DE10111518A1

DE10111518A1 - Elektrischer Antrieb sowie Antriebsstrang für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE10111518A1
Application number: DE10111518A
Authority: DE
Inventors: Johannes Weinzierl
Original assignee: Vodafone Pilotentwicklung GmbH
Current assignee: P21 GMBH, 85649 BRUNNTHAL, DE
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2002-10-02

Abstract

Beschrieben wird ein elektrischer Antrieb für ein Fahrzeug sowie ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Antrieb, wobei der elektrische Antrieb als wenigstens eine Asynchronmaschine mit einem Stator, mit Statorwicklungen und einem Rotor, mit Rotorwicklungen, ausgebildet ist. Der elektrische Antrieb ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine eine Überlastbarkeit von größer 4 aufweist, wobei als Überlastbarkeit das Maximaldrehmoment, bezogen auf das Nenndrehmoment der Asynchronmaschine, verstanden wird. Auf diese Weise kann der elektrische Antrieb speziell für den Fahrbetrieb eines Fahrzeugs zugeschnitten werden. Über den elektrischen Antrieb kann die Abgabe der Leistung jeweils an den aktuellen Leistungsbedarf des Fahrzeugs angepaßt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 15.

Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb sind bereits in verschiedensten Varianten bekannt. Beispielsweise werden elektrische Antriebe in Nutzfahrzeugen wie beispielsweise Gabelstaplern, Flurförderzeugen und dergleichen verwendet. In letzter Zeit werden elektrische Antriebe jedoch auch immer mehr im Zusammenhang mit Personenkraftwagen (PKW), Nutzkraftwagen (NKW) und dergleichen eingesetzt. Insbesondere, seitdem die Brennstoffzellentechnologie als Energieversorger für elektrische Antriebe im Automobilsektor auf dem Vormarsch ist, rücken elektrische Antriebe für Fahrzeuge immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses.

Elektrische Antriebe für Fahrzeuge sind bisher beispielsweise in Form von Gleichstrommaschinen ausgebildet. Gleichstrommaschinen sind wegen ihres Kommutators jedoch relativ störanfällig und wartungsintensiv. Weiterhin weisen Gleichstrommaschinen in der Regel ein relativ hohes Gewicht auf. Gleichstrommaschinen sind somit als elektrische Antriebe für Fahrzeuge, insbesondere als elektrische Antriebe für PKW, NKW und dergleichen nur bedingt einsatzfähig.

Ebenso ist es bereits bekannt, elektrische Antriebe für Fahrzeuge in Form von Wechselstrommaschinen auszubilden. Wechselstrommaschinen haben im Gegensatz zu Gleichstrommaschinen den Vorteil, daß sie über keine Kohlenbürsten verfügen und somit wartungsfrei und zuverlässiger sind. Weiterhin weisen Wechselstrommaschinen in der Regel eine größere thermische Belastbarkeit als Gleichstrommaschinen auf.

Wechselstrommaschinen können beispielsweise in Form von Synchronmaschinen, und hier insbesondere in Form permanenterregter Synchronmaschinen, ausgebildet sein. Solche elektrischen Maschinen haben jedoch den Nachteil, daß sie nur über eine geringe Überlastbarkeit, etwa im Bereich von 2, verfügen. Als Überlastbarkeit wird dabei das Maximaldrehmoment bezogen auf das Nenndrehmoment der elektrischen Maschine verstanden. Weiterhin verfügen permanenterregte Synchronmaschinen nur über ein geringes Beschleunigungsvermögen und benötigen eine aufwendige Steuerung. Dies ist jedoch beim Einsatz von elektrischen Antrieben in PKW, NKW und dergleichen von erheblichem Nachteil.

Um die im Zusammenhang mit Synchronmaschinen vorherrschenden Nachteile zu umgehen, ist es bereits auch bekanntgeworden, Asynchronmaschinen als elektrische Antriebe für Fahrzeuge einzusetzen. Bei Asynchronmaschinen handelt es sich um drehende elektrische Maschinen mit induktiver Übertragung der Energie von einem Stator (auch Ständer genannt) auf einen Rotor (auch Läufer genannt). Die Erregung folgt in der Regel mittels Wechselstrom über üblicherweise ruhende Statorwicklungen. Das vom Stator erzeugte Drehfeld und der Rotor laufen asynchron, das heißt mit unterschiedlicher Drehzahl.

