DE102013102194A1

DE102013102194A1 - Antriebseinrichtung für ein sich in einem Fluid bewegendes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013102194A1
Application number: DE102013102194.8A
Authority: DE
Inventors: Joachim Geiger; Werner Eck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Eine Antriebseinrichtung (3) für ein sich in einem Fluid bewegendes Fahrzeug (1) weist eine Strömungsmaschine (2) auf, die auf einer um eine Rotationsachse (7) rotierbaren Antriebswelle (4) angeordnet ist. Die Antriebswelle (4) ist in einer Tragstruktur (6) der Antriebseinrichtung (3) in Lagern (5) gelagert. Die Tragstruktur (6) trägt in in Axialrichtung gesehen entgegengesetzten Endbereichen (8, 8') jeweils einen Stator (9, 9') einer jeweiligen elektrischen Maschine (10, 10'). Die Statoren (9, 9') wirken jeweils mit einem um die Rotationsachse (7) rotierbaren Rotor (11, 11') der jeweiligen elektrischen Maschine (10, 10') zusammen. Die Rotoren (11, 11') wirken ihrerseits auf die Antriebswelle (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein sich in einem Fluid bewegendes Fahrzeug,

– wobei die Antriebseinrichtung eine Strömungsmaschine aufweist, die auf einer um eine Rotationsachse rotierbaren Antriebswelle angeordnet ist,
– wobei die Antriebswelle in einer Tragstruktur der Antriebseinrichtung in Lagern gelagert ist.

Eine derartige Antriebseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 20 2008 012 191 U1 bekannt. Bei dieser Antriebseinrichtung trägt die Tragstruktur in einem in Richtung der Rotationsachse gesehen Endbereich einen Stator einer elektrischen Maschine. Der Stator wirkt mit einem um die Rotationsachse rotierbaren Rotor der elektrischen Maschine zusammen. Der Rotor wirkt seinerseits auf die Antriebswelle.
Aus der DE 20 2010 012 132 U1 ist eine Antriebseinrichtung für ein Landfahrzeug bekannt, bei dem die Antriebswelle in einer Tragstruktur in Lagern gelagert ist. Die Tragstruktur trägt die Statoren von zwei elektrischen Maschinen. Die Statoren wirken jeweils mit einem Rotor der jeweiligen elektrischen Maschine zusammen. Die Rotoren sind auf Rotorwellen drehfest angeordnet. Die Rotorwellen sind voneinander und von der Antriebswelle verschiedene Wellen. Die Rotoren wirken über ein Getriebe auf die Antriebswelle.
Aus der DE 20 2012 001 750 U1 ist ein Fluggerät bekannt, dass eine Vielzahl von Antriebseinrichtungen aufweist. Die jeweilige Antriebseinrichtung weist eine Strömungsmaschine auf, die auf einer um eine jeweilige Rotationsachse rotierbaren Antriebswelle angeordnet ist. Die Antriebswelle ist in einer Tragstruktur der jeweiligen Antriebseinrichtung in Lagern gelagert. Die Tragstruktur trägt einen Stator einer elektrischen Maschine. Der Stator wirkt mit einem Rotor der elektrischen Maschine zusammen. Der Rotor wirkt seinerseits auf die Antriebswelle.
Bei elektrischen Antrieben für Fluganwendungen oder allgemein für ultraleichte oder sicherheitskritische, mobile Anwendungen besteht zunehmend die Notwendigkeit, die Antriebseinheit hochverfügbar, hocheffizient und multifunktional zu gestalten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antriebseinrichtung für ein sich in einem Fluid bewegendes Fahrzeug zu schaffen, die diesen Bedarf deckt.
Die Aufgabe wird durch eine Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 12.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch auszugestalten,

– dass die Tragstruktur in in Richtung der Rotationsachse gesehen entgegengesetzten Endbereichen jeweils einen Stator einer elektrischen Maschine trägt,
– dass die Statoren jeweils mit einem um die Rotationsachse rotierbaren Rotor der jeweiligen elektrischen Maschine zusammenwirken und
– dass die Rotoren auf die Antriebswelle wirken.

