DE10017398A1

DE10017398A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10017398A1
Application number: DE2000117398
Authority: DE
Inventors: Ingo Rennert
Original assignee: Volkswagen AG; Gruendl und Hoffmann GmbH Gesellschaft fuer Elektrotechnische Entwicklungen
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2020-04-08
Also published as: DE10017398B4

Abstract

Eine elektrische Maschine, welche insbesondere als Starter/Generator-Einheit ausgestaltet und mit einem Verbrennungsmotor (1) koppelbar ist, umfaßt einen Stator (5) und einen auf einer Antriebswelle (2) angeordneten Rotor (6-8). Zur Begrenzung der von dem Rotor (6-8) auf die Antriebswelle (2) übertragenen Schwingungen ist der Rotor (6-8) über ein Lager (9) auf die Antriebswelle (2) angeordnet und über ein elastisches Koppelelement (11), welches beispielsweise aus Federstahl oder Hartgummi gefertigt ist, mit der Antriebswelle (2) verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine in Form einer Starter/Generator-Einheit für ein Kraftfahrzeug ausgestaltete elektrische Maschine, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Starter/Generator-Systeme sind weitläufig bekannt und ermöglichen einerseits einen schnelleren und leiseren Start des damit gekoppelten Antriebsmotors und andererseits eine hohe Generatorleistung, um Energie für bestimmte Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.

Zur Ausgestaltung derartiger Starter/Generator-Systeme sind unterschiedliche Varianten bekannt.

Eine erste Variante sieht die Verwendung eines parallel zu der Antriebswelle des Antriebsmotors angeordneten Klauenpolgenerators vor, wobei der Klauenpolgenerator über einen Riemen mit dem Antriebsmotor gekoppelt ist. Gemäß einer weiteren Variante wird als Starter/Generator-Einheit eine schwungnutzende Doppelkupplungsmaschine mit mechanischem Energiespeicher verwendet.

Den beiden zuvor genannten Varianten ist gemeinsam, daß die Starter/Generator-Einheit getrennt von der Antriebswelle des Antriebsmotors vorgesehen ist. Bei einer dritten Variante, die einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 entspricht, ist hingegen die (auch als Kurbelwellenstartergenerator bezeichnete) Starter/Generator-Einheit auf der Antriebswelle vorgesehen.

Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Antriebsvorrichtung mit einer auf der Antriebswelle angeordneten Starter/Generator-Einheit kann beispielsweise den Druckschriften WO 98/05882, DE 196 16 504 A1, DE 196 32 074 A1 oder DE 43 36 162 A1 entnommen werden. Bei diesen bekannten Antriebsvorrichtungen wird als Antriebsaggregat ein Verbrennungsmotor verwendet, dessen Kurbelwelle mit einer als Starter/Generator-Einheit dienenden elektrischen Maschine verbunden ist. Die elektrische Maschine umfaßt einen Rotor und einen den Rotor umgebenden Stator, wobei die Wicklungen des Stators über einen Wechselrichter mit der Kraftfahrzeugbatterie verbunden sind. Der Rotor der elektrischen Maschine steht abtriebsseitig über eine Getriebekupplung mit der Getriebeeingangswelle eines Getriebes in Verbindung.

Die als Starter/Generator-Einheit dienende elektrische Maschine wird in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben. In einem Motorbetrieb übernimmt die elektrische Maschine bei Betätigen des Anlasserschlüssels die Funktion eines Anlassers oder Motors zum Starten des Verbrennungsmotors. Hierzu werden den Statorwicklungen entsprechende Erregerströme derart zugeführt, daß der Rotor mit einem Anlaufdrehmoment beaufschlagt wird, welches das Starten des Verbrennungsmotors ermöglicht. Nach dem Starten des Verbrennungsmotors arbeitet die elektrische Maschine im Generatorbetrieb, in dem der Rotor über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Rotation versetzt und somit in den Statorwicklungen eine Spannung induziert wird, welche beispielsweise zur Energieversorgung des Bordnetzes bzw. der daran angeschlossenen Verbraucher des Kraftfahrzeuges dient.

Da bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung die elektrische Maschine mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt ist, können insbesondere bei hohen Drehzahlen, beispielsweise im Bereich zwischen 3000 und 6000 Umdrehungen/Minute, auf der Kurbelwelle erhebliche Resonanzen durch die relativ große Masse des Rotors auftreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei der die durch den Rotor hervorgerufenen Schwingungen begrenzt oder gedämpft sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, welche insbesondere in Form einer Starter/Generator-Einheit mit einem Verbrennungsmotor koppelbar ist, ist der Rotor über ein Lager auf der Kurbel- bzw. Antriebswelle angeordnet. Zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Rotor und der Antriebswelle ist ein elastisches Koppelelement vorgesehen, so daß der Rotor, der bei herkömmlichen elektrischen Maschinen ursächlich für Schwingungen auf der Antriebswelle ist, zu einem Tilger umfunktioniert wird und von den Schwingungen der Antriebswelle entkoppelt ist.