Eine Lösung für ein Fahrzeug mit elektrischem Antriebsmotor, wobei dieser als Asynchronmaschine ausgebildet ist, ist in der WO 98/13926 offenbart. Darin wird ein Fahrzeug mit elektrischem Antriebsmotor und einer Stromquelle beschrieben, wobei der Antriebsmotor ein Asynchronmotor ist und mehr als vier Pole hat. Der Asynchronmotor verfügt weiterhin über mehr als 54 Nuten im Statorblech und hat einen Effektivwert der Motorspannung von weniger als 60 Volt Wechselspannung.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Asynchronmaschinen, die als elektrische Antriebe für Fahrzeuge eingesetzt werden, sind entweder vier- oder sechspolig ausgebildet und verfügen in der Regel über entsprechende Umrichter. Weiterhin werden nicht selten jeweils mehr als eine elektrische Maschine pro Fahrzeug verwendet. Die aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschinen weisen allesamt eine relativ geringe Leistungsdichte auf. Dies liegt unter anderem an der hohen Masse der elektrischen Antriebe. Die üblicherweise in Kauf zu nehmenden hohen Motormassen führen weiterhin zu schlechten dynamischen Eigenschaften von elektrischem Antrieb und Fahrzeug. Die aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Antriebe verfügen weiterhin über große Abmessungen, was zu Verlusten an Bauraum im Fahrzeug führt. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Automobilindustrie von erheblichem Nachteil. Weiterhin weisen insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Asynchronmaschinen nur eine geringe Überlastbarkeit und damit eine geringe Maximalleistung auf.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Antrieb sowie einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug bereitzustellen, mit dem die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll ein elektrischer Antrieb und ein Antriebsstrang auf der Basis einer Asynchronmaschine bereitgestellt werden, der besonders auf den Einsatz in einem Fahrzeug zugeschnitten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den elektrischen Antrieb für ein Fahrzeug gemäß Patentanspruch 1 sowie den Antriebsstrang für ein Fahrzeug gemäß Patentanspruch 15. Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte, Details und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem elektrischen Antrieb beschrieben sind, gelten selbstverständlich ebenso für den Antriebsstrang, und umgekehrt.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein elektrischer Antrieb für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei der elektrische Antrieb als wenigstens eine Asynchronmaschine mit einem Stator, mit Statorwicklungen und einem Rotor, mit Rotorwicklungen, ausgebildet ist. Der elektrische Antrieb ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine eine Überlastbarkeit von größer 4 aufweist.

Durch den erfindungsgemäßen elektrischen Antrieb können insbesondere die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik bestehenden Nachteile vermieden werden. Ein Grundgedanke des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs besteht darin, daß dieser eine hohe Überlastbarkeit von größer 4 aufweist. Die Überlastbarkeit stellt dabei das Verhältnis des Maximaldrehmoments bezogen auf das Nenndrehmoment der elektrischen Maschine dar. Die Auslegung der Asynchronmaschine auf hohe Überlastbarkeit führt gleichzeitig auch zu einer hohen Maximalleistung, bei gleichzeitig geringen Verlusten im Nennbetrieb.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs wird es nunmehr möglich, eine hohe Maximalleistung bereitzustellen, bei gleichzeitig geringem Gewicht und Abmessungen des elektrischen Antriebs. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Asynchronmaschine wird weiterhin eine Auslegung des elektrischen Antriebs auf einen günstigen Wirkungsgrad in den am häufigsten benutzten Betriebspunkten möglich. Schließlich kann der erfindungsgemäße elektrische Antrieb besonders einfach in ein Fahrzeug integriert werden, wie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang noch näher erläutert wird.

Der elektrische Antrieb ist in seiner Auslegung besonders effizient auf ein Fahrzeug, insbesondere einen PKW, NKW oder dergleichen zugeschnitten. Dies soll an Hand eines nicht ausschließlichen Beispiels eines PKW näher erläutert werden.

