DE102014224476A1

DE102014224476A1 - Elektrische Antriebseinheit, Hybridantriebseinrichtung und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014224476A1
Application number: DE102014224476.5A
Authority: DE
Inventors: Gerd Stöhr; Cleef Thackwell
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-12-02
Also published as: US20170267092A1; DE102014224476B4; WO2016087101A1; CN107005127A; US10500937B2

Abstract

Um bei einem elektrischen Antriebsaggregat für einen Hybridantrieb, insbesondere für ein Fahrzeug, Leistungsabgabe und Wirkungsgrad zu steigern und thermische Belastung, benötigten Bauraum sowie Herstellungskosten zu minimieren, wird eine elektrische Antriebseinheit (100), insbesondere für ein Fahrzeug (102) mit Elektro- oder Hybridantrieb, vorgeschlagen mit einem Abtriebselement (112) zum Abgeben in der elektrischen Antriebseinheit erzeugter mechanischer Energie, umfassend eine Kombination folgender Merkmale: die Antriebseinheit ist mit einer Asynchronmaschine (104) mit einem einen Läuferkäfig, insbesondere einen mit Kupferleitern ausgebildeten Läuferkäfig, aufweisenden Rotor (105) ausgebildet; die Asynchronmaschine ist mit einem mit einer Wellenwicklung (107) ausgestatteten Stator (106) ausgebildet; die Wellenwicklung ist mit einer Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung ausgebildet; der Rotor ist mit einer Rotorinnenkühleinrichtung (110) ausgebildet; in einem Kraftfluss zwischen dem Rotor und dem Abtriebselement ist ein Übersetzungsgetriebe (113) angeordnet. Vorgeschlagen werden ferner eine Hybridantriebseinrichtung (101) mit einer elektrischen Antriebseinheit und ein Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit (100) und/oder Hybridantriebseinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Hybridantriebseinrichtung und ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Aus der Druckschrift DE 103 49 558 A1 ist ein Antriebsstrang für einen Hybridantrieb bekannt, der eine Brennkraftmaschine, ein elektrisches Antriebsaggregat und eine Getriebeeinheit umfasst. Zwischen einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine und einer Eingangswelle der Getriebeeinheit ist eine erste Übertragungskupplung angeordnet. Das elektrische Antriebsaggregat ist koaxial zu einer Drehachse der Eingangswelle angeordnet. Als elektrisches Antriebsaggregat ist eine Vielzahl bekannter Elektromotoren wie z.B. ein Asynchronmotor einsetzbar. Bei dem beschriebenen Antriebsstrang soll die konstruktive Anbindung des elektrischen Antriebsaggregats vereinfacht und der Systemwirkungsgrad optimiert werden. Die erste Übertragungskupplung ist als schaltbare kraft- oder formschlüssige Übertragungskupplung ausgebildet. Diese überträgt ein Drehmoment von der Abtriebswelle auf die Eingangswelle und umgekehrt. Die Übertragung des Drehmoments in beide Richtungen ermöglicht, das elektrische Antriebsaggregat sowohl als Motor als auch als Generator einzusetzen. Die Anbindung des elektrischen Antriebsaggregats erfolgt funktionell direkt nach der Brennkraftmaschine und vor der Getriebeeinheit. Durch die erste Übertragungskupplung lässt sich die Getriebeeinheit rein elektrisch ohne Anbindung der Brennkraftmaschine antreiben.
Weiter wird in der Druckschrift DE 103 49 558 A1 als vorteilhaft bezeichnet, dass ein Rotor des elektrischen Antriebsaggregats koaxial zur Eingangswelle dreh- und/oder in axialer Richtung verschiebbar auf einer Zwischenwelle gelagert ist, wodurch der Rotor bzw. die Zwischenwelle vom Antriebsstrang getrennt werden kann. Bei rein verbrennungsmotorischem Betrieb des Antriebsstrangs wird die Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der Getriebeeinheit nicht durch das elektrische Antriebsaggregat beeinflusst. Insbesondere ist zwischen dem Rotor und der Eingangswelle eine zweite Übertragungskupplung vorgesehen ist, die form- und/oder kraftschlüssig wirkt, insbesondere als schaltbare Kupplung, z.B. als Keil-, Klauen-, Zahn- oder Reibungskupplung ausgebildet ist und mit deren Hilfe das elektrische Antriebsaggregat zu- und abgeschaltet wird.
