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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Getriebeeinrichtung mit einem äußeren,
eine äußere Statorwicklung aufweisenden Statorteil
und einem inneren, eine innere Rotorwicklung aufweisenden Rotorteil.
Die elektrische Getriebeeinrichtung weist weiterhin einen äußeren,
eine äußere Rotorwicklung aufweisenden Rotorteil
auf, der sich in einem zylindrischen Zwischenraum zwischen dem äußeren
Statorteil und dem inneren Rotorteil befindet. Der innere und der äußere
Rotorteil sind konzentrisch zueinander, relativ zueinander drehbar
gelagert und sind und von dem äußeren Statorteil
umgeben. Eine Getriebeeinrichtung mit den vorgenannten Merkmalen
geht beispielsweise aus
WO
00/34066 A1 hervor.
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Verbrennungsmaschinen
werden zu Antriebszwecken vielerorts zur Anwendung gebracht. Beispielsweise
werden Verbrennungsmaschinen zum Antrieb von Automobilen oder dieselgetriebenen Lokomotiven
oder Schiffen verwendet. Eine Verbrennungsmaschine verfügt
jedoch nur über einen sehr schmalen Drehzahlbereich, in
dem sie mit einem optimalen Wirkungsgrad arbeitet. Wird eine Verbrennungsmaschine
beispielsweise in einem Automobil zum Einsatz gebracht, so arbeitet
sie unter realistischen Einsatzbedingungen im Mittel mit einem Wirkungsgrad,
der weit unterhalb des optimalen Wirkungsgrads liegt. Dies liegt
unter anderem darin begründet, dass beispielsweise ein
Automobil unter realistischen Bedingungen mit einer sich fast stetig
verändernden Geschwindigkeit bewegt wird. Da typischerweise
Automobile mit einem mechanischen Getriebe, welches diskrete Getriebestufen
aufweist, arbeiten, können lediglich diskrete Geschwindigkeitsbereiche
mit einer optimalen Drehzahl der Verbrennungsmaschine gefahren werden.
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Weiterhin
ist es beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang notwendig,
die Verbrennungsmaschine wiederholt von einem niedrigen Drehzahlbereich
in einen hohen Drehzahlbereich zu führen. Der Gangwechsel
während eines solchen Beschleunigungsvorgangs führt
zusätzlich zu einer Unterbrechung der Drehmomentübertragung
zwischen der Verbrennungsmaschine und der angetriebenen Achse.
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Elektrische
Getriebe ermöglichen eine stufenlose Kraftübertragung
und Einstellung der Getriebeübersetzung; d. h., ein elektrisches
Getriebe ist nicht an diskrete Getriebestufen gebunden. Weiterhin
vereinigen elektrische Getriebe typischerweise die Funktion einer
Kupplung, eines Anlassers, einer Lichtmaschine (Generator) und eines
Getriebes in einem Bauteil.
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Die
einfachste Form eines elektrischen Getriebes ist der baulich getrennte
Aufbau eines Generators und eines Elektromotors. Der Generator wird zu
den vorstehend erwähnten Antriebszwecken typischerweise
von einer Verbrennungsmaschine angetrieben. Der auf diese Weise
erzeugte elektrische Strom wird zum Antrieb des Elektromotors verwendet.
Eine Kombination von einer Verbrennungsmaschine mit einem Generator
und einem Elektromotor wird auch als Hybridantrieb bezeichnet.
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Da
elektrische Getriebe keine Unterbrechung der Drehmomentübertragung
bedingt durch einen Gangwechsel aufweisen, können Fahrzeuge, welche
mit einem elektrischen Getriebe angetrieben werden, unter Umständen
eine höhere Beschleunigungsleistung erzielen als ein vergleichbares
Fahrzeug, welches mit einem konventionellen Getriebe und einem gleichstarken
Verbrennungsmotor aufgerüstet ist. Der Verbrennungsmotor
kann in einem Fahrzeug, welches mit einem elektrischen Getriebe ausgerüstet
ist, unabhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs stets
bei einer optimalen Drehzahl betrieben werden. Auf diese Weise kann
der Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems gegenüber einem konventionellen
Antrieb verbessert werden.
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DE 41 18 678 A1 offenbart
einen Fahrzeughybridantrieb, bei dem zwischen der Verbrennungsmaschine
und einer Schleifringläufermaschine eine erste Kupplung
und zwischen der Schleifringläufermaschine und einem mechanischen
Getriebe eine zweite Kupplung angeordnet ist. Das mechanische Getriebe
ist mit einer Antriebswelle verbunden. Dieses Konzept stellt keine
sehr hohen Anforderungen an die Konstruktion des elektrischen Antriebes,
da zusätzlich ein mechanisches Getriebe zum Einsatz gebracht
wird. Gegenüber einer konventionellen Anordnung, bestehend
aus einem Verbrennungsmotor, einer Kupplung und einem mechanischen
Getriebe weist der vorgenannte Fahrzeughybridantrieb jedoch eher
eine technisch aufwendigere als eine einfachere technische Lösung
aus.
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WO 03/075437 A1 offenbart
ein elektrisches Getriebe mit einer Eingangs- und einer Ausgangswelle.