Das elastische Koppelelement, welches beispielsweise aus Federstahl oder Hartgummi gefertigt sein kann, ist vorzugsweise fest mit der Antriebswelle verbunden und über eine Kupplung mit dem Rotor lösbar koppelbar. Die Kupplung kann in Form einer hydraulischen oder magnetischen Kupplung ausgestaltet sein.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz in elektrischen Maschinen, welche als Starter/Generator-Einheiten auf der dem Getriebe abgewandten Seite eines Verbrennungsmotor angeordnet sind.

Bei bekannten Antriebsvorrichtungen ist die auf der Kurbelwelle befindliche Starter/Generator-Einheit zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet. Eine derartige Anordnung hat jedoch eine axiale Verlängerung der gesamten Antriebsvorrichtung zur Folge, da für jedes Kilowatt Leistung der Starter/Generator-Einheit eine Verlängerung von ca. 1 cm erforderlich ist. Darüber hinaus müssen die Montagevorrichtungen, welche zum Zusammenfügen des Getriebes und des Motors dienen, aufgrund der Anordnung der Starter/Generator-Einheit zwischen dem Motor und dem Getriebe verändert und angepaßt werden, was entsprechende Kosten zur Folge hat.

Wird die Starter/Generator-Einheit auf der dem Getriebe gegenüberliegenden Seite des Verbrennungsmotors angeordnet, sind keine Änderungen am Motor, am Getriebe oder an den Montagevorrichtungen erforderlich. Es wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt. Unter Berücksichtigung sämtlicher Aspekte handelt es sich demzufolge um die kostengünstigste Variante, um die elektrische Maschine auf der Kurbelwelle anzuordnen. Des weiteren ist diese Anordnung äußerst kundendienstfreundlich, da die Starter/Generator-Einheit leicht von außen zugänglich ist. Darüber hinaus können komplizierte und demzufolge anfällige Zwischengetriebe vermieden werden. Der üblicherweise auf der Seite der Kurbelwelle, auf welcher die Starter/Generator-Einheit erfindungsgemäß vorzugsweise angeordnet ist, befindliche Riementrieb zur Betätigung des Klimakompressors, der Lenkhilfepumpe usw. des Kraftfahrzeugs kann entfallen, wenn die mit dem Riemen üblicherweise betätigten Aggregate elektrifiziert werden und beispielsweise im Generatorbetrieb direkt von der Starter/Generator-Einheit mit Energie versorgt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in einer Seitenansicht, und

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht einer in Fig. 1 gezeigten elektrischen Maschine.

In Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, über dessen von den Kolben des Verbrennungsmotors 1 angetriebene Kurbelwelle 2 ein Drehmoment über eine (nicht gezeigte) Getriebekupplung (bzw. über einen Wandler bei einem Automatikgetriebe) auf die Getriebeeingangswelle eines Schalt- oder Automatikgetriebes 3 zum Antrieb der am Fahrwerk des Kraftfahrzeugs angebrachten Räder übertragen wird.

Auf der dem Getriebe 3 gegenüberliegenden Seite des Verbrennungsmotors 1 ist eine elektrische Maschine 4 angeordnet. Diese elektrische Maschine 4 dient als Starter/Generator-Einheit und ermöglicht einerseits einen einfachen Start des Verbrennungsmotors 1 und andererseits eine hohe Generatorleistung, um nach dem Starten des Verbrennungsmotors 1 Energie für bestimmte Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.

Die elektrische Maschine 4 umfaßt ein Gehäuse 10, in dem ein Stator, von dem die Statorwicklung 5 dargestellt ist, fest angeordnet ist. Ein Rotor 7 mit einem daran befestigten Dynamoblechpaket 6 ist innerhalb des Stators 5 drehbar gelagert.

Der Rotor 7 ist auf ein Lager 9, beispielsweise ein Rollen-, Kugel, Nadel- oder Gleitlager, aufgesetzt, welche wiederum fest auf der Kurbelwelle 2 angeordnet ist. Zudem ist der Rotor 7 über ein elastisches Koppelelement 11, welches bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Federstahl gefertigt ist, mit der Kurbelwelle 2 verbunden.

Wie insbesondere der Darstellung von Fig. 2 entnommen werden kann, ist das Koppelelement 11 über Schraubverbindungen 15 fest mit der Kurbelwelle 2 verschraubt und läuft daher mit der Kurbelwelle 2 mit. Auf der dem Rotor 7 gegenüberliegenden Seite des Koppelelements 11 ist umlaufend ein Kupplungsbelag 13 aus z. B. Gummi aufgetragen, der durch die federelastische Kraft des Koppelelements 11 gegen den Rotor 7 gedrückt wird und somit durch Haftreibung über das Kuppelelement 11 eine Drehmomentübertragung zwischen dem Rotor 7 und der Kurbelwelle 2 ermöglicht. Wie ebenfalls Fig. 2 entnommen werden kann, ist das Lager 9 fest auf einem Rotorträger 8 angeordnet, der seinerseits über eine Schraubverbindung 14 fest mit der Kurbelwelle 2 verbunden ist.

