DE102007022953A1 - An Elektromotoren daimetral angebrachte Leistungskondensatoren - Google Patents

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Abstract

Wechselstrommotoren, die verwendet werden, um Räder von Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeugen anzutreiben, weisen Kondensatoren auf, die an den Motoren diametral angebracht sind, d.h. um den Durchmesser der Motoren herum angebracht sind. Die Kondensatoren können von ringförmiger oder kreisbogenförmiger Gestalt sein. Durch ein derartiges Ausgestalten der Leistungskondensatoren wird der axial beanspruchte Platz neben den Motoren verringert, wodurch eine erweiterte Entwurfsflexibilität für Kraftfahrzeuge geschaffen wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung ist auf Leistungskondensatoren gerichtet, die an Elektromotoren diametral angebracht sind. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Leistungskondensatoren, die an AC-Motoren diametral angebracht sind, welche als Traktionsmotoren für Kraftfahrzeuge verwendet werden.
  • Beim Gestalten von Kraftfahrzeugen ist eine effiziente Platzverwendung ein wichtiger Gesichtspunkt. Dies liegt daran, dass verschiedene Komponenten von Kraftfahrzeugen in der durch Fahrzeugkarosserien definierten Umhüllung häufig um Platz konkurrieren. Die vernünftige Platzverwendung ist nicht nur während der Montage von Kraftfahrzeugen ein Gesichtspunkt, sondern auch während der Wartung von Fahrzeugen. Zusätzlich ermöglicht ein geringerer Platzverbrauch für essentielle Kraftfahrzeugkomponenten dem Entwickler, den Platz für optionale Komponenten und für die Kapazität der Fahrgastzelle zu erhöhen. Während das Anpassen oder Vermindern des Platzverbrauchs einer Komponente keine wesentlichen Entwurfseffekte aufzuweisen scheint, können kumulierte Platzanpassungen und verminderter Platzverbrauch mehrerer Komponenten zu einer effizienteren Verwendung von Platz in einem Fahrzeug und zu einer erweiterten Entwurfsflexibilität führen.
  • Bei Spannungszwischenkreisumrichteranordnungen werden Kondensatoren als Spannungsspeichereinrichtungen verwendet, die Energiepuffer bereitstellen, um relativ glatte DC-Verbindungsspannungen aufrechtzuerhalten. Typischerweise macht das Kapazitätenvolumen einen wesentlichen Teil des Gesamtvolumens aus, das zum Einbauen eines Spannungszwischenkreisumrichters erforderlich ist. Derartige Kondensatoren sind häufig Elektrolyt- oder Filmkondensatoren. Diese Kondensatoren werden hergestellt, indem ein dünner Film aufgewickelt wird, um den gesamten Oberflächenbereichsbetrag des Films zu erhöhen. Bei dem Stand der Technik werden derartige Kondensatoren üblicherweise eng um ihren Mittelpunkt herum gewickelt, um einen geschlossenen oder festen Zylinder mit unterschiedlichen Höhen und Durchmessern zu erzeugen.
  • Um Verluste und EMI zu verringern, welche aus der Übertragung von Energie zwischen einem Elektroantrieb (Wechselrichtern und Kondensatoren) und einem Elektromotor resultiert, ist es oft wünschenswert, eine Übertragungsdistanz zwischen Elektroantrieben und -motoren zu minimieren. Um die Distanz zu minimieren, kann der Elektroantrieb in eine gemeinsame Anordnung mit einem Motor integriert werden. Auf diese Weise kann der Elektroantrieb bei einem aktuellen Entwurf in der Form eines Behälters vorliegen, der sowohl Wechselrichter- als auch Kapazitätenschaltkreise aufweist, die an der Motoraußenseite angebracht sind. Der Elektroantrieb ist auf diese Weise mit dem Motor integriert, indem der als ein Zylinder ausgestaltete Elektroantrieb an dem Ende des Motors befestigt wird. Durch das Befestigen des Antriebs an dem Ende des Motors wird die axiale Lange notwendigerweise erhöht. Bei vielen Einbauanwendungen ist der axiale Platz begrenzt, und durch das Befestigen des Elektroantriebs an dem Ende des Motors kann es nötig sein, den Elektromotor in der axialen Länge zu verringern, was zu einem Verlust an Leistung und Drehmomentabtriebskapazität führt. Da die von Elektroantrieben benötigte Kapazität ein wesentliches Volumen verbraucht, verringert das Anordnen der Kapazität an anderer Stelle das Volumen der verbleibenden Elektroantriebskomponenten, wodurch die axiale Lange von Elektroantriebsanordnungen an dem Ende des Motors verringert wird. Da die axiale Länge eines Elektroantriebssystems oft eine restriktivere Dimension als die Breite ist, kann ein Verringern der axialen Länge zu gewünschten Ergebnissen führen.