Das elektrische Getriebe besteht im Wesentlichen aus zwei elektrischen
Maschinen, wobei der Rotor der ersten Maschine mit der angetriebenen Eingangswelle
verbunden ist. Den Rotor dieser ersten Maschine umgreift ein elektrisch
nicht zugänglicher Rotorkäfig, welcher ebenfalls
drehbar gelagert ist. Dieser Rotorkäfig ist mit einer zweiten
Welle verbunden, welche mit dem Rotor einer zweiten elektrischen
Maschine verbunden ist. Der Rotor der zweiten elektrischen Maschine
ist von einem ortsfesten Stator umgeben. Der Rotor, welcher mit
der Eingangswelle verbunden ist, sowie der Stator sind jeweils mit
einer Stromquelle verbunden. Zur Stromversorgung des mit der Eingangswelle
verbundenen Rotors sind Schleifkontakte vorgesehen.
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WO 00/34066 A1 offenbart
einen weiteren Hybridantrieb. Dieser Hybridantrieb besteht aus einer Verbrennungsmaschine,
deren Welle direkt mit einem elektrischen Getriebe verbunden ist.
Die Ausgangswelle des Verbrennungsmotors entspricht der Eingangswelle
des elektrischen Getriebes. Das elektrische Getriebe besteht aus
zwei elektrischen Maschinen, nämlich einer ersten elektrischen
Maschine, bestehend aus einem ersten Rotorteil, der mit der Welle
der Verbrennungsmaschine verbunden ist, und einem zweiten, den ersten
Rotorteil umgebenden Rotorteil. Die zweite elektrische Maschine
besteht aus dem bereits erwähnten zweiten Rotorteil der
ersten Maschine und einem ortsfesten Statorteil, der die beiden
vorgenannten Rotorteile umgibt. Der erste Rotorteil und der Statorteil
verfügen über elektrische Leiterwindungen, welche
mit einer Stromquelle verbunden sind. Der zweite Rotorteil verfügt
auf seiner Innen- wie auch auf seiner Außenseite über
permanentmagnetische Elemente, welche in Wechselwirkung mit dem
ersten Rotorteil wie auch mit dem Statorteil treten. Zur Kontaktierung
der elektrischen Leiterwindungen des ersten Rotorteils werden Schleifkontakte
verwendet.
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Sowohl
das in
WO 03/075437
A1 offenbarte elektrische Getriebe als auch der in
WO 00/34066 A1 offenbarte
Hybridantrieb verfügen über eine bewegliche Welle
mit Rotorteil, dessen Windungen mittels Schleifkontakten kontaktiert
werden müssen. Derartige Schleifkontakte sind zum einen
technisch aufwendig und zum anderen störungsanfällig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Getriebeeinrichtung anzugeben,
die eine Drehmomentübertragung zwischen zwei relativ zueinander
drehbaren, konzentrisch zueinander angeordneten Rotoren ermöglicht
und welche gegenüber dem Stand der Technik einen vereinfachten
Aufbau aufweist.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde,
sowohl eine innere als auch eine äußere Rotorwicklung mittels
eines innen bzw. außen liegenden Stators induktiv zu erregen
und somit auf Schleifkontakte zur elektrischen Kontaktierung des
inneren Rotors verzichten zu können. Erfindungsgemäß wird
eine Getriebeeinrichtung angegeben, welche einen inneren, eine innere
Statorwicklung aufweisenden Statorteil sowie einen äußeren,
eine äußere Statorwicklung aufweisenden Statorteil
enthält, wobei zwischen den Statorteilen ein ringzylindrischer
Zwischenraum ausgebildet ist. Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Getriebeeinrichtung
einen inne ren, eine innere Rotorwicklung aufweisenden Rotorteil
sowie einen äußeren, eine äußere
Rotorwicklung aufweisenden Rotorteil, wobei die beiden Rotorteile
konzentrisch zueinander sowie relativ zueinander drehbar gelagert angeordnet
sind. Der innere wie auch der äußere Rotorteil
sind in dem ringzylindrischen Zwischenraum zwischen den beiden Statorteilen
angeordnet. Die Wicklungen des inneren wie auch des äußeren Rotorteils
sind jeweils von der Art einer Doppelkäfigläuferwicklung
ausgebildet. Die erfindungsgemäße Getriebeeinrichtung
verfügt weiterhin über eine Regelungsvorrichtung,
mit der die innere und die äußere Statorwicklung
derart erregt werden kann, dass eine magnetische Drehmomentübertragung
zwischen der inneren und der äußeren Rotorwicklung
zu generieren ist.
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Unter
einer Doppelkäfigläuferwicklung ist in diesem
Zusammenhang eine Läuferwicklung zu verstehen, deren Leiterelemente
im Wesentlichen auf zwei konzentrisch zueinander angeordneten Zylindermantelflächen
angeordnet sind. Die Leiterelemente können in diesem Zusammenhang
Stäbe nach der Art eines Käfigläufers
einer Asynchronmaschine sein. Weiterhin können die Leiterelemente Bündel
von Leitern, beispielsweise aus Kupferlitzen, die von einem Träger
von ferromagnetischem Material, z. B. einem geblechten Leitungsträger
gehalten werden, sein. Die Leiterelemente auf den jeweiligen Zylindermantelflächen
sind elektrisch mit einander verbunden. Ebenfalls können
die Bündel von Leitern in geschlossenen Leiterschleifen
ausgeführt sein, und auf diese Weise miteinander verbunden
sein. Die jeweiligen Leiterschleifen werden in diesem Fall beispielsweise
derart auf bzw. in dem Leitungsträger angeordnet, dass
sie sich im Wesentlichen in Richtung der Längsachse des
Leitungsträgers auf dessen Außen- bzw. Innenseite
befinden. Da es sich um geschlossene Leiterschleifen handelt, ist
auf diese Weise die Innenseite der Doppelkäfigläuferwicklung
mit der Außenseite der Doppelkäfigläuferwicklung
elektrisch verbunden.
