DE10022319A1

DE10022319A1 - Antriebseinheit, insbesondere elektrische Antriebseinheit zum Antrieb einer Radachse in Transaxelbauweise

Info

Publication number: DE10022319A1
Application number: DE10022319A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Angerer; Uwe Muehlberger
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2000-05-09
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2001-11-29
Also published as: US20020175008A1; CA2378057A1; EP1194995A1; WO2001086782A1; US7216732B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Achsantriebseinheit (1), insbesondere elektrische Antriebseinheit zum Antrieb einer Radachse für den Einsatz in Fahrzeugen; mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator, mit einer Getriebebaueinheit, umfassend mindestens einen Eingang, welcher mit dem Rotor der elektrischen Maschine drehfest verbindbar ist und mindestens einen Ausgang, der mit der Radachse drehfest verbindbar ist. Die elektrische Maschine, Eingang und Ausgang der Getriebebaueinheit und Radachse sind koaxial zueinander angeordnet. Der elektrischen Maschine ist mindestens eine Umrichtereinheit (11) und eine Bremswiderstandsbaueinheit zugeordnet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichtereinheit (11) mit der elektrischen maschine eine bauliche Einheit bildet. DOLLAR A Die Bremswiderstandsbaueinheit ist in unmittelbarer räumlicher Nähe zur elektrischen Maschine und um den Umfang der An- beziehungsweise Abtriebswelle der elektrischen Maschine oder der Radachse angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Achsantriebseinheit, insbesondere eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb einer Radachse in Transaxelbauweise, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektrische Antriebe für Fahrzeuge, insbesondere Hybridantriebe für Fahrzeuge sind in einer Vielzahl von Ausführungen hinsichtlich ihrer konstruktiven Ausgestaltung und des Aufbaus bekannt. Ausführungen zum Antrieb einer Vorderradachse eines Fahrzeuges werden dabei vorzugsweise in Transaxelbauweise ausgeführt. Die Achsantriebseinheit umfaßt in diesem Fall eine im Traktionsbetrieb als Elektromotor betreibbare elektrische Antriebsmaschine, welche über eine Getriebebaueinheit mit der Radachse verbunden ist. Die Leistung zum Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine wird über ein Energieversorgungssystem bereitgestellt, welches je nach Wahl der Energiequelle unterschiedlich ausgeführt sein kann. Denkbar sind dabei die Ausführungen der Energiequelle in Form einer Verbrennungskraftmaschine, einer Energiespeichereinheit oder einer sogenannten Brennstoffzelle. In jedem Fall sind Mittel zur Übertragung der Leistung zur elektrischen Antriebsmaschine erforderlich. Zur Steuerung der elektrischen Antriebsmaschine ist dieser mindestens eine Umrichtereinheit zugeordnet, welche die am Rotor der elektrischen Antriebsmaschine abnehmbaren Größen Moment und Drehzahl hinsichtlich ihrer Größe bestimmen.

Bei Ausführungen in Transaxelbauweise ist der Rotor der elektrischen Antriebsmaschine mit einem im Traktionsbetrieb in Leistungsflußrichtung betrachtet Eingang der Getriebebaueinheit drehfest verbunden. Der Ausgang der Getriebebaueinheit ist drehfest mit der Radachse gekoppelt. Der Begriff Radachse bezieht sich dabei auf die Kopplung mit den Rädern, welche drehfest mit der Achse verbunden sind, und somit keine Relativbewegung zwischen Rädern und Radachse erfolgt. Bezüglich der Leistungsübertragung fungiert die Radachse jedoch als Antriebswelle für die Räder, wobei diese drehfest mit dieser gekoppelt sind. Jedoch wird im nachfolgenden der Begriff Radachse verwendet. Der Antrieb und der Abtrieb der Getriebebaueinheit sowie der Rotor der elektrischen Antriebsmaschine und die Radachse sind koaxial zueinander angeordnet. Dies bedeutet im einzelnen, daß beispielsweise der Rotor der elektrischen Maschine und der Antrieb der Getriebebaueinheit die Radachse umschließt.

Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine ist mindestens eine Umrichterbaueinheit vorgesehen, welche in beliebiger Entfernung von der elektrischen Maschine im Fahrzeug angeordnet sein kann. Die Kopplung erfolgt dabei über entsprechend geschirmte Leitungskabel. Zur Gewährleistung einer sicheren Betriebsweise sind dann zusätzlich zu den Leitungskabeln Kühlwasserleitungen zwischen den Umrichtereinheiten zur Realisierung eines separaten Kühlkreislaufes vorzusehen. Aufgrund der räumlichen Trennung ist die dazu erforderliche Leitungsführung in der Regel auch sehr aufwendig und kompliziert. Desweiteren bedingt eine lange Kabelführung auch eine Erhöhung der frequenzabhängigen Wirkungen elektrischer, magnetischer oder elektromagnetischer Felder auf die Umgebung, insbesondere Lebewesen und der technischen Systeme. Die unter dem Begriff elektromagnetische Verträglichkeit summierbare Auswirkung ist durch zahlreiche nationale und internationale Standards festgelegt. Zur Einhaltung der dabei vorgegebenen Grenzwerte ist eine entsprechende Schirmung vorzusehen. Diese ist jedoch von der Leitungsführung abhängig und kann von Einsatzfall zu Einsatzfall stark voneinander differieren, wobei die sogenannte EMV-Schirmung für jeden Einsatzfall mit unterschiedlichen Randbedingungen extra vorgenommen werden muß. Bin weiterer wesentlicher Nachteil dieser Ausführungen besteht darin, daß mit zunehmender Länge der Kühlwasserleitungen und/oder der elektrischen Verbindungskabel die Störanfälligkeit des Gesamtsystems zunimmt, was unter anderem auf die größere Wirkfläche für Isolationsschäden am Leitungskabel und für Leckagen im Kühlkreislauf zurückführbar ist.

