DE102008043367A1 - Hybridantriebseinrichtung - Google Patents
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Abstract
Hybridantriebseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeuges, und eine Elektromaschine (4), insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeuges, mit einer Hohlachse und wenigstens einem an der Hohlachse angeordneten Stator (5) oder mit einer Hohlwelle (8) und wenigstens einem an der Hohlwelle (8) angeordneten Rotor (6), wobei die Hybridantriebseinrichtung wenigstens ein Mittel (9) zum Fördern eines Kühlfluides, insbesondere Luft, durch die Hohlachse oder die Hohlwelle (8) aufweist, um den Stator (5) oder Rotor (6) zu kühlen.
Description
- Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Hybridantriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Kraftfahrzeug und eine Elektromaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 13.
- Stand der Technik
- Hybridantriebseinrichtungen mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Elektromaschine werden beispielsweise eingesetzt, um Kraftfahrzeuge anzutreiben. Die als Motor und Generator fungierenden Elektromaschine in dem Kraftfahrzeug weist eine Achse oder Welle mit einem daran angeordnete Stator oder Rotor auf. Der Stator oder Rotor gibt Abwärme an die Achse- oder Welle aus Metall ab. Besonders bei einem oberen Drehzahlbereich der Hybridantriebseinrichtung treten große Abwärmemengen auf, so dass ein dauerhafter Betrieb der Hybridantriebseinrichtung in diesem Drehzahlbereich nur bei einer ausreichenden Kühlung des auf der Achse oder Welle angeorndneten Stators oder Rotors gewährleistet ist. Es ist bereits bekannt, die Achse oder Welle als Hohlachse oder Hohlwelle auszuführen.
- Die
WO 2005/116449 A1 - Aus der
JP 2006-230154 - Offenbarung der Erfindung
- Vorteile der Erfindung
- Eine erfindungsgemäße Hybridantriebseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfasst eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeuges, und eine Elektromaschine, insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeuges, mit einer Hohlachse und wenigstens einem an der Hohlachse angeordneten Stator oder mit einer Hohlwelle und wenigstens einem an der Hohlwelle angeordneten Rotor, wobei die Hybridantriebseinrichtung wenigstens ein Mittel zum Fördern eines Kühlfluides, insbesondere Luft, durch die Hohlachse oder die Hohlwelle aufweist, um den Stator oder Rotor und die Hohlachse oder die Hohlwelle zu kühlen. In besonders vorteilhafter und einfacher Weise wird damit die Wärme aus einem Innenraum der Hohlwelle oder Hohlachse durch Konvektion, d. h. Massetransport, durch das Kühlfluid, insbesonder Luft, abgeleitet und daduch die Kühlleistung wesentlich verbessert. Die Hybridantriebseinrichtung kann damit über einen längeren Zeitraum mit hohen Drehzahlen sicher und zuverlässig betrieben werden ohne dass die Gefahr von Störungen besteht.
- In einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine Mittel eine Strömungsmaschine. Strömungsmaschinen, z. B. ein Gebläse oder Schaufeln an einem Laufrad, sind in der Herstellung preiswert und im Betrieb zuverlässig.
- In einer Variante weist die Strömungsmaschine wenigstens eine an einem Laufrad angeordnete Schaufel auf.
- Zweckmäßig ist die wenigstens eine Schaufel innerhalb oder außerhalb eines Innenraumes der Hohlachse angeordnet. Bei einer Anordnung der wenigstens einen Schaufel innerhalb des Innenraumes wird kein zusätzlicher Bauraum außerhalb der Hohlwelle benötigt.
- In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Strömungsmaschine von einem, vorzugsweise elektrischen, Antriebsmotor, antreibbar.
- Vorzugsweise ist mit der Hohlwelle die Strömungsmaschine, insbesondere die wenigstens eine Schaufel, zum Fördern des Kühlfluides durch die Hohlwelle verbunden, so dass eine Rotationsbewegung der Hohlwelle eine Rotationsbewegung wenigstens eines Teils der Strömungsmaschine, insbesondere der wenigstens einen Schaufel, bedingt. Ein zusätzliches Laufrad sowie ein Antriebsmotor für die Schaufeln wird somit nicht benötigt, weil die rotierende Hohlwelle als Laufrad für die Schaufeln dient.
