DE102004044688A1

DE102004044688A1 - Elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit Kühlungssystem

Info

Publication number: DE102004044688A1
Application number: DE200410044688
Authority: DE
Inventors: Jens Steffen
Original assignee: Magnet Motor Gesellschaft fuer Magnetmotorische Technik GmbH
Current assignee: L3 Magnet Motor GmbH
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-05-18

Abstract

Elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, die aufweist: DOLLAR A (a) einen Achsstummel; DOLLAR A (b) einen Elektromotor mit einem bezüglich des Achsstummels festgelegten Stator und einem bezüglich des Achsstummels rotierbar gelagerten Rotor; DOLLAR A (c) ein Getriebe, dessen Eingang für Drehmomentübertragung mit dem Rotor in Verbindung steht; DOLLAR A (d) einen Radträger, der bezüglich des Achsstummels rotierbar gelagert ist und für Drehmomentübertragung mit dem Ausgang des Getriebes in Verbindung steht; DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, DOLLAR A (e) dass der Elektromotor ein Kühlungssystem aufweist, das - beim Betrieb der Antriebseinheit - mit Abgabe entstehender Verlustwärme an einen zirkulierenden Luftstrom arbeitet und einen Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher zum Wegführen von Wärme aus dem zirkulierenden Luftstrom enthält; DOLLAR A (f) und dass das Kühlungssystem so ausgelegt ist, dass - beim Betrieb der Antriebseinheit - mindestens ein Teil des zirkulierenden Luftstroms an einer Oberfläche entlangströmt, die Wärmezugang von dem Getriebe hat, so dass letztlich ein wesentlicher Teil der Verlustwärme des Getriebes über den Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher des Kühlungssystems weggeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, die aufweist:

(a) einen Achsstummel;
(b) einen Elektromotor mit einem bezüglich des Achsstummels festgelegten Stator und einem bezüglich des Achsstummels rotierbar gelagerten Rotor;
(c) ein Getriebe, dessen Eingang für Drehmomentübertragung mit dem Rotor in Verbindung steht;
(d) einen Radträger, der bezüglich des Achsstummels rotierbar gelagert ist und für Drehmomentübertragung mit dem Ausgang des Getriebes in Verbindung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit dieser Art mit neuer Kühlungskonzeption verfügbar zu machen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Antriebseinheit dadurch gekennzeichnet,

(e) dass der Elektromotor ein Kühlungssystem aufweist, das – beim Betrieb der Antriebseinheit – mit Abgabe entstehender Verlustwärme an einen zirkulierenden Luftstrom arbeitet und einen Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher zum Wegführen von Wärme aus dem zirkulierenden Luftstrom enthält;
(f) und dass das Kühlungssystem so ausgelegt ist, dass – beim Betrieb der Antriebseinheit – mindestens ein Teil des zirkulierenden Luftstroms an einer Oberfläche entlangströmt, die Wärmezugang von dem Getriebe hat, so dass letztlich ein wesentlicher Teil der Verlustwärme des Getriebes über den Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher des Kühlungssystems weggeführt wird.

Das erfindungsgemäß bei der Antriebseinheit vorhandene Kühlungssystem ist so aufgebaut, dass – beim Betrieb der Antriebseinheit – Verlustwärme des Elektromotors (hauptsächlich stammend aus sogenannten Eisenverlusten infolge fortlaufender Ummagnetisierung von bewickelten Polen und aus sogenannten Kupferverlusten wegen des elektrischen Widerstands der Drähte der Bewicklung der Statorpole) an den im Inneren des Elektromotors zirkulierenden Luftstrom abgegeben wird. In der technischen Praxis wird normalerweise die Gesamt-Verlustwärme nicht zu 100 % an den zirkulierenden Luftstrom abgegeben, weil z.B. das Motorgehäuse auch Wärme, die ihm direkt eingeleitet worden ist, an die Außenumgebung abgibt. Zur Rückkühlung des Luftstroms ist ein Luft/Flüssigkeit-Wärmtauscher vorgesehen. Die im Wärmetauscher von der Flüssigkeit aufgenommene Wärme muss letztlich nach außen hin abgegeben werden, in der Regel über einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher zur Abgabe an die umgebende Luft. Das Kühlungssystem hat die weitere Besonderheit, dass es auch zur gezielten Abfuhr von Verlustwärme des Getriebes vorgesehen ist (wiederum in der Regel nicht der gesamten Verlustwärme des Getriebes, weil ein Teil der Verlustwärme des Getriebes z.B. über Gehäusebereiche des Getriebes, die nicht in die Funktion des Kühlungssystems eingebunden sind, nach außen abgeführt wird). Erfindungsgemäß ist das Kühlungssystem so ausgebildet, dass mindestens ein Teil des zirkulierenden Luftstroms an einer Oberfläche entlang strömt, der Wärme von dem Getriebe zugeht. Die nachfolgenden Ausführungen werden deutlicher vor Augen führen, dass diese, durch Entlangströmen des zirkulierenden Luftstroms gekühlte Oberfläche entweder ein Bestandteil des Getriebes sein kann und/oder ein Bestandteil des Elektromotors sein kann, dem auf irgendeine Weise Wärme von dem Getriebe übertragen wird. Bei der erfindungsgemäßen Antriebseinheit leistet somit das Kühlungssystem sowohl ein Kühlen des Elektromotors als auch ein Kühlen des Getriebes. Dadurch kann man das Getriebe mit höherer Dichte der Übertragungsleistung bauen als bisher, weil Verlustwärme aus dem Getriebe mit höherer Effizienz abgeführt wird.