Während des Betriebs eines PKWs tritt ein unterschiedlich hoher Leistungsbedarf auf. Während der PKW mit einer relativ konstanten Geschwindigkeitsphase, beispielsweise auf der Autobahn oder dergleichen, gefahren wird, muß vom elektrischen Betrieb üblicherweise nur eine relativ geringe Dauerleistung zur Verfügung gestellt werden. Wenn der PKW jedoch beschleunigt wird, beispielsweise bei Überholvorgängen, beim Steigungsfahren am Berg, beim Anfahren und dergleichen, muß vom elektrischen Antrieb eine relativ hohe Leistung zur Verfügung gestellt werden. Die Phasen hoher Leistung sind jedoch im Vergleich zu den Phasen geringer Dauerleistung relativ kurz. Insbesondere die kurzzeitige Phase mit einem hohen Leistungsbedarf war mit bekannten Asynchronmaschinen bisher nicht realisierbar, weil diese eine sehr geringe Überlastbarkeit aufwiesen. Um diesen Nachteil zu umgehen, war es bisher erforderlich, den elektrischen Antrieb auf die - in der Regel nur kurzzeitige - Maximalbelastung auszulegen. Damit war ein solcher elektrisches Antrieb für den Großteil seines Betriebs jedoch überdimensioniert.

Mit einer Überlastbarkeit der Asynchronmaschine von größer 4 kann den Anforderungen an den elektrischen Antrieb eines PKWs nunmehr Rechnung getragen werden. Durch die Überlastbarkeit der Asynchronmaschine von größer 4 wird nunmehr insbesondere eine speziell für den Fahrantrieb eines PKW, NKW oder dergleichen ausgelegte elektrische Maschine zur Verfügung gestellt.

Vorteilhaft kann die Asynchronmaschine eine Überlastbarkeit von größer oder gleich 8 aufweisen. Dabei kann die Asynchronmaschine auch eine - zumindest kurzzeitige - Überlastbarkeit von größer oder gleich 10 aufweisen.

Vorteilhaft kann die Asynchronmaschine als schnell laufende Asynchronmaschine ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung weist im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Asynchronmaschinen, bei denen es sich üblicherweise um langsam laufende Asynchronmaschinen handelt, eine Reihe von Vorteilen auf. Langsam laufende Asynchronmaschinen weisen nämlich normalerweise einen relativ großen Rotor auf, was zu Gewichtsproblemen führt. Weiterhin haben langsam laufende Asynchronmaschinen üblicherweise eine große Anzahl von Nuten sowie eine große Zahnhöhe bei gleichzeitig geringer Zahnbreite. Dies führt zu großen magnetischen und elektrischen Verlusten bei gleichzeitig hohem Wicklungsaufwand.

Schnell laufende Asynchronmaschinen haben im Vergleich dazu geringere Nutenzahlen sowie geringere Windungszahlen pro Wicklung. Gleichzeitig haben schnell laufende Asynchronmaschinen weniger Zähne bei gleichzeitig größeren Zahnbreiten, wodurch die magnetischen und elektrischen Verluste reduziert und der Wicklungsaufwand gleichzeitig minimiert wird.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, daß der Stator eine Anzahl von Statorzähnen aufweist und daß die Statorzähne eine Zahnbreite von größer oder gleich 5 mm aufweisen. Besonders bevorzugt können die Statorzähne eine Breite von größer 8 mm aufweisen.

In weiterer Ausgestaltung kann auch der Rotor eine Anzahl von Rotorzähnen aufweisen, wobei die Rotorzähne vorzugsweise eine Zahnbreite von größer oder gleich 5 mm aufweisen. Insbesondere können die Rotorzähne dabei eine Zahnbreite von größer 9 mm aufweisen.

Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die genannten Beispiele für Zahnbreiten der Statorzähne und/oder Rotorzähne beschränkt ist. Wichtig ist lediglich, daß die Zahnbreiten jeweils groß sind, um die weiter oben beschriebenen Vorteile und Effekte zu ermöglichen.

Vorzugsweise kann die Asynchronmaschine zweipolig ausgebildet sein. Wenn die Asynchronmaschine zweipolig ausgebildet ist, sind die beiden Pole weit auseinander gezogen, wodurch jeweils große Bereiche gebildet werden, die jeweils ein homogenes Magnetfeld durch den Luftspalt aufweisen.

In vorteilhafter Ausgestaltung kann der Stator eine Anzahl von kleiner oder gleich 36 Statornuten aufweisen.

Die Asynchronmaschine kann vorzugsweise in Innenläuferbauweise ausgebildet sein.