- In einer weiteren Ausführungsform ist die wenigstens eine Schaufel als ein Gewinde oder eine Schnecke an der Innenseite der Hohlwelle ausgebildet.
- Insbesondere ist das Gewinde oder die Schnecke einteilig mit einer Hohlwelle ausgebildet ist. Dadurch wird kein zusätzliches Bauteil benötigt.
- In einer ergänzenden Ausgestaltung ist durch die Hohlwelle mittels einer von einem, vorzugsweise elektrischen, Antriebsmotor angetriebenen Strömungsmaschine, insbesondere mit wenigstens einer an einem Laufrad angeordneten Schaufel, das Kühlfluid förderbar. Dadurch wird durch die Hohlwelle die Luft sowohl von den z. B. als Gewinde ausgebildeten Schaufeln an der Innenseite der Hohlwelle als auch von den mittels eines Antriebsmotors angetriebenen Schaufeln durch den Innenraum der Hohlwelle gefördert.
- In einer Variante ist die Hohlachse oder Hohlwelle innenseitig mit Kühlrippen versehen. Damit kann die Wärmeübertragung von der Innenseite der Hohlwelle auf das Kühlfluid, insbesondere Luft, verbessert und damit die Kühlleistung erhöht werden.
- In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Hybridantriebseinrichtung eine Kupplung zum kraftschlüssigen Verbinden und Trennen der Verbrennungskraftmaschine von einer Antriebswelle, insbesondere der Hohlwelle.
- In einer zusätzlichen Ausführungsform fungiert die Elektromaschine als Motor bzw. Elektromotor und als Generator bzw. Dynamomaschine. Die Elektromaschine kann damit sowohl zum Antrieb und Beschleunigen des Kraftfahrzeuges als auch zum Bremsen und Verzögern des Kraftfahrzeuges genutzt werden. Beim Verzögern des Kraftfahrzeuges mittels der Elektromaschine kann die kinetische Energie des Kraftfahrzeuges in elektrische Energie umgewandelt werden und in aufladbaren Batterien in dem Kraftfahrzeug gespeichert werden.
- In einer Variante ist die Hybridantriebseinrichtung dahingehend ausgebildet, dass als Kühlfluid für den Stator oder den Rotor nur ein Gas, insbesondere Luft, und nicht eine Flüssigkeit verwendet werden kann. Beispielsweise umfasst die Hybridantriebseinrichtung somit keine Dichtungen für eine Flüssigkeit als Kühlfluid zur Kühlung des Stators oder des Rotors. Die Hybridantriebseinrichtung ist damit in der Herstellung besonders preiswert.
- Das Kraftfahrzeug umfasst aufladbare Batterien. Die Batterien versorgen die Elektromaschine mit elektrischen Strom und beim Verzögern des Kraftfahrezeuges mittels der Elektromaschine können die Batterien von dem von der Elektromaschine erzeugen elektrischen Strom aufgeladen werden. Außerdem können die Batterien auch während eines Stillstandes des Kraftfahrzeug, beispielsweis von einem öffentlichen Stromnetz, aufgeladen werden. Insbesondere sind die Batterien als Lithiumionenbatterien ausgebildet.
- Erfindungsgemäße Elektromaschine mit einer Hohlwelle und wenigstens einem mit der Hohlwelle kinematisch gekoppelten rotierenden Rotor bzw. wenigstens einen an der Hohlwelle angeordneten Rotor, und wenigstens einem, vorzugsweise konzentrisch, um den Rotor angeordneten feststehenden Stator, wobei die Elektromaschine wenigstens ein Mittel zum Fördern eines Kühlfluides durch die Hohlwelle aufweist. Damit ist auch bei Elektromaschinen mit einem innenseitig angeordneten rotierenden Rotor eine effektive Kühlung des Rotors möglich.
- In einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine Mittel eine Strömungsmaschine, insbesondere wenigstens eine an einem Laufrad angeordnete Schaufel.