Durch die Anordnung der Statoren Rücken an Rücken ist die Antriebseinrichtung in ihrer Gesamtheit besonders kompakt und leicht. Aufgrund der Rotierbarkeit der Rotoren um die Rotationsachse – d. h. um die Rotationsachse der Antriebswelle – sind Getriebe jeglicher Art nicht erforderlich. Zum einen entfällt daher ein potentieller Störfaktor, zum anderen wird Gewicht eingespart. Weiterhin sind – über die beiden Lager, die zum Lagern der Antriebswelle benötigt werden, hinaus – keine zusätzlichen Lager erforderlich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung ist vorgesehen, dass die Rotoren die Statoren, bezogen auf die Rotationsachse, radial außen umgeben. Insbesondere können die Rotoren jeweils auf einer Rotorglocke angeordnet sein, die sich, bezogen auf die Rotationsachse, nach radial innen auf die Antriebswelle zu erstreckt.
Es ist möglich, dass die elektrischen Maschinen unterschiedlich ausgebildet und/oder dimensioniert sind. Vorzugsweise jedoch sind die elektrischen Maschinen gleich ausgebildet und dimensioniert.
Vorzugsweise sind die Lager in Richtung der Rotationsachse gesehen an den Enden der Tragstruktur angeordnet. Denn je weiter die Lager in Richtung der Rotationsachse gesehen voneinander entfernt sind, desto stabiler ist die Lagerung.
Vorzugsweise ragt die Tragstruktur in einem Bereich, der in Richtung der Rotationsachse gesehen zwischen den Endbereichen liegt, radial zur Rotationsachse gesehen über die Statoren und die Rotoren hinaus. Diese Ausgestaltung erleichtert die Befestigung der Tragstruktur an einem Rumpf des Fahrzeugs.
In der Regel ist die Strömungsmaschine als Luftschraube (Propeller oder Helikopterrotor) ausgebildet. In diesen Fällen ist das Fahrzeug als Fluggerät (beispielsweise als Flugzeug oder als Helikopter) ausgebildet. In Einzelfällen kann die Strömungsmaschine jedoch als Wasserschraube ausgebildet sein. In diesem Fall ist das Fahrzeug als Wasserfahrzeug ausgebildet, sei es als Überwasserfahrzeug oder als Unterwasserfahrzeug.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Antriebseinrichtung ist vorgesehen, dass die Rotoren über je einen Freilauf auf die Antriebswelle wirken. Dadurch ist es möglich, im Teillastbetrieb nur eine der beiden elektrischen Maschinen zu betreiben, ohne die andere elektrische Maschine im Leerlauf mitschleppen zu müssen. Dadurch kann der Wirkungsgrad optimiert werden. Weiterhin kann dadurch ein vollständig unabhängiger Betrieb der elektrischen Maschinen voneinander erreicht werden (homogene Teilredundanz).
Die elektrischen Maschinen werden üblicherweise über eine jeweilige Umrichtereinheit mit elektrischer Energie versorgt. Vorzugsweise werden die Umrichtereinheiten von einer den Umrichtereinheiten gemeinsamen Steuereinrichtung gesteuert.
Die Steuerung der Umrichtereinheiten durch die Steuereinrichtung kann nach Bedarf sein. Vorzugsweise ist – unter anderem – vorgesehen, dass die Steuereinrichtung bei der Bestimmung der Ansteuerung der Umrichtereinheiten Betriebsparameter der elektrischen Maschinen und/oder der Umrichtereinheiten berücksichtigt.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Berücksichtigung der Betriebsparameter bei der Bestimmung der Ansteuerung der Umrichtereinheiten ist es möglich, dass die Steuereinrichtung für die elektrischen Maschinen und/oder für die Umrichtereinheiten in Abhängigkeit zumindest von deren Betriebszeiten eine jeweilige akkumulierte Gesamtbelastung ermittelt und dass die Steuereinrichtung bei der Bestimmung der Ansteuerung der Umrichtereinheiten die akkumulierten Gesamtbelastungen berücksichtigt.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von einer Solllastanforderung und/oder einer Funktionsfähigkeit zumindest der elektrischen Maschinen und der jeweiligen Umrichtereinheiten entscheidet, ob sie nur eine der elektrischen Maschinen oder beide elektrische Maschinen betreibt. Ganz besonders von Vorteil ist diese Vorgehensweise, in dem Fall, dass die Rotoren über Freiläufe auf die Antriebswelle wirken.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in schematischer Prinzipdarstellung:
1 ein sich in einem Fluid bewegendes Fahrzeug,
2 eine Antriebseinrichtung für das Fahrzeug von 1 und
3 ein steuerungstechnisches Blockschaltbild der Antriebseinrichtung von 2.
