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Stand der Technik
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Lüfter- bzw.
Kühlsysteme
und Anordnungen mit solchen Systemen sind in Fahrzeugen bekannt, insbesondere
in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Bei heutigen Systemen
werden insbesondere mehrstufige elektromagnetische Kupplungen oder
sogenannte Viskose-Kupplungen verbaut. Dabei kann in einem niedrigen
Drehzahlbereich eines Lüfters
des Kühlsystems über ein
permanent mit Schlupf behaftetes System eine nicht unerhebliche Verlustleistung
entstehen. Viskose-Kupplungen können
insbesondere eine freie Drehzahleinstellung des Lüfterantriebs
gewährleisten,
solange eine Verlustleistung nicht über bestimmten Betriebsgrenzen
liegt. Hier können
von den Parametern Lüfterdrehmoment und
Differenzdrehzahl der gekoppelten Drehpartner abhängende Verlustleistungen
von mehreren Kilowatt erzeugt werden. Nachteile bei Viskose-Kupplungen sind insbesondere
in einer Kaltstartphase oder bei einer Abregelung festzustellen.
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Kommen
mehrstufige elektromagnetische Kupplungen zum Einsatz, um einen
Lüfter
zu betreiben, lässt
sich dieser völlig
abregeln. Im zugeschalteten Zustand ist kein dauerhafter Schlupf
vorhanden. Bei Elektromagnetkupplungen kann die Regelung jedoch
nur beschränkt
stattfinden.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Antrieb eines Kühlsystems
für ein
Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, der vorteilhaft
an die in der Praxis relevanten Betriebszustände angepasst werden kann,
insbesondere unter Vermeidung der bislang bei gattungsgemäßen Antriebssystemen
auftretenden Nachteile.
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Diese
Aufgabe wird durch die Ansprüche
1 und 8 gelöst.
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In
den abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung aufgezeigt.
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Die
Erfindung geht zunächst
aus von einer Antriebseinheit für
einen Lüfter
einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, mit einer Reibschaltkupplung,
die schaltbar ist, um den Lüfter über die
Brennkraftmaschine anzutreiben. Der Kern der erfindungsgemäßen Antriebseinheit
liegt darin, dass zum Antrieb des Lüfters außerdem ein Elektromotor vorgesehen
ist, und dass ein Momentenübertragungsweg zwischen
der Reibschaltkupplung und dem Lüfter durch
ein drehbar gelagertes Teil des Elektromotors gebildet ist. Der
Elektromotor weist insbesondere einen Stator und einen Rotor auf,
die relativ zueinander rotierbar sind.
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Mit
der Erfindung lässt
sich eine vorteilhafte Antriebseinheit im Hinblick auf eine verbesserte
Regelung bzw. komfortable Anpassung der Lüfterleistung im niedrigen Leistungsbereich über eine
gewünschte
bzw. einstellbare Lüfterdrehzahl
erreichen. Daneben lassen sich auch höhere bzw. höchste Lüfterleistungen beispielsweise
für ausgewählte Betriebszustände realisieren.
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Die
erfindungsgemäße Antriebseinheit
vereint insbesondere die Vorteile einer Viskose-Kupplung und die
Vorteil einer mehrstufigen Reibschaltkupplung z. B. einer elektromagnetisch
betätigbaren Reibkupplung.
Mit der vorgeschlagenen Antriebseinheit kann eine freie Drehzahleinstellung
realisiert werden, solange die Verlustleistung nicht ihre Betriebsgrenzen überschreitet.
Außerdem
lässt sich
die Antriebswirkung auf das Lüfterrad
völlig
abregeln oder ohne dauerhaften Schlupf zuschalten. Ein direkter
Antrieb von einer Antriebswelle auf das Lüfterrad bzw. eine Lüfterradnabe
ist 1:1 möglich.
Insgesamt ist der erfindungsgemäße Antrieb
insbesondere für Nutzfahrzeuge
vorteilhaft.