Die primäre Aufnahme von Verlustwärme durch den zirkulierenden Luftstrom hat den Vorteil, dass der Luftstrom besonders unkompliziert mit den hierfür wichtigen Bestandteilen des Elektromotors, auch wenn es sich um Bestandteile mit komplexer Geometrie handelt, in Kontakt gebracht werden kann. Als ein Beispiel werden die Wickelköpfe der Bewicklung der Pole genannt. Der (Gesamt-)Luftstrom kann sich z.B. auf einem Teil seines Zirkulationsweges auch in mehrere Teil-Luftströme verzweigen.

Das erfindungsgemäß eingesetzte Kühlungssystem ist so ausgebildet, dass seine Wärmeabfuhrleistung zur Bewältigung der erforderlichen Wärmeabfuhr aus dem Elektromotor und zur Bewältigung der erforderlichen Wärmeabfuhr aus dem Getriebe ausreicht, ohne dass hierbei unerwünscht hohe Temperaturen des zirkulierenden Luftstroms oder der Bauteile des Elektromotors und des Getriebes entstehen. Die Wärmeabfuhrleistung des Kühlungssystems ist in der Regel höher als sie auslegungsmäßig gemessen wäre, wenn das Kühlungssystem zwar Wärme aus dem Elektromotor abführt, aber im wesentlichen keine Wärme von dem Getriebe.

Vorzugsweise ist der Elektromotor als Elektromotor mit Außenrotor ausgebildet. Nochmals stärker bevorzugt ist die Ausbildung mit Außenrotor mit einem sich im wesentlichen radial erstreckenden Rotorboden, wobei sich der Rotorboden auf der dem Getriebe zugewandten Seite des Elektromotors befindet.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Luftspalt zwischen dem Getriebe und dem Rotorboden so ausgelegt, dass Wärmetransport von dem Getriebe zu dem Rotorboden gefördert wird. Bevorzugte Maßnahmen dazu sind: schmale Ausbildung des Luftspalts; Oberflächenvergrößerung, insbesondere Verrippung, an dem Getriebe und/oder an dem Rotorboden; Turbulenzerzeuger, die zugleich auch Oberflächenvergrößerung darstellen können, an dem Getriebe und/oder dem Rotorboden. Turbulenzerzeuger fördern, dass die Luft in dem Luftspalt nicht zu sehr ruhend bleibt; es ergibt sich ein besserer Wärmeübergang von dem Getriebe an die Luft im Luftspalt und von der Luft im Luftspalt an den Rotorboden. Außerdem verbessert sich der Luftaustausch aus dem Luftspalt in den anschließenden Raum des Motorinneren.

Ein radikalerer Weg der Wärmeabfuhr aus dem Luftspalt ergibt sich in Weiterbildung der Erfindung, wenn im radial inneren Bereich des Luftspalts Öffnungen vorgesehen sind, die durch den Rotorboden führen. Diese Öffnungen können vorteilhafterweise umfangsmäßig am Rotorboden verteilt sein. Die Öffnungen schaffen die wichtigste Voraussetzung dafür, dass der Luftspalt von einem Teil-Luftstrom durchströmt wird. Dieser Teil-Luftstrom führt direkt Wärme von dem angrenzenden Oberflächenteil des Getriebes und damit von dem Getriebe weg. Außerdem ergibt sich ein besserer Wärmeübergang über den Luftspalt hinweg zu dem Rotorboden als wenn die Luft in dem Luftspalt quasi in Ruhe wäre.

Der Rotorboden kann auf seiner dem Getriebe zugewandten Seite wie Schaufeln wirkende Strömungsleitflächen aufweisen, um eine Luftströmung mit Radialkomponente in dem Luftspalt zu erzeugen. Man kann die Strömungsleitflächen so auslegen, dass durch sie oder großenteils durch sie die Zirkulation des Luftstroms bewirkt wird.