In Analogie gilt diese Aussage auch für die Zuordnung von sogenannten Bremswiderstandsbaueinheiten zur elektrischen Antriebsmaschine, welche im generatorischen Betrieb die elektrische Leistung in Wärmeenergie umwandeln. Auch hier besteht das Erfordernis, diese Bremswiderstandsbaueinheiten in optimaler Weise im Antriebssystem zu integrieren. Da diese elektrisch mit der elektrischen Maschine gekoppelt sind, bestehen bei Ausführungen mit erheblichem räumlichem Abstand die gleichen Probleme wie bei der Anordnung der Umrichtereinheiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ausführung einer Achsantriebseinheit, insbesondere einer elektrischen Antriebseinheit für den Antrieb von Radachsen eines Fahrzeuges derart weiterzuentwickeln, daß eine hinsichtlich der, der elektrischen Antriebsmaschine zuordenbaren Komponenten optimale Bauraumausnutzung bei gleichzeitiger Gewährleistung der Störungsfreiheit hinsichtlich der zur Funktionsweise des Fahrzeuges erforderlichen weiteren Komponenten erzielt wird. Die Anordnung dieser Zusatzkomponenten soll dabei auf einfache Art und Weise erfolgen und hinsichtlich der Ausführung des Fahrzeuges möglichst unabhängig sein. Die zur elektrischen Kopplung zwischen elektrischer Maschine und Bremswiderstandsbaueinheit beziehungsweise elektrischer Maschine und Umrichterbaueinheit erforderlichen Leitungsverbindungen sind auf ein Minimum zu reduzieren und desweiteren der für ein Kühlsystem zur Kühlung der Leitungen beziehungsweise zum Transport der in der Bremswiderstandsbaueinheit erzeugten Wärme möglichst gering zu halten.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Achsantriebseinheit, insbesondere die elektrische Antriebseinheit für den Antrieb einer Radachse eines Fahrzeuges umfaßt mindestens eine elektrische Antriebsmaschine mit mindestens einem Rotor und einem Stator und eine Getriebebaueinheit, welche in Leistungsflußrichtung im Traktionsbetrieb betrachtet zwischen elektrischer Antriebsmaschine und Radachse zwischengeschaltet ist. Der Rotor der elektrischen Antriebsmaschine ist mit einem Eingang der Getriebebaueinheit, welcher auch als Antrieb bezeichnet wird, wenigstens indirekt drehfest verbunden, das heißt entweder direkt oder unter Zwischenschaltung weiterer leistungsübertragender Elemente gekoppelt. Ein Ausgang der Getriebebaueinheit welcher auch als Abtrieb bezeichnet wird, ist wenigstens mittelbar drehfest mit der Radachse verbunden. Dies heißt, daß die drehfeste Verbindung entweder direkt vom Abtrieb der Getriebebaueinheit mit der Radachse erfolgt oder aber unter Zwischenschaltung weiterer Leistungsübertragungselemente. Der Rotor der elektrischen Maschine, der Antrieb der Getriebebaueinheit, der Abtrieb der Getriebebaueinheit sowie die Radachse sind koaxial zueinander angeordnet. Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine ist dieser mindestens eine Umrichterbaueinheit zugeordnet. Zur Umwandlung der im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine erzeugten elektrischen Energie in Wärmeenergie ist dieser eine Bremswiderstandsbaueinheit zugeordnet. Erfindungsgemäß bildet die elektrische Antriebsmaschine mit der Umrichtereinheit eine bauliche Einheit, während die Bremswiderstandsbaueinheit um die An- beziehungsweise Abtriebswelle der elektrischen Maschine oder die Radachse, insbesondere deren Umfang angeordnet ist. Die Definition An- beziehungsweise Abtriebswelle bezieht sich dabei immer auf die Richtung des Leistungsflusses im motorischen und generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine. Unter diesem Begriff sind dabei nicht zwangsläufig nur Elemente in Form von Wellenenden zu verstehen, sondern auch die rotierenden Elemente, welche die Funktion der An- beziehungsweise Abtriebswelle übernehmen können, mit einschließen.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, das eine besonders hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Bauraumes mit optimaler Ausnutzung ausgeführte Achsantriebseinheit bereitgestellt werden kann. Dabei wird in der Regel der zur Verfügung stehende Bauraum, welcher nicht für andere leistungsübertragende Elemente zur Verfügung gestellt werden muß, ausgenutzt. Mit dieser Lösung ist es möglich, mindestens eine Bremswiderstandsbaueinheit mit möglichst geringem Aufwand unabhängig von den gegebenen Einbaubedingungen im Fahrzeug im Antriebsstrang in einem Bereich zu integrieren, welcher in der Regel keine Nutzung erfährt. In diesem Bereich zwischen der Radachse und der im Traktionsbetrieb als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine sind auch keine Behinderungen bei der Betätigung anderer Elemente zur Realisierung der Funktionstüchtigkeit des Fahrzeuges zu erwarten. Die zur elektrischen Kopplung erforderlichen Verbindungsleitungen können dabei sehr kurz gehalten werden. Die EMV-Schirmung kann für die gesamte Baueinheit aus als Antriebsmotor im Traktionsbetrieb fungierende elektrische Maschine und Bremswiderstandsbaueinheit gemeinsam durchgeführt werden. Dies gilt auch für die zusätzliche Integration der Umrichterbaueinheit in der elektrischen Maschine. Desweiteren besteht die Möglichkeit, die Gesamtheit der im Traktionsbetrieb als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine mit der Bremswiderstandsbaueinheit und der Umrichterbaueinheit als vorgefertigte Baueinheit herzustellen und anzubieten. Die Integration in Antriebssystemen ist somit unabhängig von den Möglichkeiten der Befestigung für diese zusätzlichen Funktionselemente am Fahrzeugrahmen oder anderen Elementen auf sehr einfache Art und Weise kostengünstig möglich.