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Insbesondere
kann bei Hybridfahrzeugen, welche in der Regel z. B. bis über 400
Volt Bordspannung aufweisen, ein Elektromotor mit einer elektrischen
Leistung von ca. 5 kW ohne Probleme bereitgestellt werden. Mit dem
zu- und abschaltbaren Elektromotor kann ein erster Betriebszustand,
wonach das Lüfterrad
nicht angetrieben wird, realisiert werden und außerdem ein zweiter Betriebszustand
mit einer Regelung bis ca. 5 kW Leistung.
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In
der Praxis können
auftretende Leistungsspitzen im Hinblick auf die Kühlerleistung
bzw. Lüfterleistung
mit einem im Fahrzeug vernünftig
einsetzbaren Elektromotor jedoch nicht sinnvoll abgedeckt werden,
da die hierzu erforderlichen Elektromotorgrößen unwirtschaftlich bzw. die
Montagesituation durch aufwändige
Verkabelung nicht praktikabel sind.
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Daher
können
Leistungsspitzen erfindungsgemäß durch
eine einfache Reibschaltkupplung, insbesondere beispielsweise eine
elektromagnetische Schaltkupplung, abgedeckt werden.
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Die
Erfindung trägt
damit insbesondere dem Umstand Rechnung, dass in der Praxis bei
Kühlsystemen
beispielsweise für
Nutzfahrzeuge in der Regel 80% der Nutzungszeit eine Kühlung des
Kühlsystems
durch den Fahrtwind erfolgt. Bei ca. 18% der Betriebszeit wird die
Lüfterleistung
von maximal ca. 5 kW benötigt.
Lediglich in 2% der Betriebszeit wird eine höhere bis höchste Lüfterleistung benötigt. Mit der
erfindungsgemäßen Antriebseinheit
können
diese Betriebszustände
vorteilhaft abgedeckt werden. Vorteilhaft ist außerdem, dass auch bei einem
Stillstand des Verbrennungsmotors eine Kühlleistung von maximal 5 kW über den
Elektromotor möglich
ist.
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Es
ist außerdem
vorteilhaft, dass die Reibschaltkupplung ausgebildet ist, einen
direkten Antrieb des Lüfters
durch die Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
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Die
Reibschaltkupplung kann vorteilhaft als elektromagnetisch betätigbare
Reibflächenkupplung ausgebildet
sein, z. B. als Reibscheibenkupplung. So kann kraft- bzw. reibschlüssig eine
schlupffreie Verbindung einer motorseitigen Antriebswelle und einer lüfterseitigen
Lüfterwelle
ermöglicht
werden.
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Es
ist überdies
vorteilhaft, dass eine drehnachgiebige Kupplung zum Antrieb des
Lüfters durch
die Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Über die drehnachgiebige Kupplung
kann der Lüfter
beispielsweise in einer zur Drehzahl der Brennkraftmaschine geringeren
Drehzahl angetrieben werden. Grundsätzlich ist es damit möglich, zusätzlich oder alternativ
zum direkten Antrieb einen schlupfbehafteten Antrieb des Lüfterrads
vorzusehen. Über
die drehnachgiebige Kupplung kann eine drehmomentabhängige Überlastsicherung
realisiert werden, was in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft sein kann.
Als drehnachgiebige Kupplung kommt beispielsweise eine Wirbelstromkupplung
in Frage.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass die Reibschaltkupplung und der Elektromotor
im eingebauten Zustand in radialer Richtung sich nicht oder nur
unwesentlich über
einen Durchmesser einer Lüfterradnabe
des Lüfters
erstrecken. Damit kann eine besonders kompakte Bauweise der Antriebseinheit
realisiert werden. Insbesondere kann ein ohnehin notwendiger Bau-
bzw. Montageraum in radialer Richtung, insbesondere zu einer Achse,
um welche der Lüfter
bzw. ein Lüfterrad
im Betrieb rotieren kann, genutzt werden, was eine Integration bzw.
