DE102012219043A1 - Wirbelstrombremse und Kupplungsvorrichtung, insbesondere zum Starten und/oder Zuschalten eines Verbrennungsmotors im Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrombremse, umfassend eine metallische Scheibe, welche in einem, von einer Magnetanordnung ausgebildeten Magnetfeld bewegbar ist. Bei einer Wirbelstrombremse, welche sowohl eine hohe Permeabilität als auch einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, ist die metallische Scheibe aus zwei Materialien gebildet, wobei ein erstes Material eine hohe Permeabilität aufweist, während ein zweites Material einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrombremse, umfassend eine metallische Scheibe, welche in einem, von einer Magnetanordnung ausgebildeten Magnetfeld bewegbar ist sowie eine Kupplungsvorrichtung, insbesondere zum Starten und/oder Zuschalten eines Verbrennungsmotors im Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges.
  • In Hybridfahrzeugen sind zum Antrieb des Hybridfahrzeuges häufig ein Verbrennungsmotor und ein elektrischer Fahrmotor vorgesehen. Das Hybridfahrzeug kann dabei entweder nur durch den Verbrennungsmotor, nur durch den elektrischen Fahrmotor oder durch beide angetrieben werden. Um bei rein elektrischem Fahrbetrieb den Verbrennungsmotor zu starten oder diesen an den Antriebsstrang anzukuppeln, ist eine Kupplungsvorrichtung vorgesehen, welche eine Wirbelstrombremse umfasst. Die Wirbelstrombremse umfasst eine metallische Scheibe, welche in einem instationären Magnetfeld bewegt wird, das von einer Magnetanordnung aufgespannt ist. Bei der Bewegung der metallischen Scheibe in dem Magnetfeld werden in dieser Spannungen und in dessen Folge Wirbelströme induziert, die ihrerseits eigene, dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzte Magnetfelder erzeugen, die die metallische Scheibe abbremsen. Dadurch wird die Momentenkennlinie der Kupplung eingestellt. Das Material der metallischen Scheibe der Wirbelstrombremse hat dabei einen erheblichen Einfluss auf die Momentenkennlinie der Kupplung.
  • Aktuell werden metallische Scheiben eingesetzt, die vollständig aus einem einzigen Material wie beispielsweise Aluminium oder Stahl bestehen. Dabei kann zum einen die magnetische Flussdichte der Wirbelstrombremse durch eine hohe Permeabilität der Scheibe verbessert werden, beispielsweise wenn das Material der metallischen Scheibe aus Stahl besteht. Zum anderen kann durch einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand das Maximum des Bremsmomentes der Wirbelstrombremse zu geringeren Drehzahlen optimiert werden. Durch die Auswahl des Materials für die metallische Scheibe der Wirbelstrombremse wird eine optimale Momentenkennlinie der Kupplung für den gegebenen Anwendungsfall eingestellt. Der Einsatz von Stahl führt die bessere Permeabilität zu einem größeren magnetischen Fluss, wodurch das maximale Bremsmoment der Wirbelstrombremse erhöht wird. Da Stahl jedoch einen großen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, liegt dieses Maximum bei hohen Drehzahlen, welche zum Teil außerhalb des Betriebsbereiches einer, eine Wirbelstrombremse umfassenden Kupplungseinrichtung liegt.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstrombremse anzugeben, bei welcher ein optimaler magnetischer Fluss eingestellt und das Maximum des Bremsmomentes der Wirbelstrombremse zu geringeren Drehzahlen hin optimiert wird.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die metallische Scheibe aus zwei Materialien gebildet ist, wobei ein erstes Material eine hohe Permeabilität aufweist, während ein zweites Material einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist. Durch den gleichzeitigen Einsatz eines ersten Materials mit hoher Permeabilität und eines zweiten Materials mit einem geringen spezifischen Widerstand wird, durch den geringen spezifischen elektrischen Widerstand, das maximale Bremsmoment der Wirbelstrombremse zu geringeren Drehzahlen der Kupplung hin optimiert. Da das erste Material aber eine bessere Permeabilität aufweist, wird gleichzeitig ein größerer magnetischer Fluss eingestellt, wodurch das maximale Bremsmoment der Wirbelstrombremse erhöht wird.