In weiterer Ausgestaltung kann der Stator eine Anzahl von Statornuten aufweisen, wobei die Statorwicklungen in Form von Drahtwicklungen in den Statornuten vorgesehen sind. Dabei kann die Größe der Drahtwicklungen, beziehungsweise die Anzahl der Windungen pro Drahtwicklung, je nach Bedarf und Anwendungsfall variieren. Beispielsweise ist es denkbar, daß die Wicklungsdrähte einen Durchmesser zwischen 1,5 und 2,5 mm aufweisen und daß zwischen 5 und 15 Windungen pro Wicklung vorgesehen sind. In bevorzugter, jedoch nicht ausschließlicher Ausgestaltung können beispielsweise Drahtwicklungen mit 14 Windungen bei einem Durchmesser von 1,9 mm, 7 Windungen bei Durchmessern von 2,4 mm oder 14 Windungen bei 1,65 mm vorgesehen sein.

Der Rotor kann vorteilhaft eine Anzahl von Rotornuten aufweisen, wobei die Rotorwicklungen vorteilhaft in Form jeweils wenigstens eines Leiterstabs pro Rotornut vorgesehen sein können. Die Größe und Form sowie die Anzahl der Leiterstäbe pro Rotornut kann wiederum je nach Bedarf und Anwendungsfall unterschiedlich sein. Wenn pro Rotornut ein einziger Leiterstab verwendet wird, kann dieser beispielsweise einen Querschnitt zwischen 70 und 90 mm², vorteilhaft im Bereich von 80 mm² aufweisen. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die genannten Beispielwerte beschränkt. Der Leiterstab kann beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich aus Aluminium hergestellt sein.

In weiterer Ausgestaltung können die Statorwicklungen und/oder die Rotorwicklungen jeweils Stromdichten von kleiner oder gleich 5 A/mm² aufweisen. Besonders bevorzugt können die Stromdichten in den Statorwicklungen im Bereich von 4 bis 5 A/mm² und in den Rotorwicklungen im Bereich von 2 bis 3 A/mm² liegen. Selbstverständlich ist auch hier die Erfindung nicht auf die genannten Beispielwerte beschränkt.

Vorzugsweise kann die Asynchronmaschine eine spezifische Leistung von größer oder gleich 1 kW/kg aufweisen. Besonders bevorzugt kann die spezifische Leistung im Bereich von etwa 1,4 kW/kg liegen. Auch hier ist die Erfindung auch nicht auf die genannten Beispielwerte beschränkt. Als spezifische Leistung im Lichte der vorliegenden Erfindung wird die maximale Leistung der Asynchronmaschine bezogen auf deren Masse verstanden.

Vorzugsweise kann die Asynchronmaschine ein spezifisches Drehmoment von größer oder gleich 4 Nm/kg aufweisen. Besonders vorteilhaft kann das spezifische Drehmoment im Bereich von etwa 5 Nm/kg liegen, wobei auch hier die Erfindung nicht auf die genannten Zahlenbeispiele beschränkt ist. Als spezifisches Drehmoment wird dabei das maximale Drehmoment der Asynchronmaschine bezogen auf deren Masse verstanden.

Vorteilhaft kann der Stator und/oder der Rotor eine spezifische Nutenzahl q je Pol und Strang von größer oder gleich 5 aufweisen. Besonders bevorzugt beträgt die spezifische Nutenzahl q 6, jedoch ist die Erfindung nicht auf die genannten Beispielwerte beschränkt. Bei dem Wert q handelt es sich um die Nutenzahl je Pol und Strang, was der Anzahl der parallelen Leiter pro Phase entspricht. Die Nutenzahl q beeinflußt damit auch die Überlastbarkeit der Asynchronmaschine. Wichtig ist daher, daß q möglichst groß gewählt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Antrieb sind hohe Wirkungsgrade von mehr als 90 Prozent realisierbar. Wenn der elektrische Antrieb in einem PKW, NKW oder dergleichen eingesetzt wird, ist insbesondere ein optimaler Wirkungsgrad bei Dauergeschwindigkeit des Fahrzeugs, etwa bei Fahrten auf der Autobahn oder dergleichen, möglich. Weiterhin kann durch den erfindungsgemäßen elektrischen Antrieb eine optimale Anpassung an den jeweils herrschenden Leistungsbedarf des Fahrzeugs erzielt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um den kurzzeitigen Bedarf an Maximalleistung bei Beschleunigung des Fahrzeugs oder an Steigungen, beziehungsweise einen geringen Bedarf an Dauerleistung bei Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit handeln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des elektrischen Antriebs ist darüber hinaus eine bessere Dynamik des Fahrzeugs sowie eine Massenreduzierung des Antriebs im Vergleich zu solchen elektrischen Antrieben gewährleistet, die - wie bisher üblich - auf die Maximalleistung ausgelegt sind.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug bereitgestellt, mit einem elektrischen Antrieb, der in Form wenigstens einer Asynchronmaschine mit einem Stator, mit Statorwicklungen, und einem Rotor, mit Rotorwicklungen ausgebildet ist, einer vom elektrischen Antrieb abgehenden Antriebswelle und mit einem mit der Antriebsweile zumindest zeitweilig verbundenen Getriebe. Der Antriebsstrang ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Antrieb in der wie vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Weise ausgebildet ist.