Nachrüstung der
erfindungsgemäßen Antriebseinheit
für bestehende
Baugruppen einfach ermöglicht.
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Es
ist auch vorteilhaft, dass der Elektromotor ein Gehäuse aufweist,
an welchem der Lüfter
angebracht ist. So kann eine besonders stabile und platzsparende
Anordnung realisiert werden. Insbesondere sind keine zwischenliegenden
Verbindungsteile zwischen Elektromotor und Lüfter notwendig. Der Lüfter selbst
kann zudem wie in bisherigen Systemen ausgebildet sein.
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In
einer besonders vorteilhaften Modifikation des Erfindungsgegenstandes
sind die Reibschaltkupplung und der Elektromotor zu einer Baueinheit zusammengefasst.
Dies erleichtert die Montage bzw. Demontage der Antriebseinheit.
Außerdem
kann damit der gesamte Antrieb mit der Antriebseinheit kompakt gestaltet
sein. Außerdem
können
die Teile der Reibschaltkupplung und des Elektromotors gegebenenfalls
in einem gemeinsamen Gehäuse
geschützt untergebracht
sein.
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Vorteilhafterweise
ist die Reibschaltkupplung und der Elektromotor zu einer Einheit
verbunden, was im Hinblick auf eine optimale Platzausnutzung vorteilhaft
ist.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
eine Anordnung zur Kühlung
einer Brennkraftmaschine mit einem Kühler zur Kühlung der Brennkraftmaschine
und einem mit dem Kühler
zusammenwirkenden Lüfter, wobei
eine Antriebseinheit für
den Lüfter
gemäß der oben
erläuterten
Varianten vorhanden ist. Damit kann die Kühlungsanordnung für die Brennkraftmaschine gemäß der oben
genannten Vorteile ausgebildet sein.
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Bevorzugt
umfasst die Antriebseinheit eine Reibschaltkupplung und einen Elektromotor,
welche zu einer Baueinheit zusammengefasst sind, wobei die Baueinheit
mit dem Kühler
verbunden ist. Der Lüfter
erzeugt dabei einen Luftstrom, der an Flächen des Kühlers vorbeigeführt wird,
um eine Wärmeübertragung
von Bereichen des Kühlers
an die umströmende
Luft effektiv zu erhalten.
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Es
ist überdies
vorteilhaft, dass die Antriebseinheit eine Reibschaltkupplung und
einen Elektromotor umfasst, welche getrennt ausgebildet sind. Damit
kann ein Montage und Demontage bzw. eine Ausnutzung eines vorhandenen
Bauraumes vorteilhaft erfolgen.
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Außerdem wird
vorgeschlagen, dass die Reibschaltkupplung an der Brennkraftmaschine
angeordnet ist. Dies kann je nach Anwendungsfall bzw. vorliegendem
Einbauverhältnis
vorteilhaft sein.
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Schließlich ist
es auch vorteilhaft, dass der Elektromotor an dem Kühler angebracht
ist, insbesondere die gesamte Antriebseinheit aus Schaltkupplung
und Elektromotor. Dies kann im Hinblick auf eine kompakte Bauform
der Antriebseinheit bzw. montagebedingt vorteilhaft sein.
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Figurenbeschreibung:
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand von drei stark
schematisiert dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
näher erläutert.
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Im
Einzelnen zeigt:
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1 eine
schematisierte erfindungsgemäße Antriebseinheit,
die kühlerseitig
angebracht ist,
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2 eine
alternative erfindungsgemäße Antriebseinheit,
die motorseitig angeordnet ist und
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3 eine
dritte erfindungsgemäße Ausführungsvariante
einer Antriebseinheit, wobei ein Elektromotor am Kühler und
eine Reibschaltkupplung an dem Motor angeordnet ist.