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Vorteilhaft
kann bei der erfindungsgemäßen Getriebeeinrichtung
auf eine Kontaktierung des inneren Rotors mittels Schleifkontakten
verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Getriebeeinrichtung
ist daher zuverlässiger als auch einfacher zu fertigen
als eine entsprechende Getriebeeinrichtung, bei der der innere Rotor
mittels Schleifkontakten kontaktiert ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Getriebeeinrichtung
gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen
hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1
mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise
auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden.
Demgemäß kann die Getriebeeinrichtung nach der
Erfindung zusätzlich noch die folgenden Merkmale aufweisen:
- – Der innere Statorteil und der innere
Rotorteil sowie der äußere Statorteil und der äußere
Rotorteil können jeweils nach der Art einer Asynchronmaschine
ausgebildet sein. Gemäß der vorgenannten Ausführungsform
der Getriebeeinrichtung kann auf diese Weise beispielsweise der
innere Statorteil mit dem inneren Rotorteil als Generator oder Motor
wirken. Analog können auch äußerer Statorteil
und äußerer Rotorteil wirken.
- – Die Doppelkäfigläuferwicklung des
inneren und/oder des äußeren Rotorteils kann auf
ihrer inneren bzw. äußeren Seite eine unterschiedlich große
Anzahl von sich axial erstreckenden Leiterelementen aufweisen. Indem
die Doppelkäfigläuferwicklung des inneren und/oder
des äußeren Rotorteils eine unterschiedlich große
Anzahl von sich axial erstreckenden Leiterelementen aufweist, können
durch Verschaltung der Leiterelemente verschiedene Polzahlen auf
der Innen- und Außenseite des inneren bzw. äußeren
Rotorteil erzeugt werden. Typischerweise besitzen schnell laufende
Maschinen mit einem geringen Drehmoment eine geringe Anzahl von
Polpaaren, und langsam laufende Maschinen mit einem hohen Drehmoment
eine hohe Anzahl von Polpaaren. Die aus dem äußeren
Statorteil und dem äußeren Rotorteil gebildete
Maschine, die vorzugsweise eine Asynchron- oder Synchronmaschine
sein kann, kann eine hohe Polzahl aufweisen. Die aus dem inneren
Statorteil und dem inneren Rotorteil gebildete Maschine, die vorzugsweise
eine Asynchronmaschine sein kann, kann eine niedrige Polzahl aufweisen.
Zwischen dem inneren und dem äußeren Rotorteil,
auf den jeweils einander zugewandten Seiten, sollten die jeweiligen
Rotorteile eine gleiche Anzahl von Polpaaren aufweisen. Dies kann
durch eine Verschaltung von verschiedenen Anzahlen von Leiterelementen
auf der Innen bzw. der Außenseite der Doppelkäfigwicklung des
Inneren bzw. äußeren Rotorteils erreicht werden.
Durch eine derartige Verschaltung der Leiterelemente der Doppelkäfigläuferwicklung/en
kann vorteilhaft beispielsweise mit einer schnell laufenden Verbrennungsmaschine
eine langsam laufende Welle angetrieben werden. Ebenso kann mit einer
langsam laufenden Maschine eine schnell laufende Welle angetrieben
werden.
- – Mehrere sich axial erstreckende Leiterelemente auf
der inneren Seite der Doppelkäfigläuferwicklung
können mit einem einzelnen, sich axial erstreckenden Leiterelement
auf der äußeren Seite der Doppelkäfigläuferwicklung
verbunden sein. Dies kann sowohl für den inneren als auch
für den äußeren Rotorteil zutreffen.
Vorteilhaft kann auf diese Weise die Polzahl eines auf der Außenseite der
Doppelkäfigläuferwicklung anliegenden Feldes derart
reduziert werden, dass auf der Innenseite der Doppelkäfigläuferwicklung
eine um ein ganzzahliges Vielfaches reduzierte Polzahl anliegt.
- – Es können vier sich axial erstreckende Leiterelemente
auf der inneren Seite mit zwei sich axial erstreckenden Leiterelementen
auf der äußeren Seite der Doppelkäfigläuferwicklung
des inneren und/oder des äußeren Rotorteils jeweils
stirnseitig elektrisch miteinander verbunden sein. Vorteilhaft kann
gemäß dieser Ausführungsform eine Reduzierung
der Polzahl des außen an der Doppelkäfigläufer wicklung
anliegenden Feldes im Verhältnis 1:2 erreicht werden.