- In einer ergänzenden Ausführungsform fungiert die Hohlwelle als Laufrad und insbesondere ist die wenigstens eine Schaufel an einer Innenseite der Hohlwelle ausgebildet.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Im Nachfolgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
-
1 eine stark schematisierte Darstellung einer Hybridantriebseinrichtung, -
2 einen Längsschnitt einer Elektromaschine in einer ersten Ausführungsform, -
3 einen Schnitt A-A einer Hohlwelle der Elektromaschine gemäß2 , -
4 einen Längsschnitt der Elektromaschine in einer zweiten Ausführungsform, -
5 einen Längsschnitt der Elektromaschine in einer dritten Ausführungsform und -
6 eine stark schematisierte Ansicht eines Kraftfahrzeuges. - Ausführungsformen der Erfindung
- In
1 ist eine Hybridantriebseinrichtung1 für ein Kraftfahrzeug2 dargestellt. Die Hybridantriebseinrichtung1 für ein Kraftfahrzeug2 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine3 sowie eine Elektromaschine4 , die als Motor und Generator fungiert, jeweils zum Antreiben oder Verzögern des Kraftfahrzeuges2 . Die Verbrennungskraftmaschine3 und die Elektromaschine4 sind mittels einer Antriebswelle20 miteinander verbunden. Die mechanische Koppelung zwischen der Verbrennungskraftmaschine3 und der Elektromaschine4 kann mittels einer Kupplung19 hergestellt und aufgehoben werden. Ferner ist in der Antriebswelle20 , welche die Verbrennungskraftmaschine3 und die Elektromaschine4 miteinander koppelt, eine Elastizität21 angeordnet. Die Elektromaschine4 ist mit einem Differentialgetriebe23 mechanisch gekoppelt. In der Antriebswelle20 , welche die Elektromaschine4 und das Differentialgetriebe23 miteinander verbindet, ist ein Wandler22 und ein Getriebe28 angeordnet. Mittels des Differentialgetriebes23 werden über die Radachsen24 die Antriebsräder25 angetrieben. -
2 zeigt die Elektromaschine4 für die Hybridantriebseinrichtung1 als Innenpolmaschine in einer ersten Ausführungsform mit einem feststehenden Stator5 und einem rotierenden Rotor6 der Hybridantriebseinrichtung1 in einer stark vereinfachten Darstellung, so dass beispielsweise elektrische Leitungen, die Wicklungen des Stators5 und des Rotors6 , Lager und Fixierungsmittel für den Stator5 nicht dargestellt sind. Eine von einem nicht dargestellten Lager gelagerte Hohlwelle8 mit einem Außendurchmesser von vorzugsweise 180 mm und einem Innendurchmesser von vorzugsweise 120 mm ist an einer Außenseite mit dem Rotor6 versehen. Die Hohlwelle8 besteht aus Metall, z. B. Stahl. Konzentrisch um den Rotor6 ist der Stator5 angeordnet, der mittels nicht dargestellter Fixierungsmittel, z. B. ein Gehäuse, nicht beweglich befestigt ist. Die Hohlwelle8 ist dabei innerhalb der Hybridantriebseinrichtung1 mit der Antriebswelle20 der Hybridantriebseinrichtung1 verbunden bzw. stellt einen Teil der Antriebswelle20 dar. - Bei einem Betrieb der Hybridantriebseinrichtung
1 in einem höheren Drehzahlbereich, beispielsweise im Bereich von 6.000 U/min, treten an dem Rotor6 größere Mengen an Abwärme auf, welche mittels Wärmeleitung zu der Hohlwelle8 übertragen werden. Um die Hybridantriebseinrichtung1 auch über einen längeren Zeitraum, z. B. mehr als 5 min, betreiben zu können ist eine ausreichende Kühlung des Rotors6 und der Hohlwelle8 erforderlich. Hierzu ist die Elektromaschine4 mit einem Mittel9 zum Fördern von Luft als Kühlfluid durch einen Innenraum13 der Hohlwelle8 versehen, das als eine Strömungsmaschine10 ausgebildet ist. Anstelle einer Strömungsmaschine10 könnte auch eine Kolbenmaschine genutzt werden (nicht dargestellt). Die Strömungsmaschine10 umfasst mehrere Schaufeln12 als Teile12 der Strömungsmaschine10 , die innerhalb des Innenraumes13 an einer Innenseite14 der Hohlwelle8 befestigt sind. Die Hohl welle8 stellt damit auch ein Laufrad11 für die Schaufeln12 dar. Aufgrund der rotierenden Schaufeln12 wirken Strömungskräfte zwischen der Luft und den Schaufeln12 , so dass die Luft durch den Innenraum13 der Hohlwelle8 entsprechend der in2 mit Pfeilen dargestellten Strömungsrichtung gefördert wird. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der metallischen Hohlwelle8 bewirkt, dass sich die von dem Rotor6 abgegebene Abwärme gut zu einer Innenseite14 der Hohlwelle8 geleitet wird. Von der Innenseite14 der Hohlwelle8 wird die Wärme auf die Luft als Kühlfluid mittels Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung übertragen. Die auf die Luft übertragene Wärme wird von der strömenden Luft mittels Wärmekonvention aus dem Innenraum13 der Hohlwelle8 heraus in die Umgebung geleitet. Zur Erhöhung der Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung von der Innenseite14 der Hohlwelle8 auf die Luft sind an der Innenseite14 der Hohlwelle8 Kühlrippen17 (3 ) vorhanden, die die Oberfläche der Innenseite14 zu vergrößern. -
4 zeigt die Elektromaschine4 für die Hybridantriebseinrichtung1 in einer zweiten Ausführungsform mit dem Stator5 und dem Rotor6 der Hybridantriebseinrichtung1 in eine stark vereinfachten Darstellung. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform gemäß2 dargestellt. Als Mittel9 zum Fördern der Luft durch den Innenraum13 der Hohlwelle8 werden anstelle der Schaufeln12 ein Gewinde15 oder eine Schnecke16 an der Innenseite14 der Hohlwelle8 verwendet. Das Gewinde15 oder die Schnecke16 fördert die Luft als Kühlfuid durch den Innenraum13 der Hohlwelle8 , um den Rotor6 zu kühlen. Das Gewinde15 bzw. die Schecke16 wirken dabei auch als Kühlrippen17 , so dass dadurch die Kühlleistung zusätzlich erhöht werden kann. Das Gewinde15 oder die Schnecke16 kann beim Urformen oder nachgeordneten Herstellungsschritten, z. B. beim Gießen oder Strangpressen, der Hohlwelle8 einteilig mit der Hohlwelle8 ausgebildet werden oder als zusätzliches Bauteil, z. B. ein Einsatz, in die Hohlwelle8 eingesetzt werden. - In
5 ist die Elektromaschine4 für die Hybridantriebsenrichtung1 als eine Außenpolmaschine in einer dritten Ausführungsform mit einem Stator5 und einem Rotor6 der Hybridantriebseinrichtung1 in eine stark vereinfachten Darstellung abgebildet. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform gemäß2 dargestellt. Anstelle einer rotierenden Hohlwelle7 wird eine feststehende bzw. unbewegliche Hohlachse7 aus Metall, z. B. Stahl, genutzt, auf dessen Außenseite der feststehende Stator5 angeordnet ist. Unter Hohlachse7 werden Teile verstanden, auf denen ein Stator5 befestigt werden kann und die einen Kanal zum Durchleiten des Kühlfuides aufweisen. Ein rotierendes Gehäuse26 ist mittels eines Lagers27 an der feststehenden Hohlachse7 gelagert und mit der Antriebswelle20 der Hybridantriebseinrichtung1 verbunden (nicht dargestellt). Das Gehäuse26 ist mit dem Rotor6 verbunden zur Fixierung des Rotors6 . Zur Kühlung des Stators5 auf der Hohlachse7 sind in dem Innenraum13 der Hohlachse7 auf dem Laufrad11 Schaufeln12 angeordnet. Ein elektrischer Antriebsmotor18 versetzt das Laufrad11 und damit auch die Schaufeln12 in eine Rotationsbewegung, um Luft als Kühlfluid durch die Hohlachse7 zu leiten. Kühlrippen17 an der Innenseite13 der Hohlwelle7 verbessern die Kühlleistung der Luft. Vorzugsweise kann von wenigstens einem nicht dargestellten Temperatursensor die Temperatur an dem Stator und/oder der Hohlachse7 erfasst werden und mittels einer nicht dargestellten Steuerungseinheit wird der Antriebsmotor18 nur eingeschaltet, wenn ein bestimmter vorgegebener Temperaturwert an dem Stator5 und/oder der Hohlachse7 überschritten wird. - Die Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt wird.
- Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Hybridantriebseinrichtung
1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Kühlung des Stators5 oder Rotors6 wird mit einfachen Mittel9 ausgeführt, so dass bei geringen Herstellungskosten der Hybridantriebseinrichtung1 eine effektive Kühlung möglich ist. Die Hybridantriebseinrichtung1 kann damit auch über längere Zeiträume in einem hohen Drehzahlbereich betrieben werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2005/116449 A1 [0003]
- - JP 2006-230154 [0004]
Claims (14)
- Hybridantriebseinrichtung (
1 ), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (2 ), umfassend – eine Verbrennungskraftmaschine (3 ), insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeuges (2 ), und – eine Elektromaschine (4 ), insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeuges (2 ), mit einer Hohlachse (7 ) und wenigstens einem an der Hohlachse (7 ) angeordneten Stator (5 ) oder mit einer Hohlwelle (8 ) und wenigstens einem an der Hohlwelle (8 ) angeordneten Rotor (6 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Hybridantriebseinrichtung (1 ) wenigstens ein Mittel (9 ) zum Fördern eines Kühlfluides, insbesondere Luft, durch die Hohlachse (7 ) oder die Hohlwelle (8 ) aufweist, um den Stator (5 ) oder Rotor (6 ) zu kühlen. - Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Mittel (
9 ) eine Strömungsmaschine (10 ) ist. - Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (
10 ) wenigstens eine an einem Laufrad (11 ) angeordnete Schaufel (12 ) aufweist. - Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaufel (
12 ) innerhalb oder außerhalb eines Innenraumes (13 ) der Hohlachse (7 ) angeordnet ist. - Hybridantriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (
10 ) von einem, vorzugsweise elektrischen, Antriebsmotor (18 ), antreibbar ist. - Hybridantriebseinrichtung nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Hohlwelle (
8 ) die Strömungsmaschine (10 ), insbesondere die wenigstens eine Schaufel (12 ), zum Fördern des Kühlfluides durch die Hohlwelle (8 ) verbunden ist, so dass eine Rotationsbewegung der Hohlwelle (8 ) eine Rotationsbewegung wenigstens eines Teils (12 ) der Strömungsmaschine (10 ), insbesondere der wenigstens einen Schaufel (12 ), bedingt. - Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaufel (
12 ) als ein Gewinde (15 ) oder eine Schnecke (16 ) an der Innenseite (14 ) der Hohlwelle (8 ) ausgebildet ist. - Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde (
15 ) oder die Schnecke (16 ) einteilig mit einer Hohlwelle (8 ) ausgebildet ist. - Hybridantriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Hohlwelle (
8 ) mittels einer von einem, vorzugsweise elektrischen, Antriebsmotor (18 ) angetriebenen Strömungsmaschine (10 ), insbesondere mit wenigstens einer an einem Laufrad (11 ) angeordneten Schaufel (12 ), das Kühlfluid förderbar ist. - Hybridantriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlachse (
7 ) oder Hohlwelle (8 ) innenseitig mit Kühlrippen (17 ) versehen ist. - Hybridantriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hybridantriebseinrichtung (
1 ) eine Kupplung (19 ) zum kraftschlüssigen Verbinden und Trennen der Verbrennungskraftmaschine (3 ) von einer Antriebswelle (20 ), insbesondere der Hohlwelle (8 ), umfasst. - Elektromaschine (
4 ) mit einer Hohlwelle (8 ) und wenigstens einem an der Hohlwelle (8 ) angeordnete rotierenden Rotor (6 ) und wenigstens einem um den Rotor (6 ) angeordneten feststehenden Stator (5 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (5 ) wenigstens ein Mittel (9 ) zum Fördern eines Kühlfluides durch die Hohlwelle (8 ) aufweist. - Elektromaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Mittel (
9 ) eine Strömungsmaschine (10 ), insbesondere wenigstens eine an einem Laufrad (11 ) angeordnete Schaufel (12 ), ist. - Elektromaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (
8 ) als Laufrad (11 ) fungiert und insbesondere die wenigstens eine Schaufel (12 ) an einer Innenseite (14 ) der Hohlwelle (8 ) ausgebildet ist.
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