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1 zeigt
stark schematisiert bzw. unter Weglassung von Bauteilen eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 im
eingebauten Zustand z. B. in einem Fahrzeug mit Brennkraftmaschine
bzw. mit einem Verbrennungsmotor 3, beispielsweise einem Dieselmotor,
wobei der Verbrennungsmotor 3 nur angedeutet dargestellt
ist. Unter der Antriebseinheit 1 ist der Teil des Antriebs
für ein
Lüfterrad 2 zu
verstehen, wobei die Antriebseinheit 1 den Verbrennungsmotor 3 selbst
nicht mitumfasst.
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Über einen
Flansch 4a einer nur abschnittsweise gezeigten Antriebswelle 4 des
Verbrennungsmotors 3 erfolgt die Verbindung der Antriebswelle 4 zur
Antriebseinheit 1.
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Das
nur teilweise bzw. in einem Nabenbereich dargestellte Lüfterrad 2 ist
an einer zentrischen Lüfterradnabe 2a aufgenommen,
welche drehfest mit einer Lüfterwelle 5 verbunden
ist, über
welche das Lüfterrad 2 drehantreibbar
ist. Die Lüfterwelle 5 ist über ihre
wesentliche Längserstreckung
als Teil eines Elektromotors 6 ausgebildet und bildet einen
Rotor 8 des Elektromotors 6. Der Rotor 8 ist
von einem Stator 7 des Elektromotors 6 umgeben.
Der Stator 7 ist positionsfest an einem Kühlerabschnitt 9 befestigt bzw. über den
Kühlerabschnitt 9 an
einem nicht dargestellten Fahrzeugrahmen. Die Lagerung des Stators 7 gegenüber dem
rotierenden Rotor 8 erfolgt über Lager 10 und 11,
beispielsweise Wälzkörperlager.
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Zwischen
einem mit dem Flansch 4a drehfest verbundenen Antriebsflansch 17 und
dem Elektromotor 6, auf dessen zum Verbrennungsmotor 3 gerichteten
Seite, ist eine Reibschaltkupplung 12 vorgesehen. Die Reibschaltkupplung 12 ist
als elektromagnetisch betätigbare
Reibscheibenkupplung ausgebildet. Hierzu ist eine Elektromagnetanordnung 13 mit
positionsfestem Elektromagnet 14 vorgesehen, wobei durch
Bestromung der Elektromagnetanordnung 13 der Elektromagnet 14 Magnetkräfte erzeugt, wodurch
eine axial zur Lüfterwelle 5 rückstellbar
bewegbare Ankerscheibe 15 an einen Reibringabschnitt 16 angezogen
wird. So kann für
eine maximale Kühlleistung
bei Leistungsspitzen des Kühlers
und dadurch bedingt auch des Lüfters 2 eine
Kupplungsverbindung eingerichtet werden, wobei über den Reibringabschnitt 16 eine
direkte Drehzahlübertragung von
der Antriebswelle 4 auf die Lüfterwelle 5 und damit
den Lüfter 2 stattfindet.
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Der
Antriebsflansch 17 ist am axialen Ende der Lüfterwelle 5,
welches zum Verbrennungsmotor 3 gerichtet ist, über ein
Lager 18 drehbar auf der der Lüfterwelle 5 gelagert.
Bei Nichtbestromung der Elektromagnetanordnung 13 wird
die Ankerscheibe 15 durch rückstellende Federmittel, z.
B. über
einen Federring 19, vom Reibringabschnitt 16 getrennt,
womit keine Antriebsverbindung zwischen der Antriebswelle 4 und
der Lüfterwelle 5 erfolgt.
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In
diesem Zustand kann jedoch die Antriebseinheit 1 über den
Elektromotor 6 den Lüfter
antreiben, wenn eine vergleichsweise niedrige Kühlleistung für den nicht
dargestellten Kühler
benötigt
wird. Über
den regelbaren Elektromotor 6 kann der Lüfter 2 stufenlos
beispielsweise bis ca. 5 kW Leistung betrieben werden. Ohne Strombeaufschlagung
des Elektromotors 6 und der Elektromagnetanordnung 13 steht
das Lüfterrad
still bzw. erfährt
keine motorische Antriebswirkung.