Im Licht gestiegener Anforderungen an Hybridantriebe wird die Leistungsfähigkeit eines Antriebsaggregats der beschriebenen Art beim Einsatz einer Asynchronmaschine als unbefriedigend, deren Bauraum und Gewicht als zu groß und deren Leistungsdichte als zu gering bezeichnet. Dagegen verursacht der Einsatz einer leistungsfähigeren und kompakteren, permanentmagneterregten Synchronmaschine durch die dafür benötigten, teuren Magnetwerkstoffe, insbesondere Neodym, Dysprosium und Terbium, hohe Kosten.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Die Erfindung hat die Aufgabe, bei einem elektrischen Antriebsaggregat für einen Hybridantrieb, insbesondere für ein Fahrzeug, der beschriebenen Art die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad weiter zu steigern und zugleich die thermische Belastung des elektrischen Antriebsaggregats zu senken. Dabei sind zugleich der benötigte Bauraum sowie die Herstellungskosten zu minimieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Antriebseinheit, insbesondere für ein Fahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb, mit einem Abtriebselement zum Abgeben in der elektrischen Antriebseinheit erzeugter mechanischer Energie, umfassend eine Kombination folgender Merkmale:

• die Antriebseinheit ist mit einer Asynchronmaschine mit einem einen Läuferkäfig, insbesondere einen mit Kupferleitern ausgebildeten Läuferkäfig, aufweisenden Rotor ausgebildet;
• die Asynchronmaschine ist mit einem mit einer Wellenwicklung ausgestatteten Stator ausgebildet;
• die Wellenwicklung ist mit einer Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung ausgebildet;
• der Rotor ist mit einer Rotorinnenkühleinrichtung ausgebildet;
• in einem Kraftfluss zwischen dem Rotor und dem Abtriebselement ist ein Übersetzungsgetriebe angeordnet.

Dabei weist die Asynchronmaschine gegenüber einer permanentmagneterregten Synchronmaschine den Vorzug einer einfachen und kostengünstigen Rotorbauweise auf. Insbesondere können dafür kostengünstig verfügbare Werkstoffe eingesetzt werden. Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei Ausbildung des Läuferkäfigs mit Kupferleitern durch deren besonders niedrigen, spezifischen ohmschen Widerstand, wodurch im Betrieb auftretende thermische Verlustleistungen gegenüber einer Ausbildung mit z.B. Aluminiumleitern und damit die Betriebstemperatur der Asynchronmaschine deutlich verringert werden können und so eine verbesserte Leistungsabgabe und ein verbesserter Wirkungsgrad trotz des höheren Gewichts der Kupferleiter erzielt werden. Da die Betriebstemperatur niedrig bleibt, bleiben auch durch eine Temperaturabhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit des Werkstoffs des Läuferkäfigs bedingte Schwankungen elektrischer Ströme im Läuferkäfig niedrig, so dass für die elektrische Antriebseinheit stabile Betriebsbedingungen erzielt werden. Darüber hinaus weist Kupfer ein höheres Elastizitätsmodul auf als z.B. Aluminium, d.h. eine höhere mechanische Festigkeit. Insbesondere bei hohen Drehzahlen wird dadurch eine Verformung des Läuferkäfigs durch Fliehkräfte gering gehalten. Insgesamt werden geringere Verformungen erzielt als bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, bei der durch die in Schlitze eines Rotor-Eisenkörpers eingesetzten Permanentmagnete bzw. durch eine Schwächung des Rotor-Eisenkörpers durch die Schlitze für die Permanentmagnete mit größeren Verformungen bei hohen Drehzahlen zu rechnen ist.
Die Ausbildung des Stators mit einer Wellenwicklung ermöglicht eine Verkleinerung der Wickelköpfe des Stators und eine Verkürzung der Leiter, aus denen die Wellenwicklung gebildet ist, verglichen mit einer Schleifenwicklung. Damit lässt sich Leitermaterial einsparen und lassen sich die im Betrieb auftretenden thermischen Verlustleistungen gegenüber einer Ausbildung mit Schleifenwicklungen sowie Gewicht und Volumen des Stators verringern. Bevorzugt ist außerdem auch die Wellenwicklung mit Kupferleitern ausgebildet. Damit werden ein höherer Wirkungsgrad, verringerter Bauraum und verringerte Kosten erzielt.
Besonders bevorzugt ist die Wellenwicklung mit Profildrähten ausgeführt, deren Querschnittskontur derjenigen von die Wellenwicklung aufnehmenden Statornuten angepasst ist. Damit ist gegenüber einer Ausbildung der Wellenwicklung mit Runddrähten, d.h. Leitern mit kreisförmiger Querschnittskontur, ein höherer Nutfüllfaktor erreichbar. Durch einen höheren Nutfüllfaktor werden Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad der Asynchronmaschine gesteigert.
Die Stern-Dreieck-Umschaltung ermöglicht in einfacher und zuverlässiger Weise ein Ausschöpfen mit der Asynchronmaschine erreichbarer Drehmomente in allen Drehzahlbereichen, da die Asynchronmaschine bei geringen Drehzahlen wegen ihrer in Sternschaltung höheren Ströme ein höheres Drehmoment aufweist als in Dreieckschaltung, bei der Dreieckschaltung dagegen ein höheres Drehmoment bei hohen Drehzahlen zur Verfügung steht. Bevorzugt wird nach der Erfindung eine lastabhängige Stern-Dreieck-Umschaltung vorgenommen.