Die Anordnungsmöglichkeiten beziehungsweise Integrationsmöglichkeiten von Umrichtereinheit und Bremswiderstandsbaueinheit werden nachfolgend getrennt für sich betrachtet. Die Anordnung der Bremswiderstandsbaueinheit erfolgt am Gehäuse der als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine. Bezüglich der Kopplung mit dem Gehäuse bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten. Vorzugsweise erfolgt diese mechanisch durch Anflanschen der Bremswiderstandsbaueinheit am Gehäuse. Denkbar ist jedoch auch, bei entsprechender Ausgestaltung der elektrischen Kopplungsmöglichkeit zwischen der Bremswiderstandsbaueinheit und dem Elektromotor, beispielsweise in Form einer elektrischen Steckverbindung, diese Mittel mit zur Befestigung zu nutzen. Dabei ist es jedoch erforderlich, daß die elektrische Maschine hinsichtlich der Mittel zur elektrischen Kopplung in entsprechender Weise ausgestaltet sein muß.

Jeder als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine sind entweder ein oder mehrere Bremswiderstandsbaueinheiten zugeordnet. Entsprechend der konstruktiven Gestaltung der Bremswiderstandsbaueinheit sind diese bei einer Ausführung mit mehreren Bremswiderstandsbaueinheiten ringförmig um die An- bzw. Abtriebswelle der als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine gruppiert angeordnet oder aber in axialer Richtung in Einbaulage im Antriebssystem betrachtet nebeneinander angeordnet.

Der erstgenannte Fall bietet den Vorteil, daß hinsichtlich ihrer geometrischen Ausgestaltung konventionell ausgeführte Bremswiderstandsbaueinheiten in erfindungsgemäßer Art und Weise im Antriebsstrang einzeln oder in Mehrzahl integriert werden können. Vorzugsweise wird jedoch eine Ausführung der elektrischen Bremswiderstandsbaueinheit gewählt, welche geeignet ist, die An- bzw. Abtriebswelle wenigstens teilweise zu umschließen, wobei bevorzugt eine ringförmige Ausgestaltung der Bremswiderstandsbaueinheit angestrebt wird. Die Bremswiderstandsbaueinheit kann dann koaxial zur An- bzw. Abtriebswelle der als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine angeordnet werden. Diese Möglichkeit der Anordnung stellt die bezüglich der Bereitstellung der Anschlußelemente und des erforderlichen Bauraumes günstigste Variante dar.

Für den Fall, daß eine Mehrzahl von Bremswiderstandsbaueinheiten benötigt wird, sind diese ebenfalls vorzugsweise ringförmig ausgebildet und derart modular aufgebaut, daß diese in axialer Richtung in Einbaulage betrachtet nebeneinander und koaxial zur An- bzw. Abtriebswelle der als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine angeordnet sind. Die Kopplung der einzelnen Widerstandsbaueinheiten untereinander erfolgt dabei im einfachsten Fall über form- und kraftschlüssige Verbindungen.

Bei der ringförmigen Ausgestaltung der Bremswiderstandsbaueinheit ist darauf abzustellen, daß der Innendurchmesser der Bremswiderstandsbaueinheit derart bemessen ist, daß ein Umschließen der An- bzw. Abtriebswelle der als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine möglich ist. Entsprechend der Abmessungen in axialer Richtung, d. h. der Erstreckung der Bremswiderstandsbaueinheit von der Gehäusewand der elektrischen Maschine weg, besteht die Möglichkeit, daß die Bremswiderstandsbaueinheit nicht nur die An- bzw. Abtriebswelle der als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine umschließt, sondern auch die Kopplung mit dem sich möglicherweise daran anschließenden Wellenstrang oder einem anderen Übertragungselement. Die Kopplung zwischen An- bzw. Abtriebswelle der elektrischen Maschine und dem Wellenstrang oder einem anderen Element zur Leistungsübertragung, beispielsweise einer Drehzahl-/Drehmomentenwandlungs- oder übertragungseinrichtung kann vielgestaltig ausgeführt sein. Im einfachsten Fall weisen beide - Wellenstrang oder Drehzahl-/Drehmomentenwandlungs- oder Übertragungseinrichtung, insbesondere deren Anschlußwelle, und An- bzw. Abtriebswelle der elektrischen Maschine - jeweils einen flanschartig gestalteten Endbereich auf, wobei die beiden flanschartigen Endbereiche miteinander form- und/oder kraftschlüssig koppelbar sind. Denkbar sind jedoch auch Ausführungen mit Kupplungseinrichtungen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist für Antriebssysteme mit wenigstens einer motorisch und generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine, welche über einen Wellenstrang wenigstens mittelbar mit wenigstens einem anzutreibenden Rad koppelbar ist, einsetzbar, unabhängig von der Art der im Traktionsbetrieb vorgenommenen Energieversorgung, welche die Art des Antriebssystemes bestimmt. Möglich ist somit die Integration in

a) dieselelektrischen Antriebssystemen
b) Antriebssystemen mit Brennstoffzellenantrieb
c) Antriebssystemen mit externer elektrischer Energieversorgung, beispielsweise aus einer Oberleitung

Im erstgenannten Fall fungiert als Energiequelle eine Verbrennungskraftmaschine, welche mit einer im Traktionsbetrieb als Generator betreibbaren elektrischen Maschine mechanisch koppelbar ist. Die als Generator betreibbare elektrische Maschine ist elektrisch mit der als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine koppelbar. Die elektrische Kopplung erfolgt über einen sogenannten Spannungszwischenkreis. Der als Generator betreibbaren elektrische Maschine und der im Traktionsbetrieb als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine sind zur Steuerung der erzeugbaren bzw. aufnehmbaren elektrischen Leistung entsprechende Einrichtungen in Form von Umrichtern zugeordnet, welche ansteuerbar sein können.