  • Eine erfindungsgemäße Wechselstromelektromotorbaugruppe umfasst einen Wechselstromelektromotor, der einen Rotor und eine Antriebswelle zur Rotation um eine Achse in Kombination mit einem Stator, der um den Rotor herum angeordnet ist, und einen Leistungskondensator aufweist, der bezüglich des Stators diametral angebracht ist und mit Wicklungen des Motors elektrisch verbunden ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Baugruppe umgibt ein Gehäuse den äußeren Umfang des Stators, und der Leistungskondensator ist diametral an dem Gehäuse angeordnet.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Baugruppe ist der Leistungskondensator ringförmig.
  • Gemäß noch einem anderen Aspekt der Baugruppe ist der Leistungskondensator kreisbogenförmig.
  • Gemäß noch einem anderen Aspekt der Baugruppe ist der Motor ein Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Baugruppe ist ein Wechselrichter an dem Motor axial angebracht, wobei der Leistungskondensator an dem Motor diametral angebracht ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Hybridkraftfahrzeugs ist, das einen Elektromotor mit einem diametral angebrachten Kondensator verwendet;
  • 2 eine schematische Darstellung eines von einer Brennstoffzelle angetriebenen Fahrzeugs ist, das einen Elektromotor mit einem diametral angebrachten Kondensator aufweist;
  • 3 eine Seitenansicht eines Elektromotors mit einem diametral angebrachten ringförmigen Kondensator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 4 eine Ansicht entlang einer Linie 4-4 von 3 ist;
  • 5 eine Ansicht eines Elektromotors von der Seite, von unten oder von oben ist, der einen diametral angebrachten kreisbogenförmigen Kondensator gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
  • 6 ein Aufriss entlang der Linien 6-6 von 5 ist;
  • 7 eine Ansicht eines Motors von oben, von der Seite oder von unten ist, der einen diametral daran angebrachten Kondensator mit erhöhter axialer Länge gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung aufweist; und
  • 8 ein Aufriss entlang der Linien 8-8 von 7 ist.
  • Nun auf 1 Bezug nehmend ist ein Fahrzeug 10 mit einem Hybridantrieb 12, der eine Verbrennungsmaschine 14 und einen Wechselstrommotor (AC-Motor) 16 umfasst, schematisch gezeigt. Die Verbrennungsmaschine 14 und der AC-Motor 16 treiben Räder 18 durch ein Getriebe 20 an. Eine Leistungsteilereinrichtung 22 treibt einen elektrischen Generator 24 an, um eine Batterie 26 (welche als eine Reihe von Batterien ausgestaltet sein kann) aufzuladen, wenn die Verbrennungsmaschine 14 läuft. Unter ausgewählten Umständen kann der elektrische Generator 24 den Elektromotor 16 antreiben, um gleichzeitig mit der Verbrennungsmaschine 14 zu laufen. Die Batterie 26 und der elektrische Generator 24 liefern einen DC-Strom an einen Wechselrichter 30, welcher axial angebracht an und in dem AC-Motor 16 umfasst dargestellt ist. Auch von dem AC-Motor 16 umfasst ist ein Leistungskondensator 32. Erfindungsgemäß ist der Leistungskondensator 32 an dem Motor 16 diametral angebracht, um eine Motorbaugruppe 33 zu bilden, die den Motor 16, den Wechselrichter 30 und den Kondensator 32 umfasst. Der Begriff diametral angebracht bedeutet rund um den Durchmesser des Motors 16 herum angebracht.