Bevorzugt ist die Antriebseinheit so ausgelegt, dass sich folgender Zirkulationsweg des Luftstroms ergibt: Der Luftstrom bzw. der an der dem Getriebe abgewandten Seite des Rotorbodens strömende Teil des Luftstroms strömt zwischen dem Rotorboden und einer Stirnseite des Stators mit Radialkomponente nach außen; der Luftstrom bzw. der Teil des Luftstroms strömt dann durch den zylindrischen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor mit Axialkomponente; vorzugsweise strömt dann der Luftstrom bzw. der Teil des Luftstroms zwischen einer Stirnseite des Rotors und einer Gegenfläche des Stators mit Radialkomponente nach außen; dann strömt der Luftstrom bzw. der Teil des Luftstroms mit Radialkomponente nach innen; schließlich schließt sich der Zirkulationsweg des Luftstroms mit Axialkomponente der Strömung.

Vorzugsweise ist der Rotorboden auf seiner dem Getriebe abgewandten Seite und/oder die genannte Stirnseite des Rotors mit wie Schaufeln wirkenden Strömungsleitflächen ausgestattet, um Luftströmung mit Radialkomponente zu erzeugen. Diese Strömungsleitflächen können die Zirkulation des Luftstroms oder einen Teil der Zirkulation des Luftstroms bewirken.

Vorzugsweise ist ein Einbauteil am Rotorboden, insbesondere ein plattenartiger Träger eines Resolvers zum Liefern von Drehstellungsinformation des Rotors, zum Zwecke der Wärmeleitungsverbesserung dünn ausgebildet. Plattenartige Träger von Resolvern bestehen typischerweise aus faserverstärktem Kunststoff. Hier greift man gemäß der angesprochenen Weiterbildung der Erfindung zu einer Plattenstärke von 0,25 bis 0,5 mm, wohingegen früher Plattenstärken von in der Gegend von 1,5 mm eingesetzt worden sind.

Vorzugsweise sind die Öffnungen im Rotorboden und ggf. die wie Schaufeln wirkenden Strömungsleitflächen so ausgebildet, dass ein Teil des Gesamt-Luftstroms durch den Luftspalt zwischen dem Getriebe und dem Rotorboden geht und ein Teil des Gesamt-Luftstroms entlang der dem Getriebe abgewandten Seite des Rotorbodens geht. In welchem Strömungsmengen-Verhältnis diese beiden Teilströme stehen, entscheidet man am besten danach, von welcher Wärmequelle stammend wie viel Wärme abgeführt werden muss.

Den genannten Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher kann man radial innen an den für die Motorfunktion aktiven Bereich des Stators setzen (wo normalerweise gut Platz dafür ist) oder stirnseitig an einen geeigneten Bereich des Stators setzen, vorzugsweise stirnseitig an den für die Motorfunktion aktiven Bereich. Der für die Motorfunktion aktive Bereich des Stators ist der die Statorpole und – bei den meisten Ausführungsformen – die Bewicklung des Stators aufweisende Bereich.

Vorzugsweise ist die dem Elektromotor zugewandte Begrenzungswand des Getriebes ein rotierendes Teil, wobei stärker bevorzugt die Drehzahl dieser Begrenzungswand unterschiedlich von der Drehzahl des Rotors des Elektromotors ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 16 bis 29 wiedergegeben. Die dortigen Merkmale sind, soweit weitere Erläuterungen geboten sind, anhand des weiter unten zu beschreibenden Ausführungsbeispiels weiter erläutert.

An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass der Begriff "Radträger" nicht dahingehend einschränkend zu verstehen ist, dass er beim Betrieb unbedingt mit einem Fahrzeugrad, welches auf dem Untergrund oder einer vorbereiteten Bahn abrollt, versehen sein muss. Alternativen sind möglich. Als weitere bevorzugte Möglichkeit wird ein Kettenrad genannt, welches z.B. eine Raupenkette eines Raupenfahrzeugs antreibt, z.B. im Fall eines Erdbewegungsfahrzeugs. Als weitere Alternative sei die Befestigung eines Zahnrads an dem Radträger genannt, welches z.B. bei einer Zahnradbahn mit einer stationären Zahnstange zusammenwirken kann oder z.B. über drehende Zwischenteile auf das Antriebsrad eines Kraftfahrzeugs arbeiten kann.