Bei der zweiten, unter b) genannten Möglichkeit wird über eine Brennstoffzelleneinheit chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, welche zur Speisung der als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine genutzt werden kann.

Bei der unter c) aufgeführten Energiequelle wird elektrische Leistung aus einem externen Netz zur Verfügung gestellt, welche zur Speisung der als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine genutzt wird.

Für die konkrete konstruktive Ausgestaltung des Gesamtantriebssystems bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten, welche entsprechend den Einsatzerfordernissen im Ermessen des zuständigen Fachmannes liegen.

Die Zusammenfassung zwischen elektrischer Maschine und Umrichterbaueinheit zu einer baulichen Einheit kann ebenfalls auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Unter baulicher Einheit wird dabei eine Zusammenfassung der elektrischen Maschine und der dieser zugeordneten Umrichtereinheit verstanden, welche sich dadurch auszeichnet, daß baulich betrachtet keine räumliche Trennung erfolgt, das heißt die Umrichtereinheit wird im Bereich der elektrischen Maschine, insbesondere dessen Gehäuses angeordnet und berührt dieses, Unabhängig von den eventuell erforderlichen Verbindungsleitungen zur elektrischen Kopplung. Die der Umrichtereinheit zugehörigen Bauelemente sind in der Regel in einem Gehäuse zusammengefaßt. Über entsprechende Anschlüsse ist eine elektrische Kopplung mit der elektrischen Maschine realisierbar. Die Umrichterbaueinheit weist dazu entsprechende Mittel, vorzugsweise in Form von verschraubbaren Verbindungen auf. Die Bildung einer baulichen Einheit aus elektrischer Maschine und zugeordneter Umrichtereinheit kann unterschiedlich erfolgen. Wesentlich ist, daß immer eine elektrische Kopplung vorhanden ist. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Umrichtereinheit mechanisch mit der elektrischen Maschine zu verbinden. Zur Realisierung der Kopplung sind folgende Varianten denkbar:

- formschlüssig
- kraftschlüssig
- stoffschlüssig.

Die konkrete Ausführung kann eine Kombination dieser Kopplungsmöglichkeiten umfassen. Im einfachsten Fall wird die mechanische Kopplung zwischen der Umrichtereinheit und dem dieser zugeordneten elektrischen Maschine über die Mittel zur elektrischen Kopplung realisiert. In diesem Fall werden die Mittel zur mechanischen Kopplung mit den Mitteln zur elektrischen Kopplung vom gleichen Bauelement beziehungsweise den gleichen Bauelementen gebildet. Das heißt beispielsweise, daß durch die Realisierung einer elektrischen verschraubbaren Verbindung diese gleichzeitig die mechanische Kopplung zwischen der elektrischen Maschine und der dieser zugeordneten Umrichtereinheit ermöglicht. Dabei wird bereits durch die entsprechende Anordnung der Umrichtereinheit und die Ausführung der elektrischen Kopplung ein Tragen der Umrichtereinheit an der elektrischen Maschine ermöglicht.

Desweiteren besteht die Möglichkeit, die Mittel zur elektrischen Kopplung und die Mittel zur Realisierung der mechanischen Kopplung unterschiedlichen Bauelementen zuzuordnen. Im einfachsten Fall erfolgt die mechanische Kopplung dazu über Mittel, welche eine Kopplung zwischen dem Gehäuse der Umrichtereinheit und dem Gehäuse oder einem anderen Trägerelement der elektrischen Maschine ermöglichen. Diese können formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig wirken. Dies bietet den Vorteil einer festen Zuordnung der Umrichtereinheit zur elektrischen Maschine, wobei die Gesamtbaueinheit elektrische Maschine und Umrichtereinheit als ein Modul vormontiert und selbständig handelbar anbietbar ist.

Vorzugsweise wird eine lösbare Verbindung zum Einsatz gelangen. Dies bietet den Vorteil des einfachen Austausches bei Betriebsstörungen und/oder bei gewünschter Anpassung an andere Randbedingungen, welche den Einsatz eines anderen Typs einer Umrichtereinheit erfordern.

Die Umrichtereinheiten selbst können dabei als Wechselrichtereinheiten unterschiedlichen Typs ausgeführt sein. Im einfachsten Fall umfaßt eine Umrichtereinheit wenigstens eine Diodengleichrichtereinrichtung. Diese kann wiederum Zweige aufweisen, in denen eine Mehrzahl von Dioden parallel geschaltet und/oder in Reihe geschaltet sind. Dabei werden vorzugsweise Dioden gleichen Typs verwendet. Bezüglich der weiteren Möglichkeiten der Ausführungen von Umrichtereinheiten, insbesondere Wechselrichtereinheiten wird auf die bekannte einschlägige Fachliteratur verwiesen.