Dadurch wird ein besonders effizienter, bauraumoptimierter und leistungsfähiger Antriebsstrang für ein Fahrzeug geschaffen. Ein solcher Antriebsstrang ist beispielsweise für Elektrofahrzeuge, aber auch für Hybridfahrzeuge einsetzbar. Im Antriebsstrang ist wenigstens eine Asynchronmaschine vorgesehen. Es sind jedoch auch Ausgestaltungen denkbar, in denen der elektrische Antrieb über mehr als eine Asynchronmaschine verfügt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des elektrischen Antriebs ist der Antriebsstrang insbesondere für PKW, NKW und dergleichen verwendbar, da auf Grund der hohen Belastungsfähigkeit allen auftretenden Betriebszuständen des Fahrzeugs Rechnung getragen werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang ist der elektrische Antrieb über eine von diesem abgehende Antriebswelle mit einem Getriebe verbunden. Bei dem Getriebe kann es sich beispielsweise um ein herkömmliches, an sich bekanntes Getriebe mit wenigstens einem Gang handeln. Das Getriebe ist zumindest zeitweilig über die Antriebswelle mit dem elektrischen Antrieb verbunden, so daß das vom elektrischen Antrieb erzeugte Drehmoment auf das Getriebe und von dort weiter auf entsprechende Achsen, Räder und dergleichen übertragen werden kann. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, daß zwischen elektrischer Maschine und Getriebe ein trennbares Kupplungselement vorgesehen ist. Weiterhin ist es nicht unbedingt erforderlich, daß elektrischer Antrieb und Getriebe Teile einer Fahrzeugachse sind.

Vorteilhaft kann der elektrische Antrieb und das Getriebe direkt miteinander verbunden oder verbindbar sein. Eine solche Verbindung kann beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich über einen geeigneten Flansch oder dergleichen erfolgen. Durch die direkte Verbindung des Getriebes mit dem elektrischen Antrieb kann insbesondere der erforderliche Bauraum reduziert werden, was im Bereich der Automobilindustrie einen erheblichen Vorteil darstellt.

Vorteilhaft kann der elektrische Antrieb und das Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein. Dies führt zu einer Reihe von Vorteilen. Zum einen kann der erforderliche Bauraum für die Antriebs-Getriebe-Einheit weiter reduziert werden. Darüber hinaus können der elektrische Antrieb und das Getriebe zunächst als Komponente des Antriebsstrangs separat hergestellt und anschließend in das Fahrzeug eingebaut werden. Dies führt neben einer Zeitersparnis beim Zusammenbau des Fahrzeugs auch zu einer Kostenreduktion.

Vorteilhaft kann wenigstens eine Kühleinrichtung zur Kühlung zumindest einzelner Komponenten des elektrischen Antriebs und/oder des Getriebes vorgesehen sein. Eine solche Kühlung ist insbesondere im Zusammenhang mit dem elektrischen Antrieb von Vorteil, da dieser während seines Betriebs Wärme erzeugt, die abgeführt werden muß. Die Kühlung kann beispielsweise mittels eines flüssigen Mediums erfolgen. Dabei kann das Kühlmedium beispielsweise durch entsprechende, im elektrischen Antrieb ausgebildete Kühlkanäle strömen. Diese Kühlkanäle können beispielsweise im Gehäuse des elektrischen Antriebs vorgesehen sein.

Wenn der elektrische Antrieb und das Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind, kann mittels der Kühleinrichtung gleichzeitig auch das Getriebe gekühlt werden.