  • Vorteilhafterweise ist die metallische Scheibe aus wenigstens zwei Schichten aufgebaut, wobei die erste Schicht aus dem ersten Material mit der hohen Permeabilität gebildet ist, während die zweite Schicht aus dem zweiten Material mit dem geringen spezifischen elektrischen Widerstand besteht. Durch eine solche Schichtenbildung ist die Herstellung der elektrischen Scheibe einfach zu realisieren, was die Kosten der Wirbelstrombremse reduziert.
  • In einer Ausgestaltung ist die metallische Scheibe sandwichähnlich aufgebaut. Durch einen solchen sandwichähnlichen Aufbau kann die Wirbelstrombremse an die gegebenen Erfordernisse des Anwendungsfalls einfach angepasst werden. Dabei können die Schichten der metallischen Scheibe unterschiedlich dick gewählt werden, um entweder den magnetischen Fluss zu vergrößern oder aber das Maximum des Bremsmomentes der Wirbelstrombremse an die erforderlichen Drehzahlen anzupassen.
  • In einer Variante sind die erste Schicht aus dem ersten Material mit der hohen Permeabilität und die zweite Schicht mit dem zweiten Material mit dem geringen spezifischen elektrischen Widerstand abwechselnd übereinander geschichtet. Durch diese alternierende Ausgestaltung der metallischen Scheibe wird eine Scheibe hergestellt, die bei hoher Permeabilität gleichzeitig einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
  • In einer Ausgestaltung bildet die erste Schicht aus dem ersten Material mit der hohen Permeabilität einen Kern der metallischen Scheibe, auf welche beidseitig je eine zweite Schicht aus dem zweiten Material mit dem geringen spezifischen elektrischen Widerstand angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Berstfestigkeit der metallischen Scheibe verringert wird, da als Materialien für die erste Schicht, bestehend aus dem Material mit hoher Permeabilität, beispielsweise Stahl bzw. ein Elektroblech genutzt werden kann. Dieses Material ist sehr stabil, was sich auf die Festigkeit der gesamten metallischen Scheibe auswirkt. Die Verwendung der beiden zweiten Schichten aus dem Material mit einem geringen spezifischen elektrischen Widerstand ermöglicht die Einstellung des Maximums des Bremsmomentes der Wirbelstrombremse bei sehr geringen Drehzahlen. Dabei kann das Maximum des Bremsmomentes insbesondere durch die Wahl der Dicke der zweiten Schicht aus dem zweiten Material mit dem geringen spezifischen elektrischen Widerstand eingestellt werden. Als Material bietet sich hierbei insbesondere Kupfer an.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung besteht in einer Kupplungsvorrichtung, insbesondere zum Starten und/oder Schalten eines Verbrennungsmotors im Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, mit einer, eine Wirbelstrombremse aufweisenden Betätigungsvorrichtung, insbesondere um den Verbrennungsmotor mittels eines elektrischen Fahrmotors des Hybridfahrzeuges zu starten und/oder zuzuschalten, wobei die Wirbelstrombremse eine metallische Scheibe aufweist, welche in einem, von einer Magnetanordnung ausgebildeten Magnetfeld bewegbar ist. Bei einer Wirbelstrombremse, die gleichzeitig einen großen magnetischen Fluss aufweist und eine Ausbildung ihres maximalen Bremsmomentes zu kleinen Drehzahlen hin erlaubt, ist die metallische Scheibe nach einem der Merkmale dieser Schutzrechtsanmeldung ausgebildet. Eine solche Ausbildung der Kupplungsvorrichtung hat den Vorteil, dass die Momentenkennlinie der Kupplung gezielt über die Eigenschaften der Wirbelstrombremse eingestellt wird.
  • Vorteilhafterweise weist die Magnetanordnung der Wirbelstrombremse mindestens einen Topfmagneten auf. Mit Spulen als Topfmagnete wird die Effizienz der Wirbelstrombremse erhöht, da Topfmagnete eine einfache Führung der Magnetfeldlinien gewährleisten, was zu einer großen magnetischen Flussdichte und zu stärkeren Wirbelströmen in der metallischen Scheibe führen. Mittels eines solchen Topfmagneten, welcher eine Spulenanordnung umfasst, kann durch die Bestromung der Spulenanordnung das Magnetfeld gezielt aufgebaut werden und somit die Anpassung der Momentenkennlinie der Kupplung an einen vorgegebenen Anwendungsfall verbessert werden.