  • Nun auf 2 Bezug nehmend ist 2 ähnlich 1 mit dem Unterschied, dass das Fahrzeug 10' von einer Brennstoffzelle 40 angetrieben wird, die sowohl eine Batterie 26 lädt als auch den Wechselrichter 30 der AC-Motorbaugruppe 33 mit Gleichstrom versorgt. Die AC-Motorbaugruppe 33 ist ähnlich ausgestaltet wie die AC-Motorbaugruppe 33 von 1, wobei ein axial angebrachter Wechselrichter 30 einen Gleichstrom von der Brennstoffzelle 40 in einen Wechselstrom wandelt und wobei der Leistungskondensator 32 diametral an dem AC-Motor 16 angebracht ist.
  • Nun auf 3 und 4 Bezug nehmend ist eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei die in 1 und 2 gezeigte Motorbaugruppe 33 den Wechselrichter 30 an einem ersten Ende 43 des AC-Motors 16 angebracht aufweist, um sich axial mit dem Motor zu erstrecken, während der Leistungskondensator 32 diametral an dem AC-Motor angebracht ist und mit den Wicklungen des AC-Motors verbunden ist. Wie in 4 zu sehen ist, weist der Motor 16 eine Abtriebswelle 42 auf, die aus einem zweiten Ende 44 des AC-Motors hervorsteht. Die Abtriebswelle 42 ist bezüglich eines Ankers 46 des AC-Motors befestigt, wobei der Anker in einem Stator 48 rotiert. Der Stator 48 ist von einem Gehäuse 50 umgeben, an welchem der Leistungskondensator 32 diametral angebracht ist. In 3 und 4 ist der Leistungskondensator 32 ringförmig mit einer kreisförmigen Innenfläche 52 in welcher der Motor 16 aufgenommen ist. Der Leistungskondensator 32 ist vorzugsweise an der Außenfläche des Gehäuses 50 angebracht, aber er kann so ausgestaltet sein, dass er in dem Gehäuse 50 angeordnet ist.
  • Durch ein Anbringen des Leistungskondensators 32 diametral an dem AC-Motor 16 wird die axiale Länge L der Motorbaugruppe 33 auf die Lange des AC-Motors plus des Wechselrichters 30 begrenzt. Auf diese Weise verbraucht die Motorbaugruppe 33 weniger axialen Platz. Da der axiale Platz eine restriktivere Entwurfsdimension ist, setzt die Verringerung der axialen Ausdehnung der Motorbaugruppe 33 einen beträchtlichen axialen Platz frei, während sie einen minimalen zusätzlichen radialen Platz verbraucht.
  • Nun auf 5 und 6 Bezug nehmend weist die Motorbaugruppe 33' einer zweiten Ausführungsform im Wesentlichen die gleiche Struktur wie die Baugruppe 33 von 1 – 4 auf, wobei gleiche Bezugszeichen ähnliche Strukturen bezeichnen. In 5 und 6 ist der Kondensator 32' kreisbogenförmig statt ringförmig mit einem Spalt 55 zwischen den Enden 56 und 58 des Kondensators 32'. Der Kreisbogen des Kondensators kann 270° anstelle von 360° betragen oder kann eine andere Kreisbogenlänge aufweisen.
  • Nun auf 7 und 8 Bezug nehmend, in denen eine dritte Ausführungsform der Motorbaugruppe 33'' gezeigt ist, ist zu sehen, dass der Kondensator 32'' im Vergleich zu den Kondensatoren 32 und 32' von 1 – 6 axial verlängert ist. Die axiale Ausdehnung des Kondensators 32'' ist im Wesentlichen gleich der in 7 gezeigten definierten axialen Länge des Motors 16, jedoch kann die axiale Ausdehnung in jeder Richtung sogar länger als die axiale Länge des Motors sein. Beispielsweise kann sich die Länge des Kondensators 32' über den Wechselrichter 30 oder über die Abtriebswelle 42 erstrecken. Darüber hinaus kann die axiale Lange des Kondensators 32' größer als diejenige sein, die in 3 und 4 dargestellt ist, aber nicht so lang wie die axiale Lange des Motors 16. Zusätzlich kann der Kondensator 32'' bei der in 7 und 8 gezeigten Ausführungsform kreisbogenförmig sein wie der Kondensator 32', statt ringförmig wie der Kondensator 32, der in 3 und 4 gezeigt ist.