Um auch unter hoher Belastung der Asynchronmaschine deren Betriebstemperatur in jedem Fall niedrig halten zu können, ist der Rotor der Asynchronmaschine erfindungsgemäß mit einer Rotorinnenkühleinrichtung ausgebildet, die eine Wärmeabfuhr nicht nur an Oberflächen des Rotors, sondern auch aus dessen Innerem, d.h. wenigstens nahezu am Ort der Entstehung der Wärme, ermöglicht und damit die Wirksamkeit der Rotorkühlung bedeutend steigert. Insbesondere ist der Rotor dazu von Kühlmittelkanälen durchzogen, durch die ein Kühlmittel leitbar ist und im Betrieb geleitet wird. Besonders bevorzugt ist die Rotorinnenkühleinrichtung mit ggf. weiteren Kühleinrichtungen der elektrischen Antriebseinheit zusammenwirkend ausgebildet. Insbesondere bei einem Einsatz in einem Fahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb ist die Rotorinnenkühlung vorteilhaft mit Kühleinrichtungen weiterer Elemente und/oder Baugruppen des Elektro- oder Hybridantriebs zusammenwirkend oder kombiniert ausgebildet.
Das Übersetzungsgetriebe vom Rotor zum Abtriebselement der elektrischen Antriebseinheit dient einer Übersetzung der Drehzahl des Rotors zur Drehzahl des Abtriebselements. Damit wird der Rotor der Asynchronmaschine mit einer höheren Drehzahl betrieben als das Abtriebselement. Besonders vorteilhaft ist diese Ausbildung, wenn das Abtriebselement beim Einsatz der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit in einem Hybridantrieb unmittelbar mit z.B. einem Verbrennungsmotor, d.h. insbesondere mit dessen Kurbelwelle, gekoppelt werden soll bzw. kann. Das Abtriebselement der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit weist im Betrieb dann dieselbe Drehzahl auf wie die Kurbelwelle. Um einen Verbrennungsmotor mit möglichst hohem Wirkungsgrad und vor allem möglichst geringem Kraftstoffverbrauch zu betreiben, wird für die Kurbelwelle eine eher geringere Drehzahl bevorzugt. Dagegen weist die Asynchronmaschine in ihrem oberen Drehzahlbereich, also bei hohen Drehzahlen, den besten Wirkungsgrad auf. Im Gegensatz zu einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, deren Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen am höchsten ist, wird die Asynchronmaschine bevorzugt bei hohen Drehzahlen zu betreiben sein, und zwar optimal bei Drehzahlen, die höher sind als die Drehzahlen, bei denen der Verbrennungsmotor einen hohen Wirkungsgrad und seinen geringsten Kraftstoffverbrauch aufweist. Durch das Übersetzungsgetriebe werden die Drehzahlen des Rotors und des Abtriebselements vorteilhaft derart aneinander angepasst, dass bei dem genannten Einsatz der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit in einem Hybridantrieb sowohl die Asynchronmaschine als auch der Verbrennungsmotor in den zu ihrem Betrieb optimalen Drehzahlbereichen arbeiten können und so ein besonders wirtschaftlicher Antrieb erhalten wird. Zugleich wird damit erreicht, dass auch bei rein elektrischer Betriebsart eines derartigen Hybridantriebs, d.h. bei abgeschaltetem und/oder abgekuppeltem Verbrennungsmotor und Antrieb des beispielhaft genannten Fahrzeugs lediglich mit der elektrischen Antriebseinheit, die Asynchronmaschine im optimalen Drehzahlbereich, d.h. bei höchstmöglichem Wirkungsgrad, arbeitet. Dies erhöht die Energieausnutzung und verringert thermische Verluste und Belastungen.
Die erfindungsgemäße Kombination der vorbeschriebenen Merkmale ermöglicht es, eine effiziente elektrische Antriebseinheit in einem kleinstmöglichen Bauraum zu verwirklichen. Mit der Erfindung ist es nicht länger erforderlich, aus Gründen einer Einschränkung des der elektrischen Antriebseinheit verfügbaren Bauraums permanentmagneterregte Synchronmaschinen gegenüber Asynchronmaschinen in einer solchen elektrischen Antriebseinheit und insbesondere in damit ausgebildeten Hybridantrieben zu bevorzugen. Die erfindungsgemäße Kombination der einzelnen dargestellten Merkmale ermöglicht es, eine hohe Leistungsdichte und Effizienz zu erreichen, so dass die dargestellte Asynchronmaschine auch für den Einsatz in Hybridfahrzeugen vorgesehen werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ist das Übersetzungsgetriebe mit einem Planetengetriebe ausgebildet. Eine Ausgestaltung mit einem Planetengetriebe ermöglicht insbesondere eine kompakte, koaxiale Anordnung des Übersetzungsgetriebes sowohl mit dem Rotor als auch mit dem Abtriebselement der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit. Dadurch wird ein der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit verfügbarer Bauraum besonders gut ausgenutzt. Insbesondere lässt sich das Übersetzungsgetriebe ohne Vergrößerung der Abmessungen der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit in diese einfügen. Auch wird damit eine durch das Hinzufügen des Übersetzungsgetriebes bewirkte Erhöhung des Gewichts der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit eng begrenzt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ist das Planetengetriebe für einen Zweiwellenbetrieb