  • In einer Ausgestaltung sind die Kupplungsvorrichtung und die Betätigungseinrichtung in einem Rotor des elektrischen Fahrmotors integriert. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht ein schnelles Zuschalten des Verbrennungsmotors bei Hybridfahrzeugen mit Elektro- und Verbrennungsmotoren. Die Vorteile liegen in der kompakten Bauweise. Ein weiterer Vorteil ist, dass das, durch die Wirbelstrombremse erzeugte Vorsteuermoment ohne Reibwertschwankungen und Verschleiß eingestellt wird. Das Erzeugen des Vorsteuermomentes durch die Wirbelstrombremse ermöglicht ein schnelles Zuschalten des Verbrennungsmotors, wobei die Wirbelstrombremse vollkommen verschleißfrei arbeitet.
  • In einer Variante weist die Betätigungseinrichtung ein Planetengetriebe auf, auf welches die Wirbelstrombremse einwirkt. Durch dieses Planetengetriebe wird das von der Wirbelstrombremse erzeugte Vorsteuermoment verstärkt und somit die Wirkung der Wirbelstrombremse erhöht.
  • Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
  • Es zeigt:
  • 1: einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem parallelen Vollhybridantrieb und einer, an dem Antriebsstrang angeordneten Kupplung
  • 2: eine, in einen Rotor einer elektrischen Maschine integrierte Kupplung mit einer Betätigungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb
  • 3: eine schematische Darstellung der Anordnung der Wirbelstrombremse in einer Kupplung
  • 4: ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Scheibe der Wirbelstrombremse.
  • Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt einen Antriebsstrang 1 eines, ansonsten nicht näher dargestellten Kraftfahrzeuges mit einem parallelen Vollhybridantrieb und einer, in dem Antriebsstrang 1 angeordneten Kupplung 2. Der Antriebsstrang 1 weist einen Verbrennungsmotor 3, ein Zweimassenschwungrad 4, die Kupplung 2, einen elektrischen Fahrmotor 5, ein Getriebe 6 und wenigstens ein antreibbares Rad 7 auf. Die Kupplung 2 ist in dem Antriebsstrang 1 zwischen dem Zweimassenschwungrad 4 und dem elektrischen Fahrmotor 5 angeordnet. Die Kupplung 2 ist in dem Antriebsstrang 1 zwischen dem Zweimassenschwungrad 4 und dem Getriebe 6 positioniert.
  • Die Kupplung 2 weist ein Eingangsteil 8 und ein Ausgangsteil 9 auf. Das Eingangsteil 8 der Kupplung 2 ist mit dem Zweimassenschwungrad 4 verbunden. Das Ausgangsteil 9 der Kupplung 2 führt an den elektrischen Fahrmotor 5. Der elektrische Fahrmotor 5 weist einen Stator 10 und einen Rotor 11 auf. Das Ausgangsteil 9 der Kupplung 2 ist mit dem Rotor 11 des elektrischen Fahrmotors 5 verbunden. Das Ausgangsteil 9 der Kupplung 2 ist weiterhin genau so wie der Rotor 11 des elektrischen Fahrmotors 5 mit dem Getriebe 6 verbunden.
  • 2 zeigt die in dem Rotor 11 des elektrischen Fahrmotors 5 integrierte Kupplung 2 mit einer Betätigungseinrichtung 12 für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb. Die Kupplung 2 ist in Erstreckungsrichtung der Drehachse 13 sowie in radialer Richtung innerhalb des Rotors 11 angeordnet. Die Kupplung 2 weist ein Eingangsteil 8 und das Ausgangsteil 9 auf, wobei das Eingangsteil 8 eine Welle 14, einen Momentenfühler 15 und Kupplungsscheiben 18 aufweist. Das Ausgangsteil 9 der Kupplung 2 weist eine Anpressplatte 16, Zwischendruckplatten 17, eine Druckplatte 19 und ein Nabenteil 20 auf. Die Kupplungsscheiben 18 sind drehfest mit der Welle 14 verbunden. Die Anpressplatte 16, die Zwischendruckplatten 17 und die Druckplatte 19 sind drehfest an dem Nabenteil 20 befestigt. Die Anpressplatte 16, die Zwischendruckplatten 17 und die Druckplatte 19 sind drehfest mit dem Rotor 11 des elektrischen Fahrmotors 5 verbunden. Die Anpressplatte 16 ist in Erstreckungsrichtung der Drehachse 14 begrenzt axial verlagerbar.