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Vorteilhafterweise
kann die Antriebseinheit 1 mit dem Elektromotor 6 und
der Reibschaltkupplung 12 in radialer Richtung zur Drehachse
S der Lüfterwelle 5 sich über einen
Bereich a erstrecken, der sich fast vollständig im Durchmesserbereich
der Lüfterradnabe 2a gemäß 1 befindet.
Gemäß der Ausführungsbeispiele
aus 2 und 3 kann eine erfindungsgemäße Antriebseinheit
auch vollständig
innerhalb der radialen Erstreckung einer Lüfterradnabe liegen.
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Außerdem ist
es von Vorteil, dass die Antriebseinheit 1, zum Beispiel
mit dem Antriebsflansch 17 an dem Kühlerabschnitt 9 fest
anordenbar ist. Damit werden Vibrationen bzw. Schwingungen, die
im Betrieb des Verbrennungsmotors 3 auftreten, nicht auf
das Lüfterrad 2 übertragen.
Damit kann ein zum Lüfterrad 2 radial
außen
vorhandener umfänglich verlaufender
Spalt (nicht dargestellt) zu angrenzenden Abschnitten, beispielsweise
einem Luftleitring am Kühler,
minimal gegebenenfalls im Millimeterbereich gewählt werden. Damit können vorteilhafterweise
störende
Luftwirbelausbildungen am radialen äußeren Rand des Lüfterrads 2 vermieden
bzw. minimiert werden. Bei einer Anbringung einer Antriebseinheit
am Verbrennungsmotor 3 wäre dieser Spalt nachteilig
deutlich größer zu wählen, um
eine Berührung
des Lüfterrades
mit Luftleitringmitteln zu verhindern. Dies wirkt sich negativ auf
die Strömungsausbildung
durch das Lüfterrad
aus.
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Eine
alternative erfindungsgemäße Anordnung
mit einer Antriebseinheit 20 zeigt 2. Diese dient
ebenfalls zum Antrieb eines Lüfterrads 21 an
einer Lüfterradnabe 21a.
Außerdem
ist zum Antrieb des Lüfterrads 21 ein
Verbrennungsmotor 22 vorhanden. Räumlich zwischen dem Verbrennungsmotor 22 und
dem Lüfterrad 21 ist
ein Elektromotor 23 der Antriebseinheit 20 für einen
stufenlos regelbaren Antriebsbetrieb des Lüfterrades 21 vorhanden.
Der Elektromotor 23 umfasst einen mit der Lüfterradnabe 21a fest
verbundenen Rotor 24, welcher über Lager 25 und 26 gegenüber einem
positionsfest am Verbrennungsmotor 22 angeordneten Stator 27 gelagert ist.
Der zylindrische Stator 27 weist daher an seinem lüfterseitigen
Ende einen Spalt zur Lüfterradnabe 21a auf.
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Des
Weiteren ist eine Reibschaltkupplung 28 zwischen dem Verbrennungsmotor 22 und
dem Elektromotor 23 vorhanden. Die Reibschaltkupplung 28 umfasst
eine Elektromagnetanordnung 29 mit einem Elektromagneten 30, über welchen
bei Bestromung des Elektromagneten 30 eine axial versetzbare
Ankerscheibe 31, welche über in axialer Richtung zum Stator 27 versetzbare
Federmittel, beispielsweise einen Federring 32, reib- bzw.
kraftschlüssig
mit einem Abschnitt 33a einer Riemenscheibe 33 verbindbar ist.
Die Riemenscheibe 33 ist über ein Wälzlager 34 auf dem
Stator 27 drehbar gelagert und über nicht dargestellte Riemen
vom Verbrennungsmotor 22 drehantreibbar. Hierzu ist ein
Riemenauflageabschnitt 33b umfänglich außen an der Riemenscheibe 33 vorhanden.