Für die konkrete Anordnung der Umrichtereinheit und der Bremswiderstandsbaueinheiten an der elektrischen Maschine bestehen je nach Ausgestaltung der elektrischen Maschine, der Ausführung und Anzahl der Bremswiderstandsbaueinheiten unterschiedliche Möglichkeiten. Bei exzentrischer Anordnung der Bremswiderstandsbaueinheiten an einer der Stirnflächen der elektrischen Maschine ist es denkbar, die Integration der Umrichterbaueinheit ebenfalls im Bereich dieser Stirnfläche derart vorzunehmen, daß die Umrichtereinheit ebenfalls am Umfang der Radachse oder der An- beziehungsweise Abtriebswelle der elektrischen Maschine erfolgt. Ansonsten besteht die Möglichkeit, je nach Kopplung und Anordnung der elektrischen Maschine und Getriebebaueinheit zueinander die Integration der Umrichterbaueinheit beziehungsweise die Zusammenfassung von elektrischer Maschine und Umrichterbaueinheit im Bereich des Außenumfanges an beliebiger Stelle vorzunehmen. Vorzugsweise werden bei Bauformen in Transaxelbauweise die Getriebebaueinheit und die elektrische Maschine in räumlich unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. In diesem Fall werden vorzugsweise die Gehäuse der beiden Baueinheiten - Getriebebaueinheit und elektrische Maschine - aneinander angeflanscht. In diesem Fall erfolgt zumindest die Anordnung der Bremswiderstandsbaueinheit auf der von der Getriebebaueinheit weggerichteten Stirnfläche der elektrischen Maschine. Die Umrichtereinheit erfolgt entweder, falls noch Bauraum zur Verfügung steht ebenfalls an der Stirnfläche oder am Umfang der elektrischen Maschine. Bei Anordnung am Umfang wird jedoch eine Ausführung gewählt, die in Einbaulage dadurch charakterisiert ist, daß in einer Seitenansicht auf das Fahrzeug die Umrichtereinheit vor oder hinter der elektrischen Maschine angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 verdeutlicht in vereinfachter Darstellung anhand einer Schnittdarstellung eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäß gestalteten Achsantriebes;

Fig. 2a und 2b verdeutlichen einander gegenübergestellt alternative Ausführungs- und Anordnungsmöglichkeiten von Bremswiderstandsbaueinheiten.

Die Fig. 1 verdeutlicht anhand eines Axialschnittes den Grundaufbau einer erfindungsgemäß gestalteten Achsantriebseinheit 1, insbesondere in Form einer elektrischen Antriebseinheit 2 zum Antrieb einer Radachse 3 in Transaxelbauweise. Die Achsantriebseinheit 1 umfaßt mindestens eine, im Traktionsbetrieb als Antriebsmotor fungierende elektrische Maschine 4, insbesondere einen Elektromotor und eine mit diesem gekoppelte Getriebebaueinheit 5. Die Getriebebaueinheit 5 ist dabei zwischen der elektrischen Maschine 4 und der anzutreibenden Radachse 3 angeordnet. Der Begriff Radachse wird dabei in Bezug auf die Räder gewählt, da die Radachse drehfest mit den Rädern koppelbar ist, d. h. keine Relativbewegung zwischen Rad und Achse erfolgt. Bezüglich der Funktion fungiert diese jedoch als Antriebswelle. Die elektrische Maschine 4 umfaßt wenigstens einen Rotor 6 und einen Stator 7, wobei in Leistungsflußrichtung im Traktionsbetrieb betrachtet der Rotor 6 mit einem Eingang 8 der Getriebebaueinheit 5 drehfest verbunden ist. Dieser Eingang 8 fungiert bei Leistungsflußrichtung im Traktionsbetrieb betrachtet als Antrieb der Getriebebaueinheit 5.

Die elektrische Maschine 4 ist vorzugsweise als Transversalflußmaschine ausgeführt. Diese ermöglicht bei geringer Baugröße eine hohe Kraftdichte und ist damit optimal für den Einsatz im Fahrzeug geeignet. Die Getriebebaueinheit 5 weist ferner mindestens einen Ausgang 9 auf, welcher in Leistungsflußrichtung im Traktionsbetrieb betrachtet als Abtrieb der Getriebebaueinheit 5 fungiert und wenigstens mittelbar drehfest mit der Radachse 3 verbunden ist. Dies bedeutet im einzelnen, daß der Ausgang 9, das heißt der Abtrieb der Getriebebaueinheit 5 entweder direkt drehfest mit der Radachse 3 verbunden ist oder aber weitere Leistungsübertragungselemente zwischengeschaltet sind. Im dargestellten Fall umfaßt die Getriebebaueinheit 5 neben einer Planetenradstufe 23 ein mit einem Ausgang 24 der Planetenradstufe 23 gekoppeltes Differential 25. Der Eingang 8 der Getriebebaueinheit 5 wird dabei vom Sonnenrad 23.1 der Planetenradstufe 23 gebildet. Als Ausgang 24 fungiert der Steg 23.2, welcher mit einem Eingang 27 des Differentials 25 verbunden ist. Das Differential 25 weist zwei Ausgänge 26.1 und 26.2 auf, die gleichzeitig die Ausgänge 9.1 und 9.2 der Getriebebaueinheit 5 bilden und drehfest mit der Radachse, insbesondere den einzelnen Radachsteilen 3.1 und 3.2, die jeweils mit einem Rad drehfest verbunden sind, gekoppelt sind.

Bei der Transaxelbauweise sind wenigstens der Rotor 6 der elektrischen Maschine 4 - der Antrieb 8 der Getriebebaueinheit 5, der bzw. die Abtriebe 9.1 und 9.2 der Getriebebaueinheit 5 und die Radachse 3 bzw. die Radachsteile 3.1 und 3.2 - koaxial zueinander angeordnet. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung der Getriebebaueinheit 5 koaxial zur Radachse 3. Es sind jedoch auch Ausführungen denkbar, bei denen die Getriebebaueinheit einen im wesentlichen hinsichtlich der Radachse 3 unsymmetrischen Aufbau aufweist.