Als Beispiele für Kraftfahrzeuge, die vorzugsweise mit der erfindungsgemäßen, elektrischen Antriebseinheit ausgerüstet werden könne, seien genannt: rollerartige Kraftfahrzeuge, auf denen man steht; motorrollerartige Kraftfahrzeuge, auf denen man sitzt; Kleinfahrzeuge, insbesondere für Flughäfen und Golfplätze; Kraftfahrzeuge nach Art der millionenfach produzierten Personen-Kraftfahrzeuge, d.h. typischerweise mit ein bis sieben Sitzplätzen und überdacht; Kleinbusse und Omnibusse; Lastkraftwagen. Aus Gründen, die weiter unten noch deutlicher werden, ist die erfindungsgemäße, elektrische Antriebseinheit ganz besonders geeignet für Einsatzfälle, bei denen Hohe Antriebs-Drehmomente bzw. hohe Antriebs-Leistungen für das Kraftfahrzeug vorhanden sein sollen und für große/schwere Kraftfahrzeuge. Beispiele hierfür sind Lastkraftwagen und, allgemeiner, schwere Transportfahrzeuge. Als ganz besonders geeignet seien Kraftfahrzeuge erwähnt, bei denen mehr als ein oder zwei Kraftfahrzeugräder durch eine jeweilige elektrische Antriebseinheit angetrieben werden, z.B. große/schwere Transportfahrzeuge mit vier oder mehr angetriebenen Rädern. Obwohl die erfindungsgemäße, elektrische Antriebseinheit in erster Linie für den Einbau in nicht-schienengebundene Kraftfahrzeuge entwickelt worden ist, ist sie auch für Schienenfahrzeuge gut brauchbar.

Es gibt Kraftfahrzeug-Antriebsanwendungen, bei denen es vorteilhaft ist, wenn die Verlustwärme des Getriebes nicht unmittelbar von dem Getriebe an die Umgebungsluft abgegeben wird (wodurch das Getriebe zwangsläufig eine herausgehoben "heiße Stelle" des Kraftfahrzeugs ist und z.B. Verletzungsgefahr beim versehentlichen Berühren der Getriebewand besteht). Bei der Erfindung wird die Verlustwärme des Getriebes letztlich an anderer Stelle und über größere Fläche verteilt und normalerweise auf niedrigerem Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben.

Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen stellt sich die Frage, wie das Kraftfahrzeug mit der erforderlichen elektrischen Energie versorgt werden kann. Man kennt insbesondere die folgenden Möglichkeiten: Speicher, aus dem elektrische Energie für die Antriebseinheit entnommen werden kann (z.B. Personenroller mit Akkumulator); Erzeugung elektrischer Energie an Bord des Fahrzeugs (z.B. Verbrennungsmotor mit Stromgenerator an Bord des Fahrzeugs; Brennstoffzellenstapel an Bord des Fahrzeugs); Übertragung elektrischer Energie von außen her in das Kraftfahrzeug (z.B. Omnibus mit Stromabnehmer von einer Oberleitung; Schienenfahrzeug mit Stromabnehmer von einer Oberleitung). Insbesondere für all diese Arten von Anbindung an elektrische Energie ist die erfindungsgemäße, elektrische Antriebseinheit geeignet.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Radantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, die aufweist:

(a) eine elektrische Antriebseinheit, wie sie in der Anmeldung offenbart ist;
(b) und ein an dem Radträger der Antriebseinheit befestigtes Kraftfahrzeug-Rad.

Diese Radantriebseinheit ist eine Komponente, die als Einheit von dem Kraftfahrzeug demontierbar und an das Kraftfahrzeug montierbar ist. Außer der mechanischen Anbringung sind dann lediglich noch die elektrischen und kühlungsmäßigen Verbindungen, insbesondere durch ein Steckersystem, herzustellen.

Vorzugsweise ist die Antriebseinheit, gewünschtenfalls mit Ausnahme eines fahrzeugseitigen Teilbereichs des Achsstummel-Bauteils, vorzugsweise einschließlich einer etwaigen Bremsscheibe oder einer etwaigen Bremstrommel, im wesentlichen innerhalb der axialen Dimension des Kraftfahrzeug-Rads untergebracht. Oder in anderen Worten: Die so definierte Antriebseinheit ist in Axialrichtung im wesentlichen nicht breiter als das Kraftfahrzeug-Rad und ragt im wesentlichen an keiner der beiden Radseiten axial über das Rad hinaus.

Vorzugsweise weist die Radantriebseinheit mindestens einen Befestigungsbereich auf, an dem sie an einer Radaufhängung des Kraftfahrzeugs befestigbar ist. Dabei kann es sich um Anschlussstellen für lenkerartige Bauteile der Radaufhängung handeln, aber auch um Ausführung des Achsstummel-Bauteils als ein Bauteil nach Art eines Achsschenkels, so dass die gesamte Radantriebseinheit zum Lenken des Kraftfahrzeugs verschwenkt werden kann.

Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das mindestens eine Antriebseinheit, wie sie in der Anmeldung offenbart ist, oder mindestens eine Radantriebseinheit, wie sie in der Anmeldung offenbart ist, aufweist.

Bei dem mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit bzw. der kompletteren erfindungsgemäßen Radantriebseinheit ausgestatteten Kraftfahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln, bei welchem nur die Räder einer Achse lenkbar sind. Es kann sich aber auch um ein Fahrzeug handeln, bei dem die Räder von zwei Achsen oder auch die Räder von noch mehr Achsen lenkbar sind. Es kann sich um ein Fahrzeug handeln, bei welchem die Räder aller Achsen lenkbar sind.

Die Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine erste Ausführungsform einer Radantriebseinheit bzw. einer elektrischen Antriebseinheit für Kraftfahrzeuge im axialen Längsschnitt, wobei nur eine obere Hälfte gezeichnet ist und die untere Hälfte spiegelbildlich gleich aussieht;
2 eine zweite Ausführungsform einer Radantriebseinheit bzw. einer elektrischen Antriebseinheit im axialen Längsschnitt, wobei nur eine obere Hälfte gezeichnet ist und die untere Hälfte spiegelbildlich gleich aussieht.
Die in 1 zeichnerisch dargestellte Radantriebseinheit 2 enthält folgende Hauptkomponenten:

– Achsstummel-Bauteil 4,
– Radträger 6,
– Stator 8 eines Elektromotors 22,
– Rotor 10 des Elektromotors 22,
– Getriebe 12 in Form eines Planetengetriebes,
– Radfelge 14,
– Reifen (nicht gezeichnet) auf der Radfelge 14,
– Bremseinrichtung 24.