- – Mehrere sich axial erstreckende Leiterelemente auf
der äußeren Seite der Doppelkäfigläuferwicklung
können mit einem einzelnen sich axial erstreckenden Leiterelement
auf der inneren Seite der Doppelkäfigläuferwicklung
des inneren und/oder des äußeren Rotorteils stirnseitig
elektrisch miteinander verbunden sein. Gemäß dieser
Ausführungsform kann dann vorteilhaft die Polzahl eines auf
der Außenseite der Doppelkäfigläuferwicklung anliegenden
Feldes derart erhöht werden, dass auf der Innenseite der
Doppelkäfigläuferwicklung eine um ein ganzzahliges
Vielfaches erhöhte Polzahl anliegt.
- – Vier sich axial erstreckende Leiterelemente auf der äußeren
Seite können mit zwei sich axial erstreckenden Leiterelementen
auf der inneren Seite der Doppelkäfigläuferwicklung
des inneren und/oder des äußeren Rotorteils stirnseitig
elektrisch miteinander verbunden sein. Vorteilhaft kann gemäß dieser
Ausführungsform eine Erhöhung der Polzahl des
außen an der Doppelkäfigläuferwicklung
anliegenden Feldes im Verhältnis 1:2 erreicht werden.
- – Die Doppelkäfigläuferwicklung des
inneren und/oder des äußeren Rotorteils kann auf
ihrer inneren bzw. äußeren Seite eine gleichgroße
Anzahl von sich axial erstreckenden Leiterelementen aufweisen. Diese
Leiterelemente können paarweise miteinander stirnseitig
kurzgeschlossen sein. Gemäß dieser Ausführungsform
kann erreicht werden, dass das die Polzahl des außen an der
Doppelkäfigläuferwicklung anliegenden Feldes 1:1
auf die Innenseite der Doppelkäfigläuferwicklung übertragen
wird.
- – Die Leiterelemente können durch Stäbe
oder eine Vielzahl von Einzellitzen gebildet sein. Weiterhin können
Rotorteile zumindest teilweise aus Blechpaketen bestehen, welche
Nuten zur Aufnahme der Leiterelemente aufweisen. Gemäß dieser
Ausführungsform kann die Doppelkäfigläuferwicklung
des inneren und/oder äußeren Rotorteils analog
dem Rotor einer Asynchronmaschine aufgebaut sein. Der Rotor kann
in diesem Zusammenhang mittels Stäben, also als Käfigläufer
oder auch mittels Einzellitzen, welche von einem geblechten Rotorteil
aufgenommen werden, ausgestaltet sein.
- – Der innere Statorteil mit der inneren Statorwicklung
und der innere Rotorteil mit der inneren Rotorwicklung können
gemäß einem Generator wirken; der äußere
Stator mit der äußeren Statorwicklung und der äußere
Rotor mit der äußeren Rotorwicklung können
gemäß einem Motor wirken. Gemäß dieser
Ausführungsform können Teile der Getriebeeinrichtung
vergleichbar einer Lichtmaschine oder einem elektrischen Antrieb wirken.
Da es sich bei der Getriebeeinrichtung lediglich um ein Bauteil
handelt, kann vorteilhaft in einem einzigen Bauteil eine Vielzahl
von verschiedenen Funktionen realisiert sein.
- – Der innere Statorteil mit der inneren Statorwicklung
und der innere Rotorteil mit der inneren Rotorwicklung kann einen
Motor bilden, der äußere Stator mit der äußeren
Statorwicklung und der äußere Rotor mit der äußeren
Rotorwicklung kann einen Generator bilden. Für diese Ausführungsform
ergeben sich gleiche oder ähnliche Vorteile wie für
die zuvor genannte Ausführungsform.
- – Die Regelungsvorrichtung kann die innere bzw. äußere
Statorwicklung derart erregen, dass eine Drehmomentübertragung
zwischen dem Generator und dem Motor erfolgt. Gemäß dieser
Ausführungsform kann zusätzlich zu der magnetischen Wechselwirkung
zwischen der inneren und der äußeren Rotorwicklung
eine Drehmomentübertragung zwischen den Teilen des Getriebes,
welche als Motor wirken, und den Teilen des Getriebes, welche als
Generator wirken, erfolgen. Auf diese Weise kann die Getriebeeinrichtung
neben der Aufgabe einer Kupplung auch die eines elektrischen Getriebes
er füllen.
- – Die Regelungsvorrichtung kann die innere bzw. äußere
Statorwicklung derart erregen, dass die durch die den Motor bildenden
Teile der Getriebeeinrichtung zugeführte elektrische Energie
in ein Drehmoment umgewandelt wird. Indem der Getriebeeinrichtung
von außen elektrische Energie zugeführt wird,
kann diese vorteilhaft ebenfalls als elektrischer Antrieb wirken.
Beispielsweise kann die Getriebeeinrichtung in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor
so als Hybridantrieb genutzt werden.
- – Die Regelungsvorrichtung kann die innere bzw. äußere
Statorwicklung derart erregen, dass durch die den Generator bildenden
Teilen der Getriebeeinrichtung ein Drehmoment in elektrische Energie
umgewandelt wird, welche von der Getriebeeinrichtung abgenommen
wird. Vorteilhaft kann die Getriebeeinrichtung gemäß dem
vorgenannten Ausführungsbeispiel als Generator bzw. Lichtmaschine
wirken.