Zur Realisierung einer mindestens über einen Teilbereich des Betriebsbereiches "Bremsen" Umwandlung der im generatorischen Betrieb von den im Traktionsbetrieb als Radantriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine 4 erzeugten elektrischen Energie für unterschiedliche Anwendungszwecke in Wärmeenergie ist der elektrischen Maschine 4 wenigstens eine Bremswiderstandsbaueinheit 10 zugeordnet. Diese Bremswiderstandsbaueinheit 10 ist an der elektrischen Maschine 4 angeordnet, vorzugsweise an dieser anflanschbar ausgeführt. Desweiteren ist der elektrischen Antriebsmaschine 4 zur Ansteuerung, insbesondere zur Beeinflussung der Drehzahl-/Drehmomentwandlung mindestens eine Umrichtereinheit 11 zugeordnet. Erfindungsgemäß ist desweiteren die Umrichterbaueinheit 11 entweder unmittelbar an der elektrischen Maschine 4 angeordnet oder in dieser integriert und bildet somit mit dieser eine bauliche Einheit 20.

In der dargestellten Ausführung ist die Bremswiderstandsbaueinheit 10 am Gehäuse 12 der elektrischen Maschine 4 an der von der Getriebebaueinheit 5 weggewandten Stirnfläche 13 des Gehäuses 12 angeordnet. Die Anordnung in radialer Richtung erfolgt dabei bezogen auf die Rotationsachse R_E der elektrischen Maschine 4 vorzugsweise in einem Bereich zwischen der Rotationsachse R_E und dem Außenumfang 14 des Gehäuses 12 der elektrischen Maschine. Eine Erstreckung esentlich über den Außenumfang 14 hinaus in radialer Richtung ist ebenfalls denkbar. Vorzugsweise werden jedoch Ausführungen angestrebt, die den in Höhenrichtung durch die Abmaße von elektrischer Maschine und Getriebebaueinheit 5 vorgegebenen Bereich nicht oder nur unmerklich überschreiten. Die Bremswiderstandsbaueinheit 10 ist dabei um den Umfang der Antriebs- beziehungsweise Abtriebswelle 28 der elektrischen Maschine 4 oder der Radachse 3 angeordnet. Mit dieser Ausführung wird ohnehin vorhandener Bauraum, welcher nicht für andere leistungsübertragende Elemente nutzbar ist, in idealer Weise zur Unterbringung von Leistungsgliedern verwendet. Die Bremswiderstandsbaueinheit 10 ist elektrisch mit der elektrischen Maschine 4 koppelbar. Die Definition An beziehungsweise Abtriebswelle der elektrischen Maschine 4 bezieht sich dabei immer in Richtung des Leistungsflusses im motorischen und generatorischen Betrieb betrachtet. Unter diesem Begriff werden dabei nicht zwangsläufig nur Elemente in Form von Wellenenden verstanden, sondern auch rotierende Elemente, welche die Funktion der An- beziehungsweise Abtriebe übernehmen können. Diese Lösung im Zusammenhang für eine Antriebseinheit in Transaxelbauweise ermöglicht mit geringem Aufwand unabhängig von den gegebenen Einbaubedingungen im Fahrzeug im Antriebsstrang die Bremswiderstandsbaueinheit 10 in einem Bereich zu integrieren, welcher bisher in keiner Weise eine Nutzung erfahren hat. In diesem Bereich zwischen der als Radmotor fungierenden elektrischen Maschine 4 und der Radachse sind auch keine Behinderungen bei der Betätigung anderer Elemente zur Realisierung der Funktionstüchtigkeit des Fahrzeuges zu erwarten. Die zur elektrischen Kopplung erforderliche Leitungsverbindung beziehungsweise Leitungsverbindungen können sehr kurz gehalten werden. Die EMV-Schirmung kann für die gesamte Baueinheit aus als Antriebsmotor im Traktionsbetrieb fungierenden elektrischen Maschine 4 und Bremswiderstandsbaueinheit 10 gemeinsam durchgeführt werden.

Bezüglich der Kopplung mit dem Gehäuse 12 bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten. Vorzugsweise erfolgt diese mechanisch durch Anflanschen der Bremswiderstandsbaueinheit 10 am Gehäuse 12. Denkbar ist es jedoch auch, bei entsprechender Ausgestaltung der elektrischen Kopplungsmöglichkeit zwischen der Bremswiderstandsbaueinheit 10 und der elektrischen Maschine 4, beispielsweise in Form einer elektrischen Steckverbindung, diese Mittel mit zur Befestigung zu benutzen. Dies setzt jedoch voraus, daß die als Antriebsmotor fungierende elektrische Maschine 4 hinsichtlich der Mittel zur elektrischen Kopplung in entsprechender Weise ausgeschaltet sein muß.