Gemäß 1 bewegt sich ein Fahrzeug 1 in einem Fluid, gemäß 1 in Luft. Alternativ könnte sich das Fahrzeug 1 – bei entsprechend anderer Ausgestaltung – in Wasser bewegen. Das Fahrzeug 1 wirkt mittels einer Strömungsmaschine 2 auf das Fluid. Die Strömungsmaschine 2 ist aufgrund des Umstands, dass das Fahrzeug 1 vorliegend ein Flugzeug ist, als übliche Luftschraube (Flugzeugpropeller) ausgebildet. Alternativ könnte die Luftschraube bei Verwendung in einem Helikopter als dessen Hauptrotor oder als dessen Ausgleichsrotor ausgebildet sein. Bei Verwendung in einem Wasserfahrzeug kann die Strömungsmaschine 2 als Wasserschraube (Schiffspropeller) ausgebildet sein. Die Strömungsmaschine 2 ist Bestandteil einer Antriebseinrichtung 3 des Fahrzeugs 1. Der Aufbau der Antriebseinrichtung 3 wird nachstehend in Verbindung mit 2 näher erläutert.
Die Strömungsmaschine 2 ist gemäß 2 auf einer Antriebswelle 4 drehfest angeordnet. Die Antriebswelle 4 ist in Lagern 5 gelagert. Die Lager 5 ihrerseits sind wiederum in einer Tragstruktur 6 der Antriebseinrichtung 3 angeordnet. Aufgrund der Lagerung der Antriebswelle 4 in den Lagern 5 ist die Antriebswelle 4 um eine Rotationsachse 7 rotierbar. Die Lager 5 sind gemäß 2 in Richtung der Rotationsachse 7 gesehen an den Enden der Tragstruktur 6 angeordnet.
Soweit nachfolgend die Begriffe „axial”, „radial” und „tangential” verwendet werden, sind sie stets auf die Rotationsachse 7 bezogen. „Axial” ist eine Richtung parallel zur Rotationsachse 7. „Radial” ist eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse 7 auf die Rotationsachse 7 zu oder von ihr weg. „Tangential” ist eine Richtung, die sowohl zur Axialrichtung als auch zur Radialrichtung orthogonal ist. Tangential ist also eine Richtung, die in konstantem Radialabstand und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Rotationsachse 7 herum gerichtet ist.
Die Tragstruktur 6 kann vom Ansatz her so ausgebildet sein, wie dies in der eingangs erwähnten DE 20 2008 012 191 U1 erläutert ist. Insbesondere kann sie aus einer GFK-Gitterstruktur (GFK = glasfaserverstärkter Kunststoff) bestehen. Die Tragstruktur 6 trägt in in Axialrichtung entgegengesetzten Endbereichen 8, 8' jeweils einen Stator 9, 9' einer jeweiligen elektrischen Maschine 10, 10'. Die Statoren 9, 9' wirken jeweils mit einem Rotor 11, 11' der jeweiligen elektrischen Maschine 10, 10' zusammen. Die Rotoren 11, 11' ihrerseits wirken auf die Antriebswelle 4.
Es ist möglich, dass die Rotoren 11, 11' mit der Antriebswelle 4 drehfest verbunden sind. In diesem Fall rotieren die Rotoren 11, 11' und die Antriebswelle 4 stets mit derselben Drehzahl. Auch ist eine Drehrichtungsumkehr möglich. Vorzugsweise aber wirken die Rotoren 11, 11' über je einen Freilauf 12, 12' auf die Antriebswelle 4.
Die elektrischen Maschinen 10, 10' sind vorzugsweise als Außenläufermaschinen ausgebildet. Die Rotoren 11, 11' umgeben daher die Statoren 9, 9' vorzugsweise radial außen. Insbesondere können die Rotoren 11, 11' jeweils auf einer Rotorglocke 13, 13' angeordnet sein, die sich nach radial innen auf die Antriebswelle 4 zu erstreckt.
Die elektrischen Maschinen 10, 10' sind vorzugsweise gleich ausgebildet und dimensioniert. Sie weisen also beispielsweise beide dieselben Abmessungen, dieselbe Polzahl, gleichartige Statorwicklungen usw. auf. Dies ist jedoch nicht zwingend.