mit Umlaufübersetzung ausgebildet, wobei das Planetengetriebe eine Übersetzung von insbesondere 1:1,5 bis 1:2 aufweist. Ein Planetengetriebe, allgemein auch als Umlaufrädergetriebe bezeichnet, umfasst in einer einfachen Form zwei Zentralräder, von denen eines bevorzugt als Hohlrad und das andere als Sonnenrad ausgebildet ist, sowie wenigstens ein Umlaufrad. Der Umlauf des wenigstens einen Umlaufrades erfolgt koaxial zu beiden Zentralrädern. Dabei vollführt jedes Umlaufrad eine Drehung um seine Stegwelle, und die wenigstens eine Stegwelle läuft koaxial zu den beiden Zentralrädern um. Im Zweiwellenbetrieb ist das Planetengetriebe zwangläufig, d.h. sein Laufgrad ist gleich eins. Das bedeutet, dass beim Antrieb einer Welle des Planetengetriebes die Drehung der zweiten Welle eindeutig ist. Der Zweiwellenbetrieb wird dadurch erhalten, dass eines der Zentralräder mit seiner Welle oder die wenigstens eine Stegwelle stillsteht. Bei der Umlaufübersetzung, die eine mögliche Form des Zweiwellenbetriebs bildet, steht eines der Zentralräder mit seiner Welle still. An- und Abtrieb erfolgen über das andere, drehende der Zentralräder mit seiner Welle und über die wenigstens eine Stegwelle. Besonders bevorzugt ist bei der vorliegenden Erfindung das Sonnenrad festgelegt, das Hohlrad drehend mit dem Rotor und die wenigstens eine Stegwelle mit dem Abtriebselement der elektrischen Antriebseinheit verbunden. Auf diese Weise wird sehr einfach und kompakt durch entsprechende Wahl der Umfänge des Sonnenrades und des Hohlrades eine bevorzugt erwünschte Übersetzung der Drehzahl des Abtriebselements zur Drehzahl des Rotors von insbesondere 1:1,5 bis 1:2 erhalten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ist das Übersetzungsgetriebe in und/oder nahe einem Kühl- und/oder Schmiermittelraum für wenigstens den Rotor angeordnet. Bevorzugt ist dieser Kühl- und/oder Schmiermittelraum ein Ölraum. Damit wird eine Schmierung und/oder Kühlung des Übersetzungsgetriebes sehr einfach ermöglicht, ohne eine aufwendige Kühl- und/oder Schmiermittelzuführung oder gar eine gesonderte Kühl- und/oder Schmiereinrichtung für das Übersetzungsgetriebe vorsehen zu müssen. Das Übersetzungsgetriebe lässt sich so mit geringem Aufwand in eine Kühlung und/oder Schmierung der elektrischen Antriebseinheit und ggf. weiterer Baugruppen einer Hybridantriebseinrichtung, in der die elektrische Antriebseinheit zum Einsatz kommt, einbeziehen, wie insbesondere von Kupplungen zum Kuppeln der elektrischen Antriebseinheit mit einem Verbrennungsmotor und/oder einem Getriebe, insbesondere einem Schaltgetriebe, besonders bevorzugt einem automatischen Schaltgetriebe.
Nach einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit weist der Rotor einen Rotorträger mit einem sich im wesentlichen in axialer und in Umfangsrichtung des Rotors erstreckenden Tragbereich und eine auf dem Tragbereich angeordnete, mit einem Blechpaket und dem Läuferkäfig ausgebildete Magnetanordnung auf, wobei der Rotor mindestens einen zumindest teilweise zwischen der Magnetanordnung und dem Rotorträger vorgesehenen und/oder ausgebildeten, von der Rotorinnenkühleinrichtung umfassten Kühlmittelkanal aufweist. Es sei erwähnt, dass in der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 006 857.6 eine elektrische Maschine mit einer Rotorinnenkühleinrichtung beschrieben ist, gemäß der die Rotorinnenkühleinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit bevorzugt ausgebildet ist und durch die eine ungleichmäßige Kühlung der Magnetanordnung des Rotors vermindert ist. Außerdem ist anzumerken, dass die Anordnung aus Blechpaket und Läuferkäfig keine Magnetanordnung im strengen Sinne darstellt, da sie nicht mit Magneten, insbesondere nicht mit Permanentmagneten, ausgebildet ist. Der Einfachheit halber und weil auch in der Anordnung aus Blechpaket und Läuferkäfig Ströme induziert werden, die in magnetische Wechselwirkung mit einem vom Stator erzeugten Magnetfeld tritt, ist diese Anordnung aus Blechpaket und Läuferkäfig im Folgenden, auch im Rahmen der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, als Magnetanordnung bezeichnet.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ist wenigstens der wenigstens eine Kühlmittelkanal der Rotorinnenkühleinrichtung von einem zum Kühlen und/oder Schmieren wenigstens des Rotors bestimmten Kühl- und/oder Schmiermittel durchströmbar ausgebildet. Bevorzugt ist der wenigstens eine Kühlmittelkanal mit einem Kühl- und/oder Schmieröl, besonders bevorzugt einem Getriebe- und/oder Lageröl zum Kühlen und/oder Schmieren bevorzugt des Übersetzungsgetriebes, einer Rotorlagerung insbesondere des Rotorträgers in vorzugsweise einem Lager- und/oder Getriebe und/oder Antriebsgehäuse, durchströmbar ausgebildet. Weitere mit der elektrischen Antriebseinheit in einer Hybridantriebseinrichtung verbundene Baugruppen, wie z.B. Kupplungen oder Getriebe, können mit dem selben Kühl- und/oder Schmiermittel, bevorzugt Kühl- und/oder Schmieröl, durchströmbar ausgebildet sein, d.h. in einem gemeinsamen Kühl- und/oder Schmiermittelkreislauf zusammengefasst sein.