  • Zur Betätigung der Kupplung 2 ist die Betätigungseinrichtung 12 vorgesehen. Die Betätigungseinrichtung 12 ist in Erstreckungsrichtung der Drehachse 14 in radialer Richtung innerhalb des Rotors 11 angeordnet. Mit Hilfe der Betätigungseinrichtung 12 ist die Anpressplatte 16 mit einer Betätigungskraft beaufschlagbar, wodurch die Anpressplatte 16 axial verlagerbar ist. Die Betätigungseinrichtung 12 weist ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad 23, Planetenrädern 24, einem Steg 25 und einem Sonnenrad 22 auf. Das Sonnenrad 22 weist eine Außenverzahnung 21 auf und ist mittels einer Wirbelstrombremse 26 bremsbar.
  • Die Wirbelstrombremse 26 ist näher in 3 dargestellt. Die Wirbelstrombremse 26 umfasst sich radial um die Nabe 20 erstreckende Topfmagneten 27, die eine Spulenanordnung aufweisen. Die Topfmagneten erzeugen ein Magnetfeld, in welchem sich eine metallische Scheibe 28 bewegt. Die metallische Scheibe 28 besteht, wie in 4 dargestellt, aus mehreren Schichten. Den Kern der elektrischen Scheibe 28 bildet dabei eine Schicht aus Stahl 29, welche eine hohe Permeabilität aufweist. Beidseitig zu diesem Stahlkern 29 sind Kupferschichten 30 auf den Kern aufgebracht. Diese Kupferschichten 30 besitzen einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand. Um ein Maximum der Bremskraft der Wirbelstrombremse 26 einzustellen, wird je nach Anforderung eine bestimmte Dicke der beiden aus Kupfer bestehenden Schichten 30 gewählt.
  • Durch die beschriebene Kupplung 2 können folgende Betriebszustände eingestellt werden. Bei einem rein elektrischen Betrieb des Kraftfahrzeuges ist die Kupplung 2 geöffnet. Das Planetengetriebe mit dem Sonnenrad 22 läuft mit gleicher Drehzahl. Diese Drehzahl entspricht der Drehzahl des elektrischen Fahrmotors 5. Soll ein mit der Welle 14 verbundener Verbrennungsmotor 3 gestartet werden, wird durch die Wirbelstrombremse 26 auf dem Sonnenrad 22 ein Vorsteuermoment für die Kupplung 2 erzeugt. Dieses Vorsteuermoment ist ein Bremsmoment und wirkt der oben beschriebenen Drehbewegung entgegen. Das Sonnenrad 22 wird mit Hilfe der Wirbelstrombremse 26 relativ zum bisher eingestellten Planetensatz verdreht. Die Kupplungsscheiben 18 werden zwischen der Anpressplatte 16, den Zwischendruckplatten 17 und der Druckplatte 19 eingeklemmt. Es erfolgt eine reibschlüssige Leistungsübertragung zwischen dem Eingangsteil 8 und dem Ausgangsteil 9 der Kupplung 2.
  • Das Vorsteuermoment der Wirbelstrombremse 26 wird durch eine, zwischen dem Sonnenrad 22 und dem Steg 25 gebildete Übersetzung am Planetengetriebe übersetzt, so dass der Verbrennungsmotor 3 mit dem erforderlichen Moment gestartet werden kann. Das Vorsteuermoment kann über eine Stromzufuhr an der Wirbelstrombremse 26 exakt gesteuert und in kürzester Zeit aufgebaut werden. Die Startzeit des Verbrennungsmotors 3 beträgt wenige Millisekunden. Des Weiteren ist die Wirbelstrombremse 26 verschleißfrei und kann über das Magnetfeld der Topfmagneten 27 beliebige Zwischenstufen des geforderten Moments ohne Momentschwankungen und Reibwertabhängigkeiten realisieren.