- – Die Regelungsvorrichtung kann derart ausgestaltet
sein, dass die innere und/oder die äußere Statorwicklung
derart erregt werden/wird, dass wahlweise eine magnetische Drehmomentübertragung
zwischen der inneren und der äußeren Rotorwicklung
generiert wird, der Getriebeeinrichtung zugeführte elektrische
Energie in ein Drehmoment umgewandelt wird oder ein Drehmoment in
elektrische Energie, die von der Getriebeeinrichtung abgeführt
wird, umgewandelt wird. Vorteilhaft kann bei diesen Ausführungsformen
die Getriebeeinrichtung wahlweise als Kupplung, Antrieb oder Generator
verwendet werden. Weiterhin kann die Getriebeeinrichtung gemäß diesen Ausführungsformen überwiegend
als eines der vorgenannten Elemente wirken.
- – Mit dem inneren und dem äußeren
Rotorteil kann jeweils eine Welle, vorzugsweise eine Hohlwelle,
zur Übertragung von Drehmomenten verbunden sein. Indem
die Getriebeeinrichtung gemäß dieser Ausführungsform
mit einer drehmo mentübertragenden Welle verbunden wird,
kann diese vorteilhaft zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Getriebeeinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen
Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung
hervor. In der Zeichnung sind bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Getriebeeinrichtung in schematisierter Darstellung angedeutet. Dabei
zeigen deren
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1 einen
Längsschnitt einer Getriebeeinrichtung,
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2 einen
Querschnitt dieser Getriebeeinrichtung,
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3 einen
Querschnitt ihres äußeren Rotors und
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4 die
Verwendung dieser Getriebeeinrichtung in einem Hybridfahrzeug in
stark schematisierter Form.
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Sich
in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit denselben Bezugszeichen
versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemeiner
Stand der Technik.
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1 zeigt
eine Getriebeeinrichtung 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Die Getriebeeinrichtung 100 verfügt über
einen inneren Statorteil 101 mit einer inneren Statorwicklung 102.
Der innere Statorteil 101 kann vorzugsweise ein geblechtes Bauteil
sein, welches vorzugsweise aus Transformatorblech herstellbar ist.
Die innere Statorwicklung 102 kann dabei von in das geblechte
innere Statorteil 101 eingearbeiteten Nuten gehalten sein.
Die innere Statorwicklung 102 kann aus einer Vielzahl von
einzelnen Drähten, z. B. Kupferdrähten, bestehen.
Neben dem inneren Statorteil 101 weist die Getriebeeinrichtung 100 gemäß dem
in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen äußeren
Statorteil 103 mit einer äußeren Statorwicklung 104 auf.
Der äußere Statorteil 103 kann dabei
in ähnlicher Weise wie der innere Statorteil 101 aufgebaut
sein.
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Der
in 1 gezeigte Teil der Getriebeeinrichtung 100 kann
um eine Symmetrieachse A rotationssymmetrisch sein. Der in 1 gezeigte
Teil entspricht in diesem Fall lediglich der oberen Hälfte
einer solchen rotationssymmetrischen Getriebeeinrichtung 100.
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Zwischen
dem inneren Statorteil 101 und dem äußeren
Statorteil 103 befindet sich ein ringzylindrischer Zwischenraum 105.
In diesem ringzylindrischen Zwischenraum kann ein innerer Rotorteil 106 mit
einer inneren Rotorwicklung 107 sowie ein äußerer
Rotorteil 108 mit einer äußeren Rotorwicklung 109 angeordnet
sein. Der innere Rotorteil 106 und der diesen Rotorteil
konzentrisch umschließende äußere Rotorteil 108 können ähnlich
wie der innere Statorteil 101 und der äußere
Statorteil 103 aus einem geblechten Körper bestehen.
Wiederum kann für den inneren Rotorteil 106 und
dem äußeren Rotorteil 108 Elektroblech
verwendet werden.
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Die
Wicklung 107 des inneren Rotorteils 106 sowie
die Wicklung 109 des äußeren Rotorteils 108 können
nach der Art einer Doppelkäfigläuferwicklung aufgebaut
sein. Unter einer Doppelkäfigläuferwicklung ist
eine derartige Wicklung zu verstehen, bei der auf der inneren Seite
der jeweiligen Rotorteile 106 bzw. 108 stabförmige
Leiterelemente angeordnet sind, welche mit stabförmigen
Leiterelementen auf der Außenseite des jeweiligen Rotorteils 106 bzw. 108 elektrisch
verbunden sind. Diese stabförmigen Leiterelemente können
nach der Art eines Käfigläufers einer Asynchronmaschine
ausgebildet sein. Weiterhin können die stabförmigen
Leiterelemente durch eine Vielzahl von Leitern, beispielsweise Kupferdrähten,
in geschlossenen Leiterschleifen in entsprechenden Nuten des inneren
Rotorteils 106 bzw. äußeren Rotorteile 108 eingelegt
sein. Die stabförmigen Leiterelemente bzw. die Bündel
von Leitern/Litzen sind an ihren Enden miteinander kurzgeschlossen.
Es können dabei sowohl mehrere innenliegende Leiterelemente
mit einem einzelnen außen liegenden Leiterelement wie auch
eine Mehrzahl von außen liegenden Leiterelementen mit einem
einzelnen Leiterelement auf der Innenseite des jeweiligen Rotorteils verbunden
sein.