Durch geeignete Dimensionierung des Koppelelements 11 können die Schwingungen der Kurbelwelle 2 mechanisch bedämpft werden. Da der Rotor 7 als Tilger dient und somit keine separate mechanische Bedämpfungseinrichtung erforderlich ist, kann die elektrische Maschine 4 kleiner dimensioniert werden, so daß insgesamt eine kompaktere Gesamtanordnung erzielt werden kann.

Im Motorbetrieb übernimmt die elektrische Maschine 4 bei Betätigen des Anlasserschlüssels die Funktion eines Anlassers zum Starten des Verbrennungsmotors 1. Hierzu wird den Statorwicklungen 5 eine entsprechende elektrische Energie zugeführt, so daß der Rotor 7 mit einem Anlaufdrehmoment beaufschlagt wird, welches das Starten des Verbrennungsmotors 1 ermöglicht. Nach dem Starten des Verbrennungsmotors 1 befindet sich die elektrische Maschine 4 im Generatorbetrieb, wobei der Rotor 7 über die Kurbelwelle 2 und das Kopplungselement 11 in Rotation versetzt und somit in den Statorwicklungen 5 eine Spannung induziert wird, welche zur Energieversorgung von verschiedenen Verbrauchern oder der Batterie des Kraftfahrzeuges dient.

Wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, ist eine Kupplung vorgesehen, über welche das Koppelelement 11 von dem Rotor 7 entkuppelt und somit gelöst werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kupplung in Form einer elektromagnetischen Kupplung ausgestaltet, wobei ein zum Anziehen und damit Entkuppeln des Koppelelements 11 vorgesehener Elektromagnet 12 fest mit dem Gehäuse 10 verschraubt und parallel zur Umfangsrichtung des Rotors 7 bzw. dem Kupplungsbelag 13 des Koppelelements 11 angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Kupplung kann beispielsweise erzielt werden, daß der Rotor 7 in der Startphase des Verbrennungsmotors 1 erst dann über das Kopplungselement 11 mit der Kurbelwelle 2 verbunden wird, wenn der Rotor 7 eine ausreichend hohe Drehzahl erreicht hat, d. h. der Elektromagnet 12 wird zunächst aktiviert und erst nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl des Rotors 7 wieder deaktiviert, so daß erst dann das Kopplungselement 11 gegen den Rotor 7 gedrückt und somit der Rotor 7 eingekuppelt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Verbrennungsmotor

2

Kurbelwelle

3

Getriebe

4

Elektrische Maschine

5

Statorwicklung

6

Rotor-Blechpaket

7

Rotor

8

Rotorträger

9

Lager

10

Gehäuse

11

Koppelelement

12

Magnet

13

Kupplungsbelag

14

Schraubverbindung

15

Schraubverbindung

Claims

1. Elektrische Maschine,
mit mindestens einem Stator (5), und
mit mindestens einem auf einer Antriebswelle (2) angeordneten Rotor (6-8),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (6-8) über ein Lager (9) auf der Antriebswelle (2) angeordnet ist, und
daß ein elastisches Koppelelement (11) zur elastischen Verbindung des Rotors (6-8) mit der Antriebswelle (2) und zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Rotor (6- 8) und der Antriebswelle (2) vorgesehen ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (11) aus einem federelastischen Material gefertigt ist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (11) aus Federstahl gefertigt ist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (11) aus Hartgummi gefertigt ist.

5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (9), über welches der Rotor auf der Antriebswelle (2) angeordnet ist, ein Rollen-, Kugel-, Nadel- oder Gleitlager ist.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (11) fest an der Antriebswelle befestigt und lösbar mit dem Rotor (6-8) koppelbar ist.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (11) zur Drehmomentübertragung über eine Kupplung (12, 13) mit dem Rotor (6-8) koppelbar ist.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung eine hydraulische Kupplung ist.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (12, 13) eine magnetische Kupplung ist.

10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (11) einen Kupplungsbelag (13) aufweist, der im eingekuppelten Zustand der Kupplung auf den Rotor (6-8) gedrückt wird und durch Haftreibung die Drehmomentübertragung zwischen dem Rotor (6-8) und der Antriebswelle (2) ermöglicht.

11. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupplungsbelag (13) aus Gummi gefertigt ist.

12. Antriebsvorrichtung,
mit einem Antriebsaggregat (1), und
mit einer elektrischen Maschine (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche mindestens einen Stator (5) und mindestens einen auf einer durch das Antriebsaggregat (1) verlaufenden Antriebswelle (2) angeordneten Rotor (6-8) umfaßt.

13. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Antriebsaggregat (1) ein Getriebe (4) nachgeschaltet ist, und
daß die elektrische Maschine (4) an der Antriebswelle (2) auf der dem Getriebe (4) gegenüberliegenden Seite des Antriebsaggregats (1) angeordnet ist.