  • Durch ein Anbringen der Kondensatoren 32, 32' und 32'' an dem Motorgehäuse 50, wie in 1 – 8 gezeigt ist, ist es möglich, den verwendeten Kapazitätsbetrag als ein Ergebnis des großen verfügbaren Oberflächenbereichs zu erhöhen. Als ein Ergebnis kann die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Motorbaugruppen 33, 33' und 33'' erhöht werden. Zusätzlich können, da die Spannung an den Kondensatoren 32, 32' und 32'' im Wesentlichen DC ist, die Kondensatoren selbst zum Abschirmen des Motors 16 gegen ungewünschte elektromagnetische Störeinflüsse von anderen Komponenten des Fahrzeugs 10 oder von elektromagnetischen Störeinflüssen von außerhalb des Fahrzeugs dienen.
  • Entwurfsgestaltungen können den Wechselrichter 30 entfernt bzw. abgesetzt von dem Elektromotor 16 anordnen, die Vorteile von diametralen Montageorten für die Kondensatoren 32, 32' und 32'' schaffen jedoch immer noch die Vorteile der verringerten axialen Länge und der elektromagnetischen Abschirmung für Antriebsanordnungen, die Motoren nur mit Kondensatoren in einer integrierten Baugruppe mit dem Motor 16 umfassen.
  • Ein zusätzlicher Entwurfskompromiss, der durch ein Verwenden der diametral angebrachten Kondensatoren 32, 32' und 32'' ermöglicht wird, besteht in einer Vergrößerung des verfügbaren Platzes für eine vergrößerte axiale Lange des Motors 16, was zu einer erhöhten Abtriebsleistung und einem erhöhten Abtriebsdrehmoment führt.
  • Ringförmige und kreisbogenförmige Kondensatorkonfigurationen sind bei SBE, Inc., SB Electronics Division in Barre, Vermont, erhältlich.
  • Zusammengefasst weisen Wechselstrommotoren, die verwendet werden, um Räder von Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeugen anzutreiben, Kondensatoren auf, die an den Motoren diametral angebracht sind, d.h. um den Durchmesser der Motoren herum angebracht sind. Die Kondensatoren können von ringförmiger oder kreisbogenförmiger Gestalt sein. Durch ein derartiges Ausgestalten der Leistungskondensatoren wird der axial beanspruchte Platz neben den Motoren verringert, wodurch eine erweiterte Entwurfsflexibilität für Kraftfahrzeuge geschaffen wird.

Claims (12)

  1. AC-Motorbaugruppe, die umfasst: einen Wechselstromelektromotor mit einem Rotor und einer Antriebswelle zur Rotation um eine Achse, einen Stator, der um den Rotor herum angeordnet ist und einen inneren Umfang und einen äußeren Umfang aufweist, und einen Leistungskondensator, der um den Elektromotor herum angeordnet ist und mit Wicklungen des Motors elektrisch verbunden ist.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse den äußeren Umfang des Stators umgibt und der Leistungskondensator um das Gehäuse herum angeordnet ist.
  3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskondensator ringförmig ist.
  4. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskondensator kreisbogenförmig ist.
  5. Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskondensator eine Kreisbogenlänge von etwa 270° aufweist.
  6. Baugruppe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor eine definierte axiale Länge aufweist und der Leistungskondensator eine axiale Länge aufweist, die zumindest im Wesentlichen so lang wie die Lange des Motors ist.
  7. AC-Motorbaugruppe, die umfasst: einen AC-Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug, wobei der Traktionsmotor einen Rotor mit einer Antriebswelle aufweist, die mit mindestens einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt ist, um das Fahrzeug anzutreiben; einen um den Rotor herum angeordneten Stator, wobei der Stator einen inneren Umfang und einen äußeren Umfang aufweist, und einen Leistungskondensator, der um den äußeren Umfang des Stators herum angeordnet und mit den Wicklungen des Motors elektrisch verbunden ist.
  8. Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse den äußeren Umfang des Stators umgibt und der Leistungskondensator diametral an dem Gehäuse angeordnet ist.
  9. Baugruppe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskondensator ringförmig ist und einen hohlen zentralen Kern definiert, in welchem der AC-Motor angeordnet ist.
  10. Baugruppe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskondensator kreisbogenförmig ist und in zwei Enden endet, die durch einen Spalt getrennt sind.
  11. Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskondensator eine Kreisbogenlänge von etwa 270° aufweist.
  12. Baugruppe nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor eine definierte axiale Länge aufweist und der Leistungskondensator eine axiale Lange aufweist, die zumindest im Wesentlichen so lang wie die des Motors ist.
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