Die Tragstruktur 6 weist in einem Bereich, der in-Axialrichtung zwischen den Endbereichen 8, 8' liegt, einen Radialflansch 14 auf. Der Radialflansch 14 ragt in Radialrichtung über die Statoren 9, 9' und die Rotoren 11, 11' hinaus. Mittels des Radialflansches 14 kann die Antriebseinrichtung 3 mit dem Fahrzeug 1 verbunden werden.
3 zeigt die steuerungstechnische Realisierung der Antriebseinrichtung 3. Gemäß 3 werden die beiden elektrischen Maschinen 10, 10' über eine jeweilige Umrichtereinheit 15, 15' mit elektrischer Energie versorgt. Gemäß 3 werden die Umrichtereinheiten 15, 15' über jeweils einen eigenen Energiespeicher 16, 16' (beispielsweise einen Akkumulator) mit elektrischer Energie versorgt. Alternativ könnte ein einheitlicher Energiespeicher vorhanden sein. Unabhängig davon, ob jeweils ein eigener Energiespeicher 16, 16' oder ein einheitlicher Energiespeicher vorhanden ist, werden die Umrichtereinheiten 15, 15' jedoch in der Regel von einer den Umrichtereinheiten 15, 15' gemeinsamen Steuereinrichtung 17 gesteuert. Die Steuereinrichtung 17 ist vorzugsweise als fehlersichere Steuereinrichtung ausgebildet. Die Steuereinrichtung 17 besteht also aus (mindestens) zwei Teileinheiten, welche beide in fehlersicherer Weise mit den elektrischen Maschinen 10, 10', den Umrichtereinheiten 15, 15' und den Energiespeichern 16, 16' zusammenwirken. Weiterhin überwachen die Teileinheiten sich gegenseitig.
Der Steuereinrichtung 17 wird von außen – beispielsweise von einem nicht dargestellten Fahrzeugführer (Piloten) eine Sollleistung P* (oder eine andere Solllastanforderung, beispielsweise ein Solldrehmoment) zugeführt. Die Steuereinrichtung 17 ermittelt daraufhin entsprechend der angeforderten Sollleistung P* Steuerbefehle S, S' für die Umrichtereinheiten 15, 15' und gibt die Steuerbefehle S, S' an die Umrichtereinheiten 15, 15' aus.
Im einfachsten Fall prüft die Steuereinrichtung 17, ob die beiden elektrischen Maschinen 10, 10' und die Umrichtereinheiten 15, 15' – gegebenenfalls auch die Energiespeicher 16, 16' – funktionsfähig sind. Wenn dies der Fall ist, verteilt die Steuereinrichtung 17 die angeforderte Sollleistung P* zu gleichen Teilen auf die beiden elektrischen Maschinen 10, 10'. Wenn dies nicht der Fall ist, wird nur der Strang mit der funktionsfähigen elektrischen Maschine 10, 10' usw. betrieben. Gegebenenfalls muss in diesem Fall eine Unterschreitung der Sollleistung P* in Kauf genommen werden. In vielen Fällen sind jedoch erheblich vorteilhaftere Vorgehensweisen möglich.
So ist beispielsweise möglich, dass die Steuereinrichtung 17 prüft, ob die angeforderte Sollleistung P* oberhalb oder unterhalb einer Grenzleistung liegt. Wenn die angeforderte Sollleistung P* oberhalb der Grenzleistung liegt, kann die angeforderte Sollleistung P* nur dann aufgebracht werden, wenn beide elektrischen Maschinen 10, 10' angesteuert werden. Wenn hingegen die angeforderte Sollleistung P* unterhalb der Grenzleistung liegt, kann die angeforderte Sollleistung P* von einer einzigen der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' aufgebracht werden. Vorzugsweise wird daher in diesem Fall eine der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' stillgelegt, die zugehörige Umrichtereinheit 15, 15' also gesperrt. Es wird also nur die andere der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' aktiv betrieben. Welche der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' stillgelegt wird und welche der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' aktiv betrieben wird, kann von der Steuereinrichtung 17 dynamisch bestimmt werden. Hierauf wird später näher eingegangen.
Der Betrieb der Antriebseinrichtung 3 mit nur einer einzigen aktiven elektrischen Maschine 10, 10' ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Freiläufe 12, 12' vorhanden sind. Der Betrieb der Antriebseinrichtung 3 mit nur einer einzigen aktiven elektrischen Maschine 10, 10' ist jedoch auch dann möglich, wenn die Rotoren 11, 11' drehfest mit der Antriebswelle 4 verbunden sind.