Zur Steuerung des elektrischen Antriebs kann weiterhin eine Leistungselektronik vorgesehen sein, wobei die Leistungselektronik vorteilhaft im Gehäuse des elektrischen Antriebs angeordnet sein kann. Über die Leistungselektronik wird der elektrische Antrieb, beziehungsweise dessen einzelne Komponenten, gesteuert. Wenn die Leistungselektronik im Gehäuse des elektrischen Antriebs angeordnet ist, führt dies nicht nur zu einer vorteilhaften Reduzierung des erforderlichen Bauraums. Vielmehr kann die Leistungselektronik, deren Einzelkomponenten während des Betriebs Verlustwärme erzeugen, mittels der dem elektrischen Antrieb zugeordneten Kühleinrichtung gekühlt werden, was zu einer weiteren konstruktiven Vereinfachung des elektrischen Antriebs und damit nicht zuletzt zu einer Kostenreduktion führt. Die Integration der Leistungselektronik im Gehäuse des elektrischen Antriebs wirkt sich weiterhin auch positiv auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) aus.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, daß zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für zumindest einzelne Komponenten des elektrischen Antriebs eine Spannungsquelle vorgesehen ist. Bei einer solchen Komponente kann es sich beispielsweise um den für den elektrischen Antrieb erforderlichen Umrichter handeln.

Vorteilhaft kann die Spannungsquelle als wenigstens eine Batterie oder wenigstens eine Brennstoffzelle ausgebildet sein.

Die Brennstoffzellen haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt den Brennstoffzellen die Funktionsweise zugrunde, daß sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle werden die Oxidations- und Reduktionsprozesse über eine Membran räumlich getrennt. Solche Membranen haben die Eigenschaft, Ionen auszutauschen, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise die einzelnen Komponenten des elektrischen Antriebs, oder aber auch den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs als solchen.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Viertel-Schnitt durch einen elektrischen Antrieb gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang für ein Fahrzeug.

In Fig. 1 ist ein als Asynchronmaschine ausgebildeter elektrischer Antrieb 10 für ein Fahrzeug, beispielsweise einen PKW, ein NKW oder dergleichen, dargestellt. Die Asynchronmaschine 10 weist einen Stator 11 sowie einen Rotor 17 auf und ist im Ausführungsbeispiel in Innenläuferbauweise ausgestaltet. Die Asynchronmaschine 10 ist im Beispiel zweipolig ausgebildet und weist einen Gesamtradius R auf.

Der Stator 11 verfügt über eine Anzahl von Statornuten 12, im vorliegenden Ausführungsbeispiel über 36 oder weniger Statornuten 12. Die Statornuten 12 sind jeweils von Statorzähnen 13 begrenzt, wobei die Statorzähne 13 eine Statorzahnbreite 15 von 8,9 mm aufweisen. Innerhalb der Statornuten 12 sind Statorwicklungen 14 vorgesehen. Die Statorwicklungen 14 liegen in Form von Drahtwicklungen vor, wobei jede Drahtwicklung eine gemäß den jeweiligen Anforderungen angepaßten Durchmesser sowie eine entsprechende Windungszahl aufweist.

Der Rotor 17 verfügt über eine Anzahl von Rotornuten 18, die jeweils von entsprechenden Rotorzähnen 19 begrenzt werden. Die Rotorzähne 19 haben eine Rotorzahnbreite 21 von 9,6 mm. Innerhalb der Rotornuten 18 sind Rotorwicklungen 20 vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils durch einen einzigen, aus Aluminium bestehenden, Leiterstab gebildet sind.

Die Statorwicklungen 14 können beispielsweise eine Stromdichte von 4 oder 5 A/mm² aufweisen. Beispielsweise ist es denkbar, daß jede Statorwicklung 14 vierzehn Windungen eines Drahts mit einem Durchmesser von 1,9 mm aufweist. In diesem Fall beträgt die Stromdichte vorzugsweise 4 A/mm². In anderer Ausgestaltung ist es denkbar, daß jede Wicklung 14 Windungen eines Drahts mit einem Durchmesser von 1,65 mm aufweist, wobei in diesem Fall die Stromdichte vorteilhaft 5 A/mm² beträgt. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Anzahl der Windungen geringer ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können beispielsweise pro Statorwicklung 7 Windungen eines Drahts mit einem Durchmesser von 2,4 mm vorgesehen sein. In diesem Fall beträgt die Stromdichte vorteilhaft 5 A/mm².