Jeder als Antriebsmotor fungierenden elektrischen Maschine 4 sind mindestens ein, vorzugsweise jedoch mehrere Bremswiderstandsbaueinheiten 10.1 bis 10.n zugeordnet. Entsprechend der konstruktiven Ausgestaltung der Bremswiderstandsbaueinheit 10 beziehungsweise 10.1 bis 10.n sind diese bei einer Ausführung mit mehreren Bremswiderstandsbaueinheiten 10.1 bis 10.n entweder hintereinander ringförmig um den Umfang der Radachse 3 wie in Fig. 2a dargestellt oder aber in axialer Richtung in Einbaulage der Achsantriebseinheit 1 betrachtet jeweils um den Umfang der Radachse, jedoch nebeneinander angeordnet. Diese Ausführung ist in der Fig. 2b in einer Ansicht von der Seite gemäß Fig. 1, jedoch in wesentlich vereinfachter Darstellung wiedergegeben. Die einzelnen Widerstandsbaueinheiten 10.1 bis 10.n sind dabei vorzugsweise zu einer baulichen Einheit 15 zusammengefaßt, welche an der Stirnfläche 13 der elektrischen Maschine 4 angeflanscht ist. Die Befestigung erfolgt dabei mittels form- und/oder kraftschlüssiger Verbindungen. Die einzelnen Bremswiderstandsbaueinheiten 10.1 bis 10.n sind vorzugsweise hinsichtlich ihrer konstruktiven Ausführung und Dimensionierung gleich ausgeführt. Deren Abmessung in radialer Richtung sind vorzugsweise derart bemessen, daß diese sich nicht über eine Abmessung, welche der des Außenumfanges 15 der elektrischen Maschine 4 entspricht, hinaus erstreckt. Vorzugsweise folgt die radiale Erstreckung im Bereich zwischen dem Außenumfang 16 der Radachse beziehungsweise eines diesen umschlingenden Teiles 17 des Gehäuses 12 der elektrischen Maschine 4 und dem Außenumfang 14 der elektrischen Maschine 4. Bei beiden in den Fig. 2a und 2b dargestellten Ausführungen ist die Stirnfläche 13 des Gehäuses 12 frei von der Anordnung der Umrichterbaueinheit 11. Diese ist der elektrischen Antriebsmaschine 4 in einem anderen Bereich von deren Außenumfang am Gehäuse 12 zugeordnet. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung in Einbaulage am Fahrzeug betrachtet in der Seitenansicht vor oder hinter der elektrischen Maschine 4. Eine derartige Ausführung ist in der Fig. 2b dargestellt.

Eine andere, hier nicht dargestellte Anordnungsmöglichkeit für die Bremswiderstandsbaueinheit und/oder die Umrichtereinheit 11 bei erheblich unterschiedlichen Abmessungen in radialer Richtung von elektrischer Antriebsmaschine 4 und Getriebebaueinheit 5 besteht darin, diese auf der der Getriebebaueinheit zugewandte Stirnseite oberhalb der Getriebebaueinheit anzuordnen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung bilden jedoch die Umrichtereinheit 11 und die elektrische Maschine 4 eine bauliche Einheit. Für die konkrete Ausgestaltung der Zusammenfassung von elektrischer Maschine 4 und Umrichtereinheit 11 zu Baueinheit 20 bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten. Insbesondere die konkrete Ausgestaltung der elektrischen Kopplung und einer eventuell zusätzlichen mechanischen Kopplung zwischen Umrichtereinheit 11 und elektrischer Maschine 4 liegt dabei im Ermessen des Fachmannes und erfolgt entsprechend des Einsatzfalles und der Gegebenheiten der verwendeten standardisierten Elemente. Die Baueinheit 20 wird dabei wenigstens durch die elektrische Kopplung zwischen der Umrichterbaueinheit 11 mit der elektrischen Maschine 4 realisert. Dazu weist die elektrische Maschine vier, hier im einzelnen nicht dargestellte Anschlüsse 21 auf, welche mit dazu komplementären Anschlüssen an der dieser zugeordneten Umrichtereinheit 11 bei Kopplung in Wirkverbindung treten. Entsprechend der Anordnung der Umrichtereinheit 11 an der elektrischen Maschine 4 besteht die Möglichkeit, bereits allein mit den Mitteln zur Realisierung der elektrischen Kopplung zwischen Umrichtereinheit 11 und elektrischer Maschine 4 eine Fixierung der Umrichtereinheit 11 an der elektrischen Maschine 4 zu realisieren. Die Mittel zur elektrischen Kopplung, welche zueinander komplementär ausgeführte Verbindungselemente umfassen, bilden dann gleichzeitig die Mittel zur mechanischen Verbindung zwischen der Umrichtereinheit 11 und der elektrischen Maschine 4. Denkbar sind desweiteren hier im einzelnen nicht dargestellte Ausführungen, bei welchen Mittel zur zusätzlichen mechanischen Kopplung zwischen der Umrichtereinheit 11 und der elektrischen Maschine 4 vorgesehen sind. Im einfachsten Fall wird dies durch eine zusätzliche Befestigung der Umrichtereinheit 11, beispielsweise des Gehäuses 22 der Umrichtereinheit an der elektrischen Maschine 4 realisiert. Die konkrete Ausgestaltung der Kopplung liegt dabei im Ermessen des Fachmannes und hängt im einzelnen von den für den Einsatz vorgesehenen Umrichtereinheiten, insbesondere deren Abmessungen und Gewicht sowie die Anordnung am zugehörigen elektrischen Aggregat ab.

Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft in einer Achsantriebsausführung für den Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere Pkw geeignet, wobei die elektrische Maschine 4 vorzugsweise als Transversalflußmaschine, das heißt Wechselstrommaschine mit transverseller Flußführung ausgeführt ist, einsetzbar.