Wenn man von der so beschriebenen Radantriebseinheit die Radfelge 14 mitsamt dem Reifen wegnimmt, hat man eine erfindungsgemäße Antriebseinheit mit den Hauptkomponenten Radträger 6, Elektromotor 22, Getriebe 12, ggf. Bremseinrichtung 24 vor sich. Links in 1 ist angedeutet, wie das Achsstummel-Bauteil 4 in einen Befestigungsbereich 16 (konkret gezeichnet eine obere von zwei Bohrungen) übergeht, an dem die Radantriebseinheit an einer Radaufhängung eines Fahrzeugs befestigbar ist.
Das Achsstummel-Bauteil 4, im folgenden kurz als Achsstummel 4 bezeichnet, hat in seinem in 1 linken Bereich einen größeren Durchmesser und in sei nem in 1 rechten, axial längeren Bereich einen kleineren Durchmesser. Auf dem Bereich größeren Durchmessers ist der Radträger 6 mittels 2 Kegelrollenlagern 18 gelagert.
Der Radträger 6 ist insgesamt – grob gesprochen – becherförmig und besteht hauptsächlich aus einem – grob gesprochen – scheibenförmigen ersten Teil 6a und einen im wesentlichen zylindrischen Teil 6b. Die Radfelge 14 ist an dem zylindrischen Teil 6b befestigt (nicht explizit gezeichnet).
Der Rotor 10 des Elektromotors 22 ist becherförmig, wobei der Becher nach links in 1 offen ist und wobei im zentralen Bereich ein hülsenförmiger Ansatz 20, der nach links in 1 ragt, angeschraubt ist. Zwei axial beabstandete Kugellager 26 lagern den Rotor 10 auf dem Achsstummel 4 und zwar unter Zwischenschaltung eines hülsenartigen, nach rechts in 1 ragenden Fortsatzes 28 des Stators 8.
Der Stator 8 ist radial weiter innen scheibenförmig (siehe Bezugszeichen 30) ausgebildet und geht dann, radial noch weiter innen, in den bereits angesprochenen Fortsatz 28 über. Radial weiter außen ist der Stator 8 in Axialrichtung wesentlich verbreitert und weist dort seinen für die Motorfunktion aktiven Bereich 32 auf, d.h. im wesentlichen seine in Umfangsrichtung verteilten Statorpole und seine nicht explizit zeichnerisch dargestellte Bewicklung.
Das Getriebe 12 ist ein Planetengetriebe mit grundsätzlich bekanntem Aufbau, so dass der Aufbau des Getriebes 12 nicht im einzelnen beschrieben werden muss. Der Vollständigkeit halber sei jedoch angesprochen, dass das Getriebe 12 ein drehend antreibbares Sonnenrad, einen für Rotation gelagerten Planetenträger, mehrere umfangsmäßig verteilt angeordnete und in dem Planetenträger für eigene Drehung gelagerte Stufenplanetenräder (mit erster Verzahnung auf größerem Durchmesser und zweiter Verzahnung auf kleinerem Durchmesser) und ein innenverzahntes Hohlrad aufweist, welches nicht-drehend auf dem Achsstummel 4 festgelegt ist. Das Sonnenrad kämmt mit der ersten Verzahnung des jeweiligen Planetenrads. Die zweiten Verzahnungen der Planetenräder kämmen mit dem Hohlrad. Der rotierende Planetenträger ist der Getriebeausgang des Getriebes 12. Schematisch eingezeichnet in 1 ist ein Drehmomentübertragungsring 34, der einerseits mit dem Rotor 10 drehmomentübertragend gekoppelt ist und andererseits in seinem in 1 rechten Endbereich mit dem drehfest aufgesetzten, nicht gezeichneten Sonnenrad versehen ist. Der Getriebeausgang des Getriebes 12 ist über eine drehmomentübertragende Verbindung 36 mit dem zylindrischen Teil 6b des Radträgers 6 gekoppelt.
Der Rotor 10 des Elektromotors 22 besteht im wesentlichen aus einem sich im wesentlichen radial erstreckenden Rotorboden 40, radial weiter innen dem bereits angesprochenen Fortsatz 20 für die Lagerung des Rotors 10 und radial außen einen für die Motorfunktion aktiven Bereich 42, der im wesentlichen in Umfangsrichtung verläuft und eine axiale Ausdehnung passend zu der axialen Ausdehnung des aktiven Statorbereichs 32 hat. Zwischen dem aktiven Statorbereich 32 und dem aktiven Rotorbereich 42 befindet sich ein im wesentlichen zylindrischer Luftspalt 44 des Elektromotors 22. Vorzugsweise ist der Elektromotor 22 von demjenigen Typ mit bewickelten Statorpolen am aktiven Bereich 32 und Dauermagneten am Innenumfang des aktiven Bereichs 42 und mit elektronisch gesteuerter Stromzufuhr zu den Statorpolbewicklungen.
Zwischen der in 1 nach links weisenden Begrenzung 46 des Getriebes 12 und der in 1 nach rechts weisenden Begrenzung 48 des Rotorbodens 40 befindet sich ein Luftspalt 50. Quer über den Luftspalt 50 hinweg kann Wärme von dem Getriebe 12 zu dem Rotorboden 40 übertragen werden, selbstverständlich nur wenn ein Temperaturgefälle in dieser Richtung besteht. Es wird betont, dass sich der Rotorboden 40 mit mehrfach höherer Drehzahl dreht als der Getriebeausgang des Getriebes 12. Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist die Fläche 46 Bestandteil des sich drehenden Planetenträgers des Getriebes 12.
An dem in 1 nach links weisenden Oberflächenbereich 52 des Rotorbodens 40 ist eine sehr dünne Trägerplatte 54 eines Resolvers befestigt.