Wenn als Rotorwicklung 20 ein einziger Leiterstab verwendet wird, kann dieser beispielsweise einen Querschnitt von 79,5 mm² bei einer Stromdichte von 2 A/mm² aufweisen.

Eine derart ausgebildete Asynchronmaschine kann beispielsweise eine Nennleistung von 18,5 kW aufweisen und über eine Überlastbarkeit von 6,6 verfügen. Damit ist die in Fig. 1 dargestellte Asynchronmaschine 10 in besonderer Weise geeignet, als Antrieb für einen PKW, NKW oder dergleichen eingesetzt zu werden. Die große Überlastbarkeit macht es nämlich möglich, daß die Asynchronmaschine 10 optimal an den Leistungsbedarf des Fahrzeugs angepaßt werden kann. So kann sie beispielsweise kurzzeitig eine Maximalleistung zur Verfügung stellen, wenn eine solche Leistung, beispielsweise beim Beschleunigen des Fahrzeugs oder beim Befahren von Steigungen, benötigt wird. Weiterhin ist die Asynchronmaschine 10 in der Lage, bei Fahrten mit konstanter Geschwindigkeit, beispielsweise bei Fahrten auf der Autobahn, nur die erforderliche geringe Dauerleistung zur Verfügung zu stellen. Durch die Auslegung der Asynchronmaschine 10 wird es möglich, daß diese nicht, wie bisher üblich, auf die maximal erforderliche Leistung ausgelegt werden muß. Vielmehr kann die Asynchronmaschine 10 nunmehr auf die geringere Dauerleistung ausgelegt werden. Dennoch ist sie in der Lage, ohne Beschädigungen auch die kurzzeitigen Maximalleistungen zur Verfügung zu stellen. Damit kann durch die erfindungsgemäße Asynchronmaschine 10 eine wesentlich verbesserte Dynamik des Fahrzeugs bei gleichzeitiger Massenreduzierung und Kostenreduzierung des elektrischen Antriebs 10 im Vergleich zu den bisher bekannten elektrischen Antrieben realisiert werden.

In Fig. 2 ist ein Antriebsstrang 30 für ein Fahrzeug dargestellt, wobei der besseren Übersicht halber vom Fahrzeug nur die Antriebswelle 50 beziehungsweise zwei mit der Antriebswelle 50 verbundene Fahrzeugräder 51 dargestellt sind.

Der Antriebsstrang 30 verfügt unter anderem über einen in Form einer Asynchronmaschine ausgebildeten elektrischen Antrieb 10, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Die Asynchronmaschine 10 befindet sich innerhalb eines Gehäuses 31. Weiterhin weist die Asynchronmaschine 10 eine nicht dargestellte Antriebswelle auf, mit der zumindest zeitweilig ein Getriebe 32 verbunden ist, welches in an sich bekannter Weise ausgebildet ist und sich in einem Getriebegehäuse 33 befindet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind jeweils die Asynchronmaschine 10 und das Getriebe 32 in einem eigenen Gehäuse untergebracht. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Asynchronmaschine 10 und das Getriebe 32 in einem einzigen Gehäuse integriert sind. Das Getriebe 32 ist weiterhin mit einer ebenfalls nicht dargestellten Abtriebswelle mit der Antriebswelle 50 verbunden. Ebenso könnte das Getriebe 32 auch direkt mit den Fahrzeugrädern 51 verbunden werden.

Während des Betriebs des Fahrzeugs, beziehungsweise dessen Antriebsstrang 30, wird von der Asynchronmaschine 10 ein Drehmoment erzeugt, das über die Antriebswelle auf das Getriebe 32 und von dort über die Abtriebswelle auf die Antriebswelle 50 und damit auf die Fahrzeugräder 51 übertragen wird. Die Asynchronmaschine 10 und/oder das Getriebe 32 können über eine geeignete Kühleinrichtung verfügen, bei der beispielsweise ein Kühlmedium durch im Gehäuse 31 der Asynchronmaschine 10 und/oder im Getriebegehäuse 33 befindliche Kühlkanäle strömt. Über die Kühleinrichtung wird die in der Asynchronmaschine 10 und/oder gegebenenfalls im Getriebe 32 erzeugte Verlustwärme abgeführt. Im Gehäuse 31 der Asynchronmaschine 10 kann weiterhin deren - nicht explizit dargestellte - Leistungselektronik untergebracht sein.