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Sowohl
mit dem inneren Rotorteil 106 als auch mit dem äußeren
Rotorteil 108 ist eine Welle 110 bzw. 111,
vorzugsweise eine Hohlwelle, verbunden. Sowohl die innenliegende
Hohlwelle 110 als auch die außen liegende Hohlwelle 111 kann
sowohl als Antriebs- wie auch als Abtriebswelle verwendet werden.
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Gemäß dem
in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer
Getriebeeinrichtung 100 kann der innere Rotorteil 106 gemeinsam
mit dem innenliegenden Statorteil 101 nach Art einer Asynchronmaschine
ausgebildet sein. Gleiches trifft auf den äußeren
Rotorteil 108 zu, welcher gemeinsam mit dem äußeren
Statorteil 103 ebenfalls nach Art einer Asynchronmaschine
ausgebildet sein kann. Der innere Rotorteil 106 und der äußere
Rotorteil 108 werden bei der Getriebeeinrichtung 100 gemäß dem
in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich
durch den innenliegenden Statorteil 101 bzw. den außen
liegenden Statorteil 103 induktiv erregt. Eine elektrische Kontaktierung
des innenliegenden Rotorteils 106 bzw. außen liegenden
Rotorteils 108 kann dadurch entfallen.
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Die
Wechselwirkung zwischen den Statorteilen 101 und 103 und
den jeweiligen Rotorteilen 106 und 108 entspricht
im Wesentlichen der Wechselwirkung einer Asynchronmaschine. Die
Wechselwirkung zwischen dem inneren Rotorteil 106 und dem äußeren
Rotorteil 108 entspricht im Wesentlichen der Wechselwirkung
einer Synchronmaschine.
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Der
innen liegende Statorteil 101 und der außen liegende
Statorteil 103 können mit einer Regelungsvorrichtung 404 verbunden
sein. Vorzugsweise kann die Regelungsvorrichtung 404 dabei
die Wirkung eines Umrichters zur Ansteuerung der äußeren bzw.
inneren Maschine erfüllen. Unter der äußeren Maschine
ist in diesem Fall das Zusammenwirken zwischen äußerem
Statorteil 103 und äußerem Rotorteil 108 zu
verstehen, während unter der inneren Maschine das Zusammenwirken
des Statorteils 101 und des inneren Rotorteils 106 zu
verstehen ist.
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Zwischen
dem inneren 106 und äußeren Rotorteil 108 kann
ein Synchrondrehmoment wirken. Der innere 101 bzw. äußere
Statorteil 103 wird in diesem Fall mit Hilfe der Regelungsvorrichtung 404 derart
angesteuert, dass sich Bedingungen zur Drehmomentübertragung
zwischen dem inneren 106 und äußeren
Rotorteil 108 einstellen. Zu diesen Bedingungen zählt
insbesondere, dass der innere 106 und äußere
Rotorteil 108 mit zumindest näherungsweise gleicher
Frequenz erregt werden. Eine weitere mögliche Bedingung
ist eine zumindest näherungsweise gleiche Phasenlage zwischen
den in der äußeren 109 und inneren Rotorwicklung 107 erregten
Strömen, in Bezug auf ein ortsfestes Koordinatensystem.
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Weitere
Ausführungen hinsichtlich der Wirkungsweise der Getriebeeinrichtung 100 sollen
im Folgenden anhand von 4 vorgenommen werden.
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4 zeigt
schematisch dargestellt die Getriebeeinrichtung 100 mit
den bereits im Zusammenhang mit 1 erwähnten
Bauteilen 101 bis 108, wobei gemäß dem
in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der innere
Rotorteil 106 über die Hohlwelle 110 mit
einer Verbrennungsmaschine 401 verbunden ist und der äußere
Rotorteil 108 über die Hohlwelle 111 mit
einem eine Achse 403 antreibenden Getriebe 402 verbunden
ist. Der innere Statorteils 101 sowie der äußere
Statorteil 103 sind mit einer Regelungsvorrichtung 404,
welche insbesondere die Aufgabe eines Umrichters/Frequenzumrichters
erfüllen kann, verbunden. Ebenfalls mit der Regelungsvorrichtung 404 ist
eine elektrische Batterie 405 verbunden.
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Die
Getriebeeinrichtung 100 kann nun sowohl die Aufgabe einer
Kupplung wie auch die eines Hybridantriebes im Antriebsbetrieb und
im regenerativen Betrieb erfüllen.
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Im
Folgenden soll zunächst die Wirkungsweise der Getriebeeinrichtung 100 unter
Bezugnahme auf die 1 und 4 beschrieben
werden, welche mit der Wirkungsweise einer Kupplung vergleichbar
ist. Der Getriebeeinrichtung 100 wird über die Welle 110 von
der Verbrennungsmaschine 401 mechanische Energie zugeführt.
Die mechanische Energie in Form eines Drehmomentes greift an dem inneren
Rotorteil 106 an. Mit Hilfe der Regelungsvorrichtung 404 können
nun der innere Statorteil 101 und der äußere
Statorteil 103 derart erregt werden, dass eine variable
Drehmomentübertragung zwischen dem inneren Rotorteil 106 und
dem äußeren Rotorteil 108 erfolgt. Indem
auf die Vorbeschriebene Weise eine Drehmomentübertragung
zwischen dem inneren Rotorteil 106 und dem äußeren
Rotorteil 108 erfolgt, kann eine mechanische Drehmomentübertragung
zwischen der auch als Eingangswelle 110 zu bezeichnenden
Welle und der auch als Abtriebswelle zu bezeichnenden Welle 111 erfolgen.