Radial innen an dem für die Motorfunktion aktiven Bereich 32 des Stators 8 ist ein Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher 56 angebracht. Der Wärmetauscher 56 steht über zwei nicht eingezeichnete Leitungen, die letztlich durch den Achsstummel 4 nach links verlaufen, in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit einem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher am Fahrzeug, der großflächig Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Man muss sich vorstellen, dass der scheibenartige Bereich 30 des Stators 8 dort eine Öffnung hat, wo der Wärmetauscher 56 angebracht ist.
An der in 1 linken Stirnseite 58 des Rotors 10 sind wie Schaufeln wirkende Strömungsleitelemente 60 vorgesehen. Außerdem ist gegenüberliegend der Stirnseite 58 des Rotors 10 eine Verlängerung 62 des Stators 8 radial nach außen vorgesehen, so dass zwischen der Stirnseite 58 und der Verlängerung 62 mittels der Strömungsleitelemente 60 ein wie ein Gebläse wirkender Bestandteil des Elektromotors 22 gebildet ist. Mit Pfeilen 64, die zwei Spitzen tragen, ist ein Luftstrom bezeichnet, der im Inneren des Elektromotors 22 zirkuliert. Rechts unten beginnend geht der Luftstrom zunächst mit Radialkomponente nach außen durch den Raum zwischen der nach links weisenden Oberfläche 52 des Rotorbodens 40 und der nach rechts weisenden Stirnseite 66 des Statorbereichs 32, dann mit Axialkomponente durch den Luftspalt 44, dann mit Radialkomponente nach aussendurch den Raum zwischen der linken Stirnseite 58 des Rotors 10 und der Gegenfläche 62, dann mit Radialkomponente nach innen, und schließlich mit Axialkomponente durch den Wärmetauscher 56, um dort wieder auf eine für seine Kühlungsfunktion gebotene, niedrigere Temperatur zurückgekühlt zu werden.
Mit Pfeilen 68 mit nur einer Spitze ist eine Luftverwirbelungsbewegung in dem Luftspalt 50 angedeutet. Der Luftspalt 50 ist schmal für möglichst guten Wärmeübergang. Die in 1 nach rechts weisende Oberfläche 48 des Rotorbodens 40 ist vorzugsweise mit nicht eingezeichneten Turbolenzerzeugern versehen. So wird die Luft in dem Luftspalt 50 in gewisser Bewegung gehalten, und es gibt genügend Luftaustausch in dem mit 70 bezeichneten Bereich mit dem eigentlichen Luftstrom 64.
Die Radantriebseinheit bzw. elektrische Antriebseinheit 2 gemäß 2 unterscheidet sich nur in Folgendem von der Radantriebseinheit bzw. elektrischen Antriebseinheit von 1.
An einer Stelle, die relativ weit radial innen liegt, aber immer noch ein Stück radial weiter außen als der Fortsatz 20 liegt, sind Öffnungen 72 vorgesehen, die sich leicht schräg (rechts in 2 etwas weiter radial außen) durch den Rotorboden 40 erstrecken. Über den Umfang des Rotorbodens 40 verteilt sind mehrere dieser Öffnungen 72 vorgesehen. Auf seiner in 2 nach rechts weisenden Oberfläche 48 ist der Rotorboden 40 mit wie Schaufeln wirkenden, nicht eingezeichneten Strömungsleitelementen versehen. Aufgrund der geschilderten Ausbildung gibt es, im Bereich des Rotorbodens 40, einen ersten Teil-Luftstrom 74 zwischen dem Rotorboden 40 und dem Statorbereich 32 sowie einen zweiten Teil-Luftstrom 76 zwischen dem Rotorboden 40 und der Getriebbegrenzung 46. Die beiden Teil-Luftströme vereinigen sich weiter strömungsabwärts. Auf diese Weise wird der Luftspalt 50 intensiver gekühlt als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
Bei Betrachtung von 1 und 2 ist leicht vorstellbar, dass das Getriebe 12 als Modul von der Radantriebseinheit 2 in Axialrichtung abgezogen werden kann, wobei der zylindrische Bereich 6b des Radträgers 6 mit abgezogen wird und das Sonnenrad des Getriebes 12 von dem Drehmomentübertragungsring 34 abgezogen wird. Ferner kann man den Rotor nach Lösen der eingezeichneten Schraubverbindung zu seinem Zentralbereich ebenfalls in Axialrichtung von der Antriebseinheit demontieren. Auch der Stator 8 ist axial nach rechts demontierbar. Ein nicht eingezeichnetes Steckersystem zur elektrischen und kühlungsmäßigen Anbindung des Elektromotors 22 an das Innere des Fahrzeugs kann man sich als in den im linken Bereich hohlen Achsstummel 4 von links her eingesteckt vorstellen. Die Elektronik zur gesteuerten Stromversorgung des Elektromotors 22 ist im Inneren des Kraftfahrzeugs untergebracht. Die Elektronik ist so ausgebildet, dass der Elektromotor 22 auf Bremsfunktion umschaltbar ist.
Die im Normalzustand drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Rotor 10 und dem Drehmomentübertragungsring 34 kann durch Fernbetätigung (z.B. axiale Verschiebung eines Kopplungselements aus einem Vielnutprofil heraus) aufgehoben werden, so dass die Felge 12 gedreht werden kann ohne den Rotor 10 mit zu drehen. Dann kann das Fahrzeug abgeschleppt werden, ohne dass sich der Elektromotor erwärmt.