Bezugszeichenliste

1

Achsantriebseinheit

2

elektrische Antriebseinheit zum Antrieb einer Radachse in Transaxelbauweise

3

,

3.1

,

3.2

Radachse

4

im Traktionsbetrieb als Antriebsmaschine fungierende elektrische Maschine

5

Getriebebaueinheit

6

Rotor

7

Stator

8

Eingang der Getriebebaueinheit

9.1

,

9.2

Ausgang der Getriebebaueinheit

10

Bremswiderstandsbaueinheit

11

Umrichterbaueinheit

12

Gehäuse

13

Stirnfläche

14

Außenumfang

15

bauliche Einheit

16

Außenumfang der Radachse

17

die Radachse umschließender Teil am Gehäuse

12

20

Baueinheit

21

Anschlüsse

22

Anschlußelemente

23

Planetenradstufe

24

Ausgang

25

Differential

26.1

,

26.22

Ausgang Differential

27

Eingang Differential

28

An- bzw. Abtriebswelle der der elektrischen Maschine

Claims

1. Achsantriebseinheit (1), insbesondere elektrische Antriebseinheit (2) zum Antrieb einer Radachse (3) für den Einsatz in Fahrzeugen;

1. 1.1 mit einer elektrischen Maschine (4), umfassend einen Rotor (6) und einen Stator (7);
2. 1.2 mit einer Getriebebaueinheit (5), umfassend mindestens einen Eingang (8), welcher mit dem Rotor (6) der elektrischen Maschine (4) drehfest verbindbar ist und mindestens einen Ausgang (9.1, 9.2), der mit der Radachse (3) drehfest verbindbar ist;
3. 1.3 elektrische Maschine (4), Eingang (8) und Ausgang (9.1, 9.2) der Getriebebaueinheit (5) und Radachse (3) sind koaxial zueinander angeordnet;
4. 1.4 der elektrischen Maschine (4) ist mindestens eine Umrichtereinheit (11) und eine Bremswiderstandsbaueinheit (10) zugeordnet;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 1.5 die Umrichtereinheit (11) ist mit der elektrischen Maschine (4) zu einer baulichen Einheit (20) zusammengefaßt;
2. 1.6 die Bremswiderstandsbaueinheit (10) ist in unmittelbarer räumlicher Nähe zur elektrischen Maschine (4) und um den Umfang der An beziehungsweise Abtriebswelle (28) der elektrischen Maschine (4) oder der Radachse (3) angeordnet.

2. Achsantrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur mechanischen Verbindung der Umrichtereinheit (11) mit der elektrischen Maschine (4) vorgesehen sind.

3. Achsantriebseinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur elektrischen Kopplung der Umrichtereinheit (11) mit der elektrischen Maschine (4) und die Mittel zur mechanischen Kopplung von den gleichen Bauelementen gebildet werden.

4. Achsantriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichtereinheit (11) am Außenumfang (14) des Gehäuses (12) der elektrischen Antriebsmaschine (4) angeordnet ist.

5. Achsantriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichtereinheit (11) im Gehäuse der elektrischen Antriebsmaschine (4) angeordnet ist.

6. Achsantriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichtereinheit (11) an einer Stirnfläche (13) der elektrischen Antriebsmaschine (4) angeordnet ist.

7. Achsantriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur mechanischen Kopplung zwischen der elektrischen Maschine (4) und der dieser zugeordneten Umrichtereinheit (11) Verbindungsmittel (21, 22) umfassen, die zueinander komplementär an den miteinander zu verbindenden Elementen (4, 11) ausgeführt sind und eine kraftschlüssige Verbindung ermöglichen.

8. Achsantriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur mechanischen Kopplung zwischen der elektrischen Maschine (4) und der dieser zugeordneten Umrichtereinheit (11) zueinander komplementär ausgeführte Verbindungsmittel (21, 22) umfassen, welche eine formschlüssige Verbindung ermöglichen.

9. Achsantriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 9.1 es sind eine Vielzahl von Bremswiderstandsbaueinheiten (10.1, 10.2, 10.3) vorgesehen;
2. 9.2 die Bremswiderstandsbaueinheiten (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5) sind in einer Ansicht auf die Radachse (3) in axialer Richtung in einer Ebene ringfömig um den Umfang der An- beziehungsweise Abtriebswelle (28) der elektrischen Maschine (4) oder der Radachse (3) gruppiert.

10. Achsantriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Bremswiderstandsbaueinheit (10.1, 10.2, 10.3) einen geometrischen Aufbau aufweist, welcher in Umfangsrichtung der An- beziehungsweise Abtriebswelle (28) der elektrischen Maschine (4) oder der Radachse (3) diese wenigstens teilweise umschließt.

11. Achsantriebseinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremswiderstandsbaueinheit (10.1, 10.2, 10.3) ringförmig ausgeführt ist.

12. Achsantriebseinheit (1) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 12.1 es sind eine Vielzahl von Bremswiderstandsbaueinheiten (10.1, 10.2, 10.3) vorgesehen, welche nebeneinander angeordnet sind;
2. 12.2 die Bremswiderstandsbaueinheiten (10.1, 10.2, 10.3) sind modular aufgebaut und miteinander mechanisch und elektrisch koppelbar.

13. Achsantriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (4) als Transversalflußmaschine ausgeführt ist.

14. Antriebssystem

1. 14.1 mit einer Achsantriebseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13;
2. 14.2 mit einem Energieversorgungssystem für die Achsantriebseinheit (1);
3. 14.3 das Energieversorgungssystem umfaßt eine Brennstoffzelle, welche mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist.

15. Antriebssystem

1. 15.1 mit einer Achsantriebseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13;
2. 15.2 mit einem Energieversorgungssystem für die Achsantriebseinheit (1);
3. 15.3 das Energieversorgungssystem umfaßt eine Verbrennungskraftmschine, eine mit dieser mechanisch koppelbare und im Traktionsbetrieb als Generator betreibbare elektrische Maschine und eine elektrische Kopplung zur Verbindung des Energieversorgungssystems mit der elektrischen Maschine (4) des Achsantriebes (1).