Die Grenzleistung ist im einfachsten Fall statisch bestimmt. Sie kann insbesondere gleich der Nennleistung sein, die von jeder der elektrischen Maschinen 10, 10' aufgebracht werden kann. Alternativ kann die Grenzleistung von der Steuereinrichtung 17 dynamisch anhand von Betriebsparametern der elektrischen Maschinen 10, 10' und/oder der Antriebseinrichtung 3 als Ganzes bestimmt werden. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 17 mittels entsprechender Sensoren individuell für jede der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' deren Betriebstemperatur (oder andere relevante Größen) erfassen. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 17 für jede der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' anhand von deren Betriebstemperatur usw. individuell eine jeweilige Grenzleistung ermitteln. Die effektive Grenzleistung kann in diesem Fall das Minimum der individuellen Grenzleistungen sein. Alternativ kann die Grenzleistung für jede elektrische Maschine individuell bestimmt sein.
Analoge Vorgehensweisen sind auch bezüglich der Umrichtereinheiten 15, 15' und – falls die elektrischen Maschinen 10, 10' über jeweils einen eigenen Energiespeicher 16, 16' verfügen – bezüglich der Energiespeicher 16, 16' möglich. Bezüglich der Energiespeicher 16, 16' kann gegebenenfalls weiterhin ein Zustand der Energiespeicher 16, 16' berücksichtigt werden. Der Zustand der Energiespeicher 16, 16' kann beispielsweise deren jeweiligen Ladungszustand, deren Temperatur, aufgetretene und/oder auftretende Fehler und dergleichen mehr umfassen.
Bereits aus den obenstehenden Ausführungen ist ersichtlich, dass die Steuereinrichtung 17 bei der Bestimmung der Ansteuerung der Umrichtereinheiten 15, 15' Betriebsparameter – beispielsweise Temperaturen – der elektrischen Maschinen 10, 10' und/oder der Umrichtereinheiten 15, 15' berücksichtigen kann. Die Berücksichtigung von Betriebsparametern ist jedoch auch möglich, wenn beide elektrischen Maschinen 10, 10' betrieben werden. So ist beispielsweise die Alterung der elektrischen Maschinen 10, 10' umso größer, je höher die Temperatur ist, bei welcher die elektrischen Maschinen 10, 10' betrieben werden. Analoge Ausführungen gelten für die Umrichtereinheiten 15, 15' und ggf. auch die Energiespeicher 16, 16'.
Falls sich – beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Kühlung – bei gleichmäßiger Verteilung der Sollleistung P* eine der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' stärker erwärmt, kann beispielsweise – gesteuert oder geregelt – die Sollleistung P* ungleichmäßig auf die beiden elektrischen Maschinen 10, 10' verteilt werden. Dadurch können die Betriebstemperaturen der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' zumindest tendenziell aneinander angeglichen werden. Dadurch kann der Alterungsprozess gleichmäßig auf beide elektrischen Maschinen 10, 10' verteilt werden. Allgemein gesprochen kann gezielt auf den Alterungsprozess der einen elektrischen Maschine 10 relativ zum Alterungsprozess der anderen elektrischen Maschine 10' Einfluss genommen werden. So kann beispielsweise, falls eine der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' – egal aus welchen Gründen – bereits stärker gealtert ist, die andere elektrische Maschine 10', 10 stärker belastet werden. Das Ausmaß der Lastverteilung kann nach Bedarf bestimmt sein. Im Einzelfall kann die Lastzuordnung vollständig auf eine der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' erfolgen. Dies entspricht dem bereits obenstehend erwähnten Fall, dass nur eine der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' aktiv betrieben wird. Analoge Ausführungen gelten für den Betrieb der Umrichtereinheiten 15, 15' und/oder der Energiespeicher 16, 16', falls diese unterschiedliche Betriebstemperaturen und/oder voneinander verschiedene Alterungsprozesse aufweisen.
Weiterhin ermittelt die Steuereinrichtung 17 vorzugsweise für die elektrischen Maschinen 10, 10' in Abhängigkeit von deren Betriebszeiten eine jeweilige akkumulierte Gesamtbelastung (= Alterungsprozess). Sie ist dadurch in der Lage, die akkumulierte Gesamtbelastung bei der Bestimmung der Ansteuerung der Umrichtereinheiten 15, 15' zu berücksichtigen. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenso möglich, für die Umrichtereinheiten 15, 15' entsprechende jeweilige akkumulierte Gesamtbelastungen zu ermitteln und die akkumulierten Gesamtbelastungen bei der Bestimmung der Ansteuerung der Umrichtereinheiten 15, 15' zu berücksichtigen. Eine analoge Vorgehensweise ist für die Energiespeicher 16, 16' möglich.