Claims

Elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, die aufweist: (a) einen Achsstummel; (b) einen Elektromotor mit einem bezüglich des Achsstummels festgelegten Stator und einem bezüglich des Achsstummels rotierbar gelagerten Rotor; (c) ein Getriebe, dessen Eingang für Drehmomentübertragung mit dem Rotor in Verbindung steht; (d) einen Radträger, der bezüglich des Achsstummels rotierbar gelagert ist und für Drehmomentübertragung mit dem Ausgang des Getriebes in Verbindung steht; dadurch gekennzeichnet, (e) dass der Elektromotor ein Kühlungssystem aufweist, das – beim Betrieb der Antriebseinheit – mit Abgabe entstehender Verlustwärme an einen zirkulierenden Luftstrom arbeitet und einen Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher zum Wegführen von Wärme aus dem zirkulierenden Luftstrom enthält; (f) und dass das Kühlungssystem so ausgelegt ist, dass – beim Betrieb der Antriebseinheit – mindestens ein Teil des zirkulierenden Luftstroms an einer Oberfläche entlangströmt, die Wärmezugang von dem Getriebe hat, so dass letztlich ein wesentlicher Teil der Verlustwärme des Getriebes über den Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher des Kühlungssystems weggeführt wird.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor einen Außenrotor mit einem sich im wesentlichen radial erstreckenden Rotorboden aufweist, wobei sich der Rotorboden auf der dem Getriebe zugewandten Seite des Elektromotors befindet.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt zwischen dem Getriebe und dem Rotorboden so ausgelegt ist, dass Wärmetransport von dem Getriebe zu dem Rotorboden gefördert wird.
Antriebseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt schmal ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Getriebe und/oder dem Rotorboden Oberflächenvergrößerung vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Getriebe und/oder dem Rotorboden Turbulenzerzeuger vorgesehen sind.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im radial inneren Bereich des Luftspalts zwischen dem Getriebe und dem Rotorboden Öffnungen vorgesehen sind, die durch den Rotorboden führen.
Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorboden auf seiner dem Getriebe zugewandten Seite wie Schaufeln wirkende Strömungsleitflächen aufweist, um eine Luftströmung mit Radialkomponente zu erzeugen.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom bzw. der an der dem Getriebe abgewandten Seite des Rotorbodensströmende Teil des Luftstroms zwischen dem Rotorboden und einer Stirnseite des Stators mit Radialkomponente nach aussen strömt, dann durch den zylindrischen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor mit Axialkomponente strömt, vorzugsweise dann zwischen einer Stirnseite des Rotors und einer Gegenfläche des Stators mit Radialkomponente nach aussen strömt, und dann mit Radialkomponente nach innen strömt.
Antriebseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorboden auf seiner dem Getriebe abgewandten Seite und/oder die genannte Stirnseite des Rotors wie Schaufeln wirkende Strömungsleitflächen aufweist, um Luftströmung mit Radialkomponente zu erzeugen.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einbauteil am Rotorboden, insbesondere ein plattenartiger Träger eines Resolvers zum Liefern von Drehstellungsinformation des Rotors, zum Zwecke der Wärmeleitungsverbesserung dünn ausgebildet ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen im Rotorboden und ggf. die wie Schaufeln wirkenden Strömungsleitflächen so ausgebildet sind, dass ein Teil des Gesamt-Luftstroms durch den Luftspalt zwischen dem Getriebe und dem Rotorboden geht und ein Teil des Gesamt-Luftstroms entlang der dem Getriebe abgewandten Seite des Rotorbodens geht.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Wärmetauscher radial innen an dem für die Motorfunktion aktiven Bereich des Stators sitzt.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Wärmetauscher stirnseitig am Stator sitzt, vorzugsweise an dem für die Motorfunktion aktiven Bereich.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Elektromotor zugewandte Begrenzungswand des Getriebes ein rotierendes Teil ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, Planetenrädern, einem Planetenträger und einem Hohlrad ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das die Planetengetriebe ein Planetengetriebe mit Stufenplanetenrädern ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Modul von der Antriebseinheit demontierbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebemodul zusammen mit einem Radträger-Teil demontierbar ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptteil des Rotors des Elektromotors, nach Lösen von seinem Lagerungsbereich, in Axialrichtung von der Antriebseinheit demontierbar ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator des Elektromotors in Axialrichtung von der Antriebseinheit demontierbar ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Radträger eine Reifenfelge, vorzugsweise eine Standardfelge, befestigt ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Radträger ein Kettenrad befestigt ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe an der fahrzeugäußeren Seite der Antriebseinheit positioniert ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Getriebe abgewandten Seite des Radträgers eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Drehmomentübertragungsweg zwischen dem Elektromotor und dem Getriebe eine lösbare Verbindung vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steckersystem zur elektrischen und kühlungsmäßigen Anbindung des Elektromotors vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als Bremse betreibbar ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor mit dauermagnetischer Erregung am Rotor ausgebildet ist.
Radantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, die aufweist: (a) eine elektrische Antriebseinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 29; (b) und ein an dem Radträger der Antriebseinheit befestigtes Kraftfahrzeug-Rad.
Radantriebseinheit nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit, gewünschtenfalls mit Ausnahme eines fahrzeugseitigen Teilbereichs des Achsstummel-Bauteils, vorzugsweise einschließlich einer Bremsscheibe oder einer Bremstrommel, im Wesentlichen innerhalb der axialen Dimension des Kraftfahrzeug-Rads, untergebracht ist.
Radantriebseinheit nach Anspruch 30 oder 31, gekennzeichnet durch mindestens einen Befestigungsbereich, an dem sie an einer Radaufhängung des Kraftfahrzeugs befestigbar ist.
Kraftfahrzeug, das mindestens eine elektrische Antriebseinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 29 aufweist.