Auf diese Weise kann ein Antrieb der Achse 403 mit Hilfe
der Verbrennungsmaschine 401 über die Getriebeeinrichtung 100 erfolgen.
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Im
Folgenden soll die Wirkungsweise der Getriebeeinrichtung 100 nach
der Art eines Hybridantriebes, wiederum unter Bezugnahme auf die 1 und 4,
beschrieben werden. In diesem Fall überträgt die
von dem Verbrennungsmotor 101 angetriebene Antriebswelle 110 ein
Drehmoment auf den inneren Rotorteil 106. Der innere Statorteil 101 wirkt
gemeinsam mit dem inneren Rotorteil 106 nach der Art einer
Asynchronmaschine, im Speziellen nach der Art eines Asynchrongenerators.
In diesem Fall wird über die Eingangswelle 110 in
die Getriebeeinrichtung 100 eingebrachte mechanische Energie in
elektrische Energie umgewandelt. Über die Regelungsvorrichtung 404 wird
diese elektrische Energie auf den äußeren Statorteil 103,
welcher mit dem äußeren Rotorteil 108 zusammenwirkt, übertragen.
Der äußere Statorteil 103 wirkt gemeinsam
mit dem äußeren Rotorteil 108 als elektrischer
Motor, welcher elektrische Energie wiederum in mechanische Energie
zum Antrieb der Abtriebswelle 111 und somit zum Antrieb
der Achse 403 umwandelt. Die Gesamtenergiebilanz der derart
betriebenen Getriebeeinrichtung 100 weist eine mechanische
Ausgangsenergie aus, die der mechanischen Eingangsenergie abzüglich der
in der Getriebeeinrichtung 100 entstehenden Verluste entspricht.
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Weiterhin
kann, ggf. zusätzlich zu der im vorangehenden Absatz beschriebenen
Art der Energieübertragung, ein Synchrondrehmoment zwischen dem äußeren 108 und
inneren Rotorteil 106 wirken. Die Regelungsvorrichtung 404 steuert
in diesem Fall den äußeren 103 und inneren
Statorteil 101 derart an, dass der äußere 108 und
innere Rotorteil 106 derart erregt werden, dass die Bedingungen
zu einer Drehmomentübertragung zwischen den beiden Rotorteilen 106, 108 erfüllt
sind. Zu diesen Bedingungen können unter anderem zählen,
dass die Rotorteile 106, 108 mit der gleichen
Frequenz erregt werde, und dass weiterhin der Erregungsstrom in
den Rotorteilen 106, 108, gegenüber einem
ortsfesten Koordinatensystem die gleiche Phasenlage aufweist.
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Wird
der Getriebeeinrichtung 100 elektrische Energie, z. B.
aus einer Batterie 405, zugeführt, so kann die
Getriebeeinrichtung 100 nach der Art eines Hybridantriebes
im Antriebsbetrieb betrieben werden. Ebenfalls kann der Getriebeeinrichtung 100 elektrische
Energie entzogen werden, um beispielsweise eine Batterie 405 aufzuladen.
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Die
in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel beschriebenen Wirkungen
des inneren Statorteils 101 und des inneren Rotorteils 106 als
Generator können in gleicher Weise von dem äußeren Statorteil 103 und
dem äußeren Rotorteil 108 erfüllt werden.
In diesem Fall würde entsprechend der innere Statorteil 101 gemeinsam
mit dem inneren Rotorteil 106 als Motor und der äußere
Statorteil mit dem äußeren Rotorteil 108 als
Generator wirken.
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Die
folgenden Erläuterungen sollen anhand der 2 und 3 vorgenommen
werden.
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2 zeigt
einen Querschnitt entlang der in 1 mit II-II
gekennzeichneten Linie. Dabei zeigt 2 den äußeren
Statorteil 103, den äußeren Rotorteil 108 und
den inneren Rotorteil 106 sowie den inneren Statorteil 101. 2 zeigt lediglich
eine Hälfte eines Querschnitts durch die Getriebeeinrichtung 100.
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Der
innere Rotorteil 106 und der äußere Rotorteil 108 verfügen
an ihren Innen- bzw. Außenseiten nach der Art einer Doppelkäfigläuferwicklung Leiterelemente 201.
Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
verfügen die beiden Rotorteile 106, 108 über
eine gleichgroße Anzahl von Leiterelementen 201 auf
ihrer Innen- bzw. ihrer Außenseite.
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Gemäß einem
weiteren in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
kann eine Vielzahl von Leiterelementen auf der Außenseite
eines Rotorteils 106, 108 mit einem einzelnen
Leiterelement 201 auf der Innenseite des entsprechenden
Rotorelements 106, 108 verbunden sein. 3 zeigt
einen Querschnitt durch das äußere Rotorelement 108.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind
vier Leiterelemente 201 auf der Außenseite 301 des
Rotorelementes 108 mit zwei Leiterelementen auf der Innenseite 302 des Rotorteils 108 verbunden. 3 zeigt
beispielhaft die Verbindung von drei auf der Außenseite 301 liegenden
Leiterelementen 303 mit zwei auf der Innenseite 302 liegenden
Leiterelementen 304. Die elektrische Verbindung zwischen
den Leiterelementen 303 und 304 kann durch stirnseitig
an dem Rotorteil 108 angebrachte Verbindungsleitungen 305 erfolgen. Ebenso
kann gemäß weiteren, nicht explizit gezeigten
Ausführungsformen eine Verschaltung von beispielsweise
vier auf der Innenseite 302 liegenden Leiterelementen 201 mit
zwei auf der Außenseite 301 liegenden Leiterelementen 301 vorgenommen
werden. Ebenso können die Leiterelemente 301,
wie in 2 gezeigt, paarweise miteinander an der Stirnseite
des Rotorteils 108 kurzgeschlossen werden.
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Die
Leiterelemente 201 können als diskret ausgeformte
elektrisch leitfähige Stäbe auf der Innenseite
des Rotorteils 108, im Wesentlichen auf einem Zylindermantel
angeordnet, ausgestaltet sein. Gleiches gilt für die außen
liegenden Leiterelemente 201. Werden die Leiterelemente 201 in
Form von diskreten Stäben realisiert, so werden diese Stäbe über ent sprechende
Kontaktierungen an den Stirnseiten des Rotorteils miteinander elektrisch
verbunden. Ebenso können die Leiterelemente 201 durch
eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Drähten
gebildet werden. In diesem Fall können die elektrisch leitfähigen
Drähte in entsprechende diese aufnehmenden Nuten eines
Rotorträgers eingelassen sein. Die Drähte können
in diesem Fall sich über die Außenseite 301 und
die Innenseite 302 erstreckende, geschlossene Leiterschleifen
bilden. Um eine Verschaltung von mehreren auf der Außenseite 301 liegenden Leiterelementen 201 mit
einem einzelnen auf der Innenseite 302 liegenden Leiterelement 201 zu
realisieren, können beispielsweise in die entsprechenden Nuten
des Rotorteils 108 auf der Außenseite 301 lediglich
halb so viele Litzen wie auf der Innenseite 302 gelegt
werden. Auf diese Weise ergäbe sich eine Verschaltung von
zwei Leiterelementen auf der Außenseite mit einem einzelnen
Leiterelement auf der Innenseite des Rotorteils 108.
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Indem
verschieden große Anzahlen von Leiterelementen auf der
Außenseite eines Rotorteils 106 bzw. 108 und
der Innenseite des entsprechenden Rotorteils miteinander verschaltet
werden, kann eine gezielte Feldveränderung bedingt durch
das jeweilige Rotorteil erreicht werden. Die folgenden Erläuterungen
werden beispielhaft anhand des äußeren Rotorteils 108,
welches in 3 gezeigt ist, vorgenommen.
Ebenso gelten diese Erläuterungen für das innere
Rotorteil 106.
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Wirkt
beispielsweise ausgehend von dem äußeren Statorteil 103 ein
Quadrupolfeld auf das äußere Rotorteil 108,
so wird bei einer Verschaltung von vier Leiterelementen 303 auf
der Außenseite 301 des äußeren
Rotorteils 108 mit zwei auf der Innenseite 302 des
Rotorteils 108 angeordneten Leiterelementen 304 eine
Umformung des Quadrupolfeldes in ein Dipolfeld erreicht. Wie aus
dem Stand der Technik bekannt, ist es bei elektrischen Maschinen
vorteilhaft, wenn für langsam laufende Maschine eine große
Polzahl und für schnelllaufende Maschinen eine geringe
Polzahl verwendet wird. Mit einem Rotorteil, welcher eine gemäß dem
in 3 gezeigten Ausführungsbei spiel gezeigte
Verschaltung seiner Leiterelemente aufweist, kann die Polzahl auf
der Außenseite 301 des Rotorteils 108 von
vier auf zwei Pole auf der Innenseite 302 des Rotorteils 108 reduziert
werden. Folglich kann das äußere Rotorteil 108 gemeinsam mit
dem äußeren Statorteil 103 eine langsam
laufende Asynchronmaschine bilden. In diesem Fall würde diese
aus den vorgenannten Teilen gebildete Asynchronmaschine vier Pole
aufweisen. Auf der Innenseite 302 des Rotorteils 108 (vgl. 2)
befindet sich das innere Rotorteil 106. Das innere Rotorteil 106 kann
beispielsweise paarweise verschaltete Leiterelemente 201 aufweisen.
Auf diese Weise kann der innere Statorteil 101 gemeinsam
mit dem inneren Rotorteil 106 eine schnelllaufende Asynchronmaschine
bilden.
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Gemäß dem
zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann beispielsweise
eine Verbrennungsmaschine, welche typischerweise schnelllaufend
ist, das Rotorteil 106 antreiben. Die auf diese Weise elektrische
Energie wird auf die langsam laufende Asynchronmaschine, welche
aus dem äußeren Statorteil 103 und dem äußeren
Rotorteil 108 gebildet wird, übertragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 00/34066
A1 [0001, 0009, 0010]
- - DE 4118678 A1 [0007]
- - WO 03/075437 A1 [0008, 0010]