Die akkumulierten Gesamtbelastungen werden von der Steuereinrichtung 17 – getrennt für die Antriebsstränge (gegebenenfalls Energiespeicher 16, 16' – Umrichtereinheit 15, 15' – elektrische Maschine 10, 10') ermittelt und in einem Speicher 18 hinterlegt. Der Speicher 18 ist derart ausgebildet, dass sein Speicherinhalt auch dann erhalten bleibt, wenn die Steuereinrichtung 17 nicht betrieben wird, beispielsweise weil sie abgeschaltet ist. Entsprechende Speicher 18 sind Fachleuten allgemein bekannt. Beispielsweise kann der Speicher 18 als EEPROM oder als FRAM ausgebildet sein oder über einen eigenen Energiespeicher verfügen.
Es ist möglich, für jeden Antriebsstrang jeweils einen einzigen Parameter zu ermitteln, der die Alterung des jeweiligen Antriebsstranges charakterisiert. Vorzugsweise jedoch wird für die Energiespeicher 16, 16', die Umrichtereinheiten 15, 15' und die elektrischen Maschinen 10, 10' und bei Bedarf auch für weitere Bestandteile der Antriebsstränge separat jeweils ein derartiger Parameter ermittelt. Falls für mehrere Komponenten eines Antriebsstranges jeweils ein eigener Parameter ermittelt wird, der die Alterung der jeweiligen Komponente charakterisiert, wird für die auf der Alterung aufbauenden Maßnahmen jeweils größte Alterung (= der kritischste Wert) verwertet.
Weiterhin ist es möglich, analoge Vorgehensweisen auch für andere Bestandteile der Antriebseinrichtung 3 zu ergreifen, auch für mechanische Bestandteile wie beispielsweise die Lager 5.
Im einfachsten Fall werden im Rahmen der Ermittlung des Alterungsprozesses nur die Betriebszeiten der jeweiligen Einheit 10, 10', 15, 15' usw. als solche berücksichtigt. Vorzugsweise werden jedoch nicht nur die Betriebszeiten berücksichtigt, sondern zusätzlich auch weitere Betriebsparameter der jeweiligen Einheit 10, 10', 15, 15'. Beispiele derartige Betriebsparameter sind für die elektrischen Maschinen 10, 10' die Drehzahlen der Rotoren 11, 11', die momentanen Betriebsleistungen und die bereits erwähnten Betriebstemperaturen. Für die Umrichtereinheiten 15, 15' kommen als zusätzliche Betriebsparameter die Anzahl an Schaltspielen, die Höhe der geschalteten Ströme und die bereits erwähnten Betriebstemperaturen in Frage. Für die Energiespeicher 16, 16' kommen als zusätzliche Betriebsparameter beispielsweise die Anzahl an Ladezyklen und die Höhe der Lade- und Entladeströme in Frage.
Es ist weiterhin möglich, die akkumulierten Gesamtbelastungen (bzw. hierfür charakteristische Größen) oder andere daraus abgeleitete Werte permanent oder auf Abfrage auf einem Display zur Anzeige zu bringen. Ebenso ist es möglich, ein akustisches und/oder optisches Warnsignal auszulösen, wenn die akkumulierten Gesamtbelastungen einen kritischen Wert – beispielsweise 90% ihrer erwarteten Lebensdauer – erreichen. Entsprechende Vorgehensweisen sind bei Kraftfahrzeugmotoren (Verbrennungskraftmaschinen) als solche bekannt.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung 3 weist viele Vorteile auf. So kann insbesondere aufgrund der Möglichkeit, im Teillastbetrieb nur eine der beiden elektrischen Maschinen 10, 10' zu betreiben, der Wirkungsgrad der Antriebseinrichtung 3 optimiert werden. Durch die Freiläufe 12, 12' kann der Wirkungsgrad der Antriebseinrichtung 3 im Teillastbetrieb noch weiter optimiert werden. Weiterhin kann bei Ausfall eines Antriebsstranges mittels des anderen Antriebsstranges ein Notbetrieb aufrecht erhalten werden. Auch das Trägheitsmoment der Antriebseinrichtung 3 wird dadurch optimiert. Durch die – gleichmäßige oder ungleichmäßige – Verteilung der Sollleistung P* auf die elektrischen Maschinen 10, 10' in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Gesamtbelastung kann die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Antriebseinrichtung 3 optimiert werden. Das Entfallen eines Getriebes erhöht ebenfalls den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der Antriebseinrichtung 3 und spart darüber hinaus Gewicht.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Strömungsmaschine
3: Antriebseinrichtung
4: Antriebswelle
5: Lager
6: Tragstruktur
7: Rotationsachse
8, 8': Endbereiche
9, 9': Statoren
10, 10': elektrische Maschinen
11, 11': Rotoren
12, 12': Freiläufe
13, 13': Rotorglocken
14: Radialflansch
15, 15': Umrichtereinheiten
16, 16': Energiespeicher
17: Steuereinrichtung
18: Speicher
P*: Sollleistung
S, S': Steuerbefehle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202008012191 U1 [0002, 0027]
DE 202010012132 U1 [0003]
DE 202012001750 U1 [0004]

Claims

Antriebseinrichtung für ein sich in einem Fluid bewegendes Fahrzeug (1), – wobei die Antriebseinrichtung eine Strömungsmaschine (2) aufweist, die auf einer um eine Rotationsachse (7) rotierbaren Antriebswelle (4) angeordnet ist, – wobei die Antriebswelle (4) in einer Tragstruktur (6) der Antriebseinrichtung in Lagern (5) gelagert ist, – wobei die Tragstruktur (6) in in Richtung der Rotationsachse (7) gesehen entgegengesetzten Endbereichen (8, 8') jeweils einen Stator (9, 9') einer elektrischen Maschine (10, 10') trägt, – wobei die Statoren (9, 9') jeweils mit einem um die Rotationsachse (7) rotierbaren Rotor (11, 11') der jeweiligen elektrischen Maschine (10, 10') zusammenwirken und – wobei die Rotoren (11, 11') auf die Antriebswelle (4) wirken.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (11, 11') die Statoren (9, 9'), bezogen auf die Rotationsachse (7), radial außen umgeben.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (11, 11') jeweils auf einer Rotorglocke (13, 13') angeordnet sind, die sich, bezogen auf die Rotationsachse (7), nach radial innen auf die Antriebswelle (4) zu erstreckt.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (10, 10') gleich ausgebildet und dimensioniert sind.
Antriebseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (5) in Richtung der Rotationsachse (7) gesehen an den Enden der Tragstruktur (6) angeordnet sind.
Antriebseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (6) in einem Bereich, der in Richtung der Rotationsachse (7) gesehen zwischen den Endbereichen (8, 8') liegt, radial zur Rotationsachse (7) gesehen über die Statoren (9, 9') und die Rotoren (11, 11') hinausragt.
Antriebseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (2) als Luftschraube oder als Wasserschraube ausgebildet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (11, 11') über je einen Freilauf (12, 12') auf die Antriebswelle (4) wirken.
Antriebseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (10, 10') über eine jeweilige Umrichtereinheit (15, 15') mit elektrischer Energie versorgt werden und dass die Umrichtereinheiten (15, 15') von einer den Umrichtereinheiten (15, 15') gemeinsamen Steuereinrichtung (17) gesteuert werden.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) bei der Bestimmung der Ansteuerung der Umrichtereinheiten (15, 15') Betriebsparameter der elektrischen Maschinen (10, 10') und/oder der Umrichtereinheiten (15, 15') berücksichtigt.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) für die elektrischen Maschinen (10, 10') und/oder für die Umrichtereinheiten (15, 15') in Abhängigkeit von deren Betriebszeiten eine jeweilige akkumulierte Gesamtbelastung ermittelt und dass die Steuereinrichtung (17) bei der Bestimmung der Ansteuerung der Umrichtereinheiten (15, 15') die akkumulierten Gesamtbelastungen berücksichtigt.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) in Abhängigkeit von einer Solllastanforderung (P*) und/oder einer Funktionsfähigkeit zumindest der elektrischen Maschinen (10, 10') und der zugehörigen Umrichtereinheiten (15, 15') entscheidet, ob sie nur eine der elektrischen Maschinen (10, 10') oder beide elektrische Maschinen (10, 10') betreibt.