Der erfindungsgemäße Antriebsstrang 30 kann besonders bauraum-, gewichts- und kostenoptimiert realisiert werden.

Bezugszeichenliste

10

elektrischer Antrieb (Asynchronmaschine)

11

Stator

12

Statornut

13

Statorzahn

14

Statorwicklung (beispielsweise Drahtwicklung)

15

Statorzahnbreite

16

Luftspalt

17

Rotor

18

Rotornut

19

Rotorzahn

20

Rotorwicklung (beispielsweise Leiterstab)

21

Rotorzahnbreite

30

Antriebsstrang für ein Fahrzeug

31

Gehäuse des elektrischen Antriebs

32

Getriebe

33

Getriebegehäuse

50

Antriebswelle

51

Fahrzeugrad
R Radius des elektrischen Antriebs

Claims

1. Elektrischer Antrieb für ein Fahrzeug, wobei der elektrische Antrieb (10) als wenigstens eine Asynchronmaschine mit einem Stator (11), mit Statorwicklungen (14) und einem Rotor (17), mit Rotorwicklungen (20), ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (10) eine Überlastbarkeit von größer 4 aufweist.

2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (10) eine Überlastbarkeit von größer oder gleich 8 aufweist.

3. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (10) als schnell laufende Asynchronmaschine (10) ausgebildet ist.

4. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) eine Anzahl von Statorzähnen (13) aufweist und daß die Statorzähne (13) eine Zahnbreite (15) von größer oder gleich 5 mm aufweisen.

5. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (17) eine Anzahl von Rotorzähnen (19) aufweist und daß die Rotorzähne (19) eine Zahnbreite (21) von größer oder gleich 5 mm aufweisen.

6. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (10) zweipolig ausgebildet ist.

7. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) eine Anzahl von 36 oder weniger Statornuten (12) aufweist.

8. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (10) in Innenläuferbauweise ausgebildet ist.

9. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) eine Anzahl von Statornuten (12) aufweist und daß die Statorwicklungen (14) in Form von Drahtwicklungen in den Statornuten (12) vorgesehen sind.

10. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (17) eine Anzahl von Rotornuten (18) aufweist und daß die Rotorwicklungen (20) in Form jeweils wenigstens eines Leiterstabs pro Rotornut (18) vorgesehen sind.

11. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen (14) und/oder die Rotorwicklungen (20) Stromdichten von kleiner oder gleich 5 A/mm² aufweisen.

12. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (10) eine spezifische Leistung von größer oder gleich 1 kW/kg aufweist.

13. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (10) ein spezifisches Drehmoment von größer oder gleich 4 Nm/kg aufweist.

14. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) und/oder der Rotor (17) eine spezifische Nutenzahl q je Pol und Strang von größer oder gleich 5 aufweist.

15. Antriebsstrang für ein Fahrzeug, mit einem elektrischen Antrieb (10), der in Form wenigstens einer Asynchronmaschine mit einem Stator (11), mit Statorwicklungen (14) und einem Rotor (17), mit Rotorwicklungen (20) ausgebildet ist, einer vom elektrischen Antrieb (10) abgehenden Antriebswelle und mit einem mit der Antriebswelle zumindest zeitweilig verbundenen Getriebe (32), dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Antrieb (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist.

16. Antriebsstrang nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Antrieb (10) und das Getriebe (32) direkt miteinander verbunden oder verbindbar sind.

17. Antriebsstrang nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Antrieb (10) und das Getriebe (32) in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.

18. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühleinrichtung zur Kühlung zumindest einzelner Komponenten des elektrischen Antriebs (10) und/oder des Getriebes (32) vorgesehen ist.

19. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des elektrischen Antriebs (10) eine Leistungselektronik vorgesehen ist und daß die Leistungselektronik (10) im Gehäuse (31) des elektrischen Antriebs (10) angeordnet ist.

20. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für zumindest einzelne Komponenten des elektrischen Antriebs (10) eine Spannungsquelle vorgesehen ist.

21. Antriebsstrang nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle als wenigstens eine Batterie oder wenigstens eine Brennstoffzelle ausgebildet ist.