  • Insbesondere durch den geschichteten Aufbau der elektrischen Scheibe 28 der Wirbelstrombremse 26 lässt sich die Momentenkennlinie der Kupplung 2 genau beeinflussen. Dadurch, dass die Wirbelstrombremse 26 sowohl eine hohe Permeabilität als auch einen geringen spezifischen Widerstand aufweist, lässt sich das gewünschte Bremsmoment der Kupplung 2 zur Betätigung dieser einfach erreichen. Zuverlässig wird ein höheres Bremsmoment bei geringeren Drehzahlen erreicht, wodurch ein Beitrag zur Elektrifizierung des Antriebsstranges bzw. zum Einsatz einer elektrisch betätigbaren Kupplung geleistet wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebsstrang
    2
    Kupplung
    3
    Verbrennungsmotor
    4
    Zweimassenschwungrad
    5
    Elektrischer Fahrmotor
    6
    Getriebe
    7
    Rad
    8
    Eingangsteil der Kupplung
    9
    Ausgangsteil der Kupplung
    10
    Stator
    11
    Rotor
    12
    Betätigungseinrichtung
    13
    Drehachse
    14
    Welle
    15
    Momentenfühler
    16
    Anpressplatte
    17
    Zwischendruckplatten
    18
    Kupplungsscheiben
    19
    Druckplatte
    20
    Nabenteil
    21
    Außenverzahnung des Sonnenrades
    22
    Sonnenrad
    23
    Hohlrad
    24
    Planetenräder
    25
    Steg
    26
    Wirbelstrombremse
    27
    Topfmagnete
    28
    Metallische Scheibe
    29
    Stahlschicht
    30
    Kupferschicht

Claims (9)

  1. Wirbelstrombremse, umfassend eine metallische Scheibe (28), welche in einem, von einer Magnetanordnung (27) ausgebildeten Magnetfeld bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Scheibe (28) aus zwei Materialien gebildet ist, wobei ein erstes Material eine hohe Permeabilität aufweist, während ein zweites Material einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
  2. Wirbelstrombremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Scheibe (28) aus wenigstens zwei Schichten (29, 30) aufgebaut ist, wobei die erste Schicht (29) aus dem ersten Material mit der hohen Permeabilität gebildet ist, während die zweite Schicht (30) aus dem zweiten Material mit dem geringen spezifischen elektrischen Widerstand besteht.
  3. Wirbelstrombremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Scheibe (28) sandwichähnlich aufgebaut ist.
  4. Wirbelstrombremse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (29) aus dem ersten Material mit der hohen Permeabilität und die zweite Schicht (30) mit dem zweiten Material mit einem geringen spezifischen elektrischen Widerstand abwechselnd übereinander geschichtet sind.
  5. Wirbelstrombremse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (29) aus dem ersten Material mit der hohen Permeabilität einen Kern der metallischen Scheibe (28) bildet, auf welchem beidseitig je eine zweite Schicht (30) aus dem zweiten Material mit dem geringen spezifischen elektrischen Widerstand angeordnet sind.
  6. Kupplungsvorrichtung, insbesondere zum Starten und/oder Zuschalten eines Verbrennungsmotors (3) im Antriebsstrang (1) eines Hybridfahrzeuges, mit einer, eine Wirbelstrombremse (26) aufweisenden Betätigungsvorrichtung (12), insbesondere um den Verbrennungsmotors (3) mittels eines elektrischen Fahrmotors (5) des Hybridfahrzeuges zu starten und/oder zuzuschalten, wobei die Wirbelstrombremse (26) eine metallische Scheibe (28) aufweist, welche in einem von einer Magnetanordnung (27) ausgebildeten Magnetfeld bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Scheibe (28) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
  7. Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (27) der Wirbelstrombremse (26) mindestens einen Topfmagneten (27) aufweist.
  8. Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (2) und die Betätigungseinrichtung (12) in einem Rotor (11) des elektrischen Fahrmotors (5) integriert sind.
  9. Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (12) ein Planetengetriebe (21, 22, 23, 24, 25) aufweist, auf welches die Wirbelstrombremse (26) einwirkt.
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