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit bildet die Asynchronmaschine zum Ausbilden der Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem mit offenen Wicklungen und ist eine Schaltungsanordnung zum Speisen der Asynchronmaschine aus einer im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichteten Energiequelle mit einer die vorgegebene Phasenzahl aufweisenden Mehrphasenspannung vorgesehen, umfassend eine erste Umrichterstufe zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl erster Anschlüsse der Asynchronmaschine aus der Energiequelle und eine zweite Umrichterstufe zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse der Asynchronmaschine aus der Energiequelle über wenigstens ein Schalterelement zum wahlweisen Gewinnen der zweiten Gleichspannung aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle und zum Liefern dieser aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle gewonnenen zweiten Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe, wobei die erste und die zweite Umrichterstufe dazu eingerichtet sind, zum Speisen der Asynchronmaschine die ersten und zweiten Anschlüsse der Asynchronmaschine wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung zu verbinden. Bevorzugt ist eine derartige Stern-Dreieck-Umschaltung gemäß der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2014 217 269.1 mit dem Anmeldetag 29.08.2014 ausgebildet. Dabei ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Wellenwicklung des Stators, die mit der Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung verbunden ist, mit offenen Wicklungen ausgestaltet, deren Anschlüsse die ersten und zweiten Anschlüsse der Asynchronmaschine bilden. Vorteilhaft ist die Energiequelle mit wenigstens einem Akkumulator, bevorzugt einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, und/oder wenigstens einer Brennstoffzelle und/oder wenigstens einem Kondensator, insbesondere mit wenigstens einem sogenannten Superkondensator, ausgebildet.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Hybridantriebseinrichtung, die durch wenigstens eine elektrische Antriebseinheit der vorbeschriebenen Art, durch wenigstens einen Verbrennungsmotor und durch wenigstens eine Kupplungseinrichtung zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen eines Kraftflusses zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Abtriebselement der wenigstens einen elektrischen Antriebseinheit gekennzeichnet ist. Dabei ist der Kraftfluss sowohl vom Verbrennungsmotor an das Abtriebselement als auch vom Abtriebselement an den Verbrennungsmotor richtbar, so dass die erfindungsgemäße Hybridantriebseinrichtung sowohl in einem Motorbetrieb der elektrischen Antriebseinheit, bevorzugt zur Traktion, aber auch für eine Anlasserfunktion für den Verbrennungsmotor, als auch in einem Generatorbetrieb verwendbar ist, bei dem die elektrische Antriebseinheit als Generator, insbesondere zum Laden einer Traktionsbatterie oder anderer Energiespeicher, dient. Die Traktion kann dabei gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor oder aber allein durch die elektrische Antriebseinheit bei entkuppeltem Verbrennungsmotor erfolgen. Auch kann die Hybridantriebseinrichtung vorteilhaft mehrere elektrische Antriebseinheiten aufweisen, die je ein gesondertes oder wenigstens teilweise ein gemeinsames Abtriebselement aufweisen. Eine derartige Hybridantriebseinrichtung ist einfach und kompakt aufgebaut und sehr effizient im Betrieb.
Die oben genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Fahrzeug, welches eine elektrische Antriebseinheit der vorbeschriebenen Art und/oder eine Hybridantriebseinrichtung der vorbeschriebenen Art aufweist. Ein derart ausgestaltetes Fahrzeug ist auf einfache Weise mit einem kompakten, leistungsfähigen und wirtschaftlichen Antrieb ausgestattet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung, in der übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und zu der auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird, zeigen:
1 eine grob schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinrichtung, die mit einer elektrischen Antriebseinheit ausgestattet ist, wie sie im Stand der Technik verwendet wird,
2 eine grob schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinrichtung, die mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ausgestattet ist,
3 eine grob schematische Darstellung einer Hälfte eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit, eingesetzt in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinrichtung,
4 eine grob schematische Darstellung eines Wickelschemas für ein Beispiel einer Wellenwicklung, und
5 ein grob schematisches Schaltbild eines Beispiels einer Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung, wie sie in einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit zum Einsatz kommt.
Die in der Zeichnung dargestellten Anordnungen und davon insbesondere die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im nachfolgenden näher beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinrichtung 301 grob schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet. Der Antriebsstrang 300 umfasst die Hybridantriebseinrichtung 301, die mit einer elektrischen Antriebseinheit 302 ausgestattet ist, wie sie im Stand der Technik verwendet wird. Weiterhin umfasst die Hybridantriebseinrichtung 301 einen Verbrennungsmotor 303 und eine erste Kupplungseinrichtung 304, die zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen eines Kraftflusses zwischen dem Verbrennungsmotor 303 und einem Abtriebselement 305 der elektrischen Antriebseinheit 302 dient. Die elektrische Antriebseinheit 302 ist mit einem Stator 306 und einem Rotor 307 ausgestaltet. Der Rotor 307 ist insbesondere mit einer in 1 jedoch nicht im Einzelnen dargestellten Magnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten ausgebildet und mit dem Abtriebselement 305 kraftschlüssig verbunden. Insbesondere ist das Abtriebselement 305 mit einer Rotorwelle des Rotors 307 gebildet. Über eine Doppelkupplung 308, umfassend eine zweite 309 und eine dritte 310 Kupplungseinrichtung, ist der Kraftfluss vom Abtriebselement 305 auf ein Doppelkupplungsgetriebe 311 leitbar, und zwar insbesondere wahlweise über die zweite Kupplungseinrichtung 309 auf eine erste Eingangswelle 312 des Doppelkupplungsgetriebes 311 und über die dritte Kupplungseinrichtung 310 auf eine zweite Eingangswelle 313 des Doppelkupplungsgetriebes 311. Von einer Ausgangswelle 314 des Doppelkupplungsgetriebes 311 ist der Kraftfluss weiter über ein Differentialgetriebe 315 auf Antriebsräder 316 des Kraftfahrzeugs leitbar.
2 zeigt, ausgehend von der Anordnung nach 1, eine grob schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Antriebsstrangs 103 eines Kraftfahrzeugs 102 mit einer Hybridantriebseinrichtung 101, die mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 100 ausgestattet ist. Die elektrische Antriebseinheit 100 ist mit einer in symbolischer Längsschnitt-Darstellung angedeuteten Asynchronmaschine 104 mit einem einen Läuferkäfig, insbesondere einen mit Kupferleitern ausgebildeten Läuferkäfig, aufweisenden Rotor 105 ausgebildet. Diese Asynchronmaschine 104 weist ferner einen Stator 106 auf, der mit einer Wellenwicklung 107 mit insbesondere offenen Wicklungen, d.h. offenen Wicklungsenden, ausgebildet ist. Die Asynchronmaschine 104 stellt somit ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem mit offenen Wicklungen dar. Dabei sind beide Wicklungsenden jeder der Wicklungen bzw. Wicklungsstränge für jede Phase der Asynchronmaschine 104 durch eine Schaltungsanordnung 108 zum Speisen der Asynchronmaschine 104 aus einer nicht dargestellten Energiequelle, die im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichtet ist, unabhängig voneinander über eine Mehrfachleitung 109 speisbar, deren Aderanzahl der Gesamtanzahl der Wicklungsenden der Wellenwicklung 107 entspricht. Mit der Schaltungsanordnung 108 ist im Betrieb auch eine Stern-Dreieck-Umschaltung der Wellenwicklung 107 der Asynchronmaschine 104 vornehmbar.
Der Rotor 105 der Asynchronmaschine 104 ist mit einer Rotorinnenkühleinrichtung 109 ausgebildet, die in 2 symbolisch durch einen von der Rotorinnenkühleinrichtung 109 umfassten, röhrenartigen Kühlmittelkanal angedeutet ist. Durch den Kühlmittelkanal ist ein Kühlmittel leitbar; Pfeile 110 symbolisieren diesen Kühlmittelstrom. Von der Rotorinnenkühleinrichtung 109 wird im Betrieb der Asynchronmaschine 104 entstehende Wärmeenergie aus dem Inneren des Rotors 105 abgeleitet.
Die elektrische Antriebseinheit 100 der Hybridantriebseinrichtung 101 weist ein Abtriebselement 112 auf, das über die erste Kupplungseinrichtung 304 mit dem Verbrennungsmotor 303 zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen eines Kraftflusses zwischen dem Verbrennungsmotor 303 und dem Abtriebselement 112 kuppelbar ist. Über die Doppelkupplung 308 mit der zweiten 309 und der dritten 310 Kupplungseinrichtung ist der Kraftfluss vom Abtriebselement 112 wieder auf das Doppelkupplungsgetriebe 311 leitbar, und zwar wie bei der Anordnung nach 1 insbesondere wahlweise über die zweite Kupplungseinrichtung 309 auf die erste Eingangswelle 312 des Doppelkupplungsgetriebes 311 und über die dritte Kupplungseinrichtung 310 auf die zweite Eingangswelle 313 des Doppelkupplungsgetriebes 311. Im Gegensatz zur Anordnung nach 1 ist bei der Anordnung nach 2 jedoch in einem Kraftfluss zwischen dem Rotor 105 und dem Abtriebselement 112 ein in 2 symbolisch angedeutetes Übersetzungsgetriebe 113 angeordnet. Vorteilhaft ist das Übersetzungsgetriebe 113 koaxial zum Rotor 105 und zum Abtriebselement 112 ausgestaltet und angeordnet. Bevorzugt ist das Übersetzungsgetriebe 113 als Planetengetriebe für einen Zweiwellenbetrieb mit Umlaufübersetzung ausgebildet, wobei das Planetengetriebe eine Übersetzung von insbesondere 1:1,5 bis 1:2 aufweist, um welche Übersetzung die Drehzahl des Rotors 105 höher ist als die Drehzahl des Abtriebselements 112 und damit sowohl des Verbrennungsmotors als auch der ersten und der zweiten Eingangswelle 312, 313.
In 3 ist eine grob schematische Darstellung einer entlang einer Rotationsachse 114 abgetrennten Hälfte eines Längsschnitts durch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 100 nach 2 wiedergegeben, eingesetzt im Antriebsstrang 103 des Kraftfahrzeugs 102 mit der Hybridantriebseinrichtung 101. Dabei ist ein Beispiel für nähere Einzelheiten einer räumlichen Anordnung der einzelnen Konstruktionselemente bzw. Baugruppen der elektrischen Antriebseinheit 100 grob schematisch angedeutet. eine um die Rotationsachse drehbare Eingangsnabe 115 ist einerseits mit dem In 3 der Einfachheit nicht dargestellten Verbrennungsmotor 303, insbesondere dessen Kurbelwelle, und andererseits mit einem Innenlamellensatz der hier mit einer Lamellenkupplung ausgestalteten ersten Kupplungseinrichtung 304 kraftschlüssig verbunden. Das Abtriebselement 112 ist hier mit einem hohlwellenartigen Lagerbereich 116 ausgebildet und in Lagern 117 um die Rotationsachse 114 drehbar in einem Antriebsgehäuse 118 gelagert. Ferner ist das Abtriebselement 112 mit einem Kupplungsträgerbereich 119 ausgestaltet, in dem es mit je einem Außenlamellensatz jeder der ersten 304, der zweiten 309 und der dritten 310 Kupplungseinrichtung kraftschlüssig verbunden ist. Ein Innenlamellensatz der zweiten Kupplungseinrichtung 309 ist kraftschlüssig mit der ersten Eingangswelle 312 verbunden, und ein Innenlammellensatz der dritten Kupplungseinrichtung 310 ist kraftschlüssig mit der zweiten Eingangswelle 313 verbunden, die hier hohlwellenartig die erste Eingangswelle 312 umfasst, wobei sowohl die erste Eingangswelle 312 als auch die zweite Eingangswelle 313 um die Rotationsachse 114 drehbar angeordnet sind.
Der Rotor 105 der Asynchronmaschine 104 weist einen Rotorträger 120 mit einem sich im wesentlichen in axialer und in Umfangsrichtung des Rotors 105 erstreckenden Tragbereich 121 und eine auf dem Tragbereich 121 angeordnete, mit einem Blechpaket und dem Läuferkäfig ausgebildete Magnetanordnung 122 auf. Der Rotor 105 weist weiterhin mindestens einen zumindest teilweise zwischen der Magnetanordnung 122 und dem Rotorträger 120 vorgesehenen und/oder ausgebildeten, von der Rotorinnenkühleinrichtung 110 umfassten Kühlmittelkanal 123 auf. Insbesondere ist der mindestens eine Kühlmittelkanal 123 entlang einer Begrenzungsfläche angeordnet, entlang der die Magnetanordnung 122 auf dem Tragbereich 121 wenigstens teilweise kraft- und formschlüssig aufsitzt. Bevorzugt ist die Magnetanordnung 122 hohlzylinderförmig ausgebildet und auf der Begrenzungsfläche, die eine zylindrische, zur Rotationsachse 114 koaxiale Oberfläche des Tragbereichs 121 bildet, durch z.B. Preßsitz montiert. Der mindestens eine Kühlmittelkanal 123 ist dann durch entlang der Begrenzungsfläche in den Tragbereich 121 und/oder die Magnetanordnung 122 eingeformte, axiale und/oder tangentiale und/oder spiralförmige Ausnehmungen gebildet. In 3 ist ein entlang der Begrenzungsfläche axial ausgerichteter Kühlmittelkanal 123 symbolisiert dargestellt. Außerdem umfasst der Rotorträger 120 einen zur Rotationsachse 114 koaxial ausgestalteten Lagerbereich 124, in dem er über Lager 125 im Antriebsgehäuse 118 um die Rotationsachse 114 drehbar gelagert ist.
Im Kraftfluss zwischen dem Rotorträger 120 und dem Abtriebselement 112 der elektrischen Antriebseinheit 100 ist das Übersetzungsgetriebe 113 angeordnet. Dazu ist ein mit einer Außenverzahnung versehenes Sonnenrad 126 koaxial zur Rotationsachse 114 kraftschlüssig mit dem Antriebsgehäuse 118 verbunden und damit festgelegt. Ein Hohlrad 127 des Übersetzungsgetriebes 113 ist kraftschlüssig mit dem Lagerbereich 124 des Rotorträgers 120 verbunden und somit mit dem Rotorträger 120 gemeinsam um die Rotationsachse 114 drehbar. Das Hohlrad 127 läuft dadurch mit dem Rotor 105 um. Wenigstens ein Umlaufrad 128 des Übersetzungsgetriebes 113 steht im Eingriff sowohl mit dem Sonnenrad 126 als auch mit dem Hohlrad 127. Das wenigstens eine Umlaufrad 128 ist am Abtriebselement 112 derart um je eine Umlaufradachse 129 drehbar gelagert, dass es mit dem Abtriebselement 112 um die Rotationsachse 114 umlaufen kann. Durch diese Anordnung wird eine Übersetzung zwischen den Drehzahlen des Rotors 105 und des Abtriebselements 112 erhalten, bei der sich der Rotor schneller dreht als das Abtriebselement. Bevorzugt sind Sonnenrad 126 und Hohlrad 127 derart dimensioniert, dass sich eine Übersetzung von 1:1,5 bis 1:2 ergibt.
Das Übersetzungsgetriebe 113 ist gemäß 3 im Inneren des Rotorträgers 120 in einem dort vorgesehenen Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum 130, der Hybridantriebseinrichtung 101 angeordnet. Der Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum 130, ist zum Aufnehmen eines bestimmten Vorrats eines Kühl- und/oder Schmiermittels, insbesondere eines Öls, ausgestaltet. Vom Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum 130, ausgehend sind Kühl- und/oder Schmiermittelkanäle angeordnet, durch die das Kühl- und/oder Schmiermittel, insbesondere Öl, vom Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum 130, in einen ein- oder mehrkreisigen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, gelangt. Dieser Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, ist in 3 symbolisch durch Pfeile angedeutet; zu diesem Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, gehört auch der Kühlmittelstrom 111 im wenigstens einen Kühlmittelkanal 123 der Rotorinnenkühleinrichtung 110. Im einzelnen bezeichnen die Pfeile 131 einen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen und/oder Schmieren der Doppelkupplung 308 mit der zweiten Kupplungseinrichtung 309 und der dritten Kupplungseinrichtung 310, die Pfeile 132 einen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen und/oder Schmieren der ersten Kupplungseinrichtung 304, die Pfeile 133 einen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen und/oder Schmieren der Lager 117, die Pfeile 134 einen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen und/oder Schmieren der Lager 125 sowie eine Kühlung eines Luftspalts 138 zwischen Rotor 105 und Stator 106 der Asynchronmaschine 104, die Pfeile 135 einen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen von Wickelköpfen der Wellenwicklung 107 des Stators 106 und die Pfeile 136 einen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen des Stators 106 über Kühl- und/oder Schmiermittelnuten 139 am Statoraußenumfang. Dabei wird insbesondere wenigstens ein Teilstrom des Kühl- und/oder Schmiermittelumlaufs, insbesondere Ölumlaufs, 132 durch die erste Kupplungseinrichtung 304 als Kühlmittelstrom 111 in den wenigstens einen Kühlmittelkanal 123 der Rotorinnenkühleinrichtung 110 geleitet. Das Übersetzungsgetriebe 113 wird unmittelbar aus dem Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum, 130 gekühlt und/oder geschmiert. Der Pfeil 137 symbolisiert einen Kühl- und/oder Schmiermittelrücklauf, insbesondere Ölrücklauf, zum Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum, 130. Bevorzugt ist insbesondere die erste Eingangswelle 312 für den Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, 132 und 133 mit einer Bohrung in der Art einer Hohlwelle ausgebildet.
Mit den vorbeschriebenen Kühl- und/oder Schmiermittelumläufen ist es auch bei einer hohen Leistungsdichte in der beschriebenen Hybridantriebseinrichtung möglich, die thermische Belastung der einzelnen Elemente und/oder Baugruppen gering zu halten. Beispielsweise wird als Kühl- und/oder Schmiermittel ein sogenanntes ATF – „Automatic Transmission Fluid“ – eingesetzt, das mit Temperaturen bis maximal 150°C belastbar ist. Es ergibt sich, dass im Betrieb einer erfindungsgemäß ausgebildeten Hybridantriebseinrichtung je nach Betriebsbedingungen für insbesondere den Rotor 105 und die Kupplungseinrichtungen 304, 309, 310 eine Kühl- und/oder Schmiermitteltemperatur von ca. 90°C eingehalten werden kann, d.h. nicht überschritten wird. Dabei wird eine sehr wirksame Kühlung insbesondere des Rotors 105 erzielt, der ohne die beschriebenen Maßnahmen zur Kühlung sehr viel höhere Temperaturen entwickeln würde. Damit ist durch die Erfindung ein zuverlässiger