on, the clutch 30 between an engine 12 and a transmission 14 is disposed. The clutch is according to the invention characterized in that it is designed as an electromotive clutch 30 in the form of an electrical machine. It has a rotating or rotatable rotor component 40 , which is connected to the engine 12 via an output shaft 13 . Furthermore, the electromotive clutch 30 has a rotating or rotatable winding component 50 which is connected via a transmission input shaft 15 to the transmission 14 . In addition to its clutch function, the electromotive clutch 30 can also function as a starter, generator and purely electric drive. The respective operating states of the electromotive clutch 30 are realized by controlling the relative speed between the rotor component 40 and the winding component 50 via a control device 60 . The losses of the electrical machine are covered by a corresponding regulation from the power of the engine 12 and not from the energy store, for example a battery.
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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