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Beim
Betrieb des Elektromotors 23 wird durch Drehung des Rotors 24 mit
diesem die Lüfterradnabe 21a und
damit das Lüfterrad 21 geregelt
stufenlos in Drehung versetzt.
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Bei
Nichtbestromung des Elektromotors 23 und der Elektromagnetanordnung 29 erfolgt
kein Drehantrieb des Lüfterrads 21.
Ist nur die Elektromagnetanordnung 29 bestromt, bei nicht
betriebenem Elektromotor 23, wird über die geschaltete Reibschaltkupplung 28 über die
Riemenscheibe 33 und die eingekuppelte Reibschaltkupplung 28 der
außen laufende
Rotor 24 und somit auch das Lüfterrad 21 direkt
angetrieben.
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In
der gemäß 2 gezeigten
Anordnung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 20 ist
der Elektromotor 23 und die Reibschaltkupplung 28 als Baueinheit
ausgebildet, welche zwischen dem Lüfterrad 21 und dem
Verbrennungsmotor 22 positioniert ist.
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Eine
weitere Anordnung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit 34 deutet 3 an.
Demgemäß ist die
Antriebseinheit 34 in zwei Einheiten unterteilt. Eine erste
Einheit wird durch den Elektromotor 35 gebildet, welcher
mit seinem Stator 36 an einem Kühlerabschnitt 38 fest
verbunden aufgenommen ist. Der Stator 36 ist über Lager 39 und 40 auf dem
gemeinsam mit einer Lüfterradnabe 41a rotierenden
Rotor 37 gelagert. An der Lüfterradnabe 41a ist
ein Lüfterrad 41 fixiert.
Der Rotor 37 bildet ein Teil einer Lüfterradwelle 42. Die
Lüfterradwelle 42,
welche in 3 unterbrochen dargestellt ist,
ist drehfest mit einer Antriebswelle (nicht gezeigt) eines Verbrennungsmotors 43 über eine
Reibschaltkupplung 44 verbindbar bzw. über die Reibschaltkupplung 44 von einer
Antriebswirkung einer Antriebswelle trennbar. Die Reibschaltkupplung 44 ist
nur stark schematisiert bzw. in Kastenform dargestellt. Die Reibschaltkupplung 44 kann
insbesondere in Form einer Elektromagnetkupplung, die schaltbar
ist, ausgebildet sein.
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Lüfterrad
- 2a
- Lüfterradnabe
- 3
- Verbrennungsmotor
- 4
- Antriebswelle
- 4a
- Flansch
- 5
- Lüfterwelle
- 6
- Elektromotor
- 7
- Stator
- 8
- Rotor
- 9
- Kühlerabschnitt
- 10
- Lager
- 11
- Lager
- 12
- Reibschaltkupplung
- 13
- Elektromagnetanordnung
- 14
- Elektromagnet
- 15
- Ankerscheibe
- 16
- Reibringabschnitt
- 17
- Antriebsflansch
- 18
- Lager
- 19
- Federring
- 20
- Antriebseinheit
- 21
- Lüfterrad
- 22
- Verbrennungsmotor
- 23
- Elektromotor
- 24
- Rotor
- 25
- Lager
- 26
- Lager
- 27
- Stator
- 28
- Reibschaltkupplung
- 29
- Elektromagnetanordnung
- 30
- Elektromagnet
- 31
- Ankerscheibe
- 32
- Federring
- 33
- Riemenscheibe
- 33a
- Abschnitt
- 33b
- Riemenauflageabschnitt
- 34
- Antriebseinheit
- 35
- Elektromotor
- 36
- Stator
- 37
- Rotor
- 38
- Kühlerabschnitt
- 39
- Lager
- 40
- Lager
- 41
- Lüfterrad
- 41a
- Lüfterradnabe
- 42
- Lüfterradwelle
- 43
- Verbrennungsmotor
- 44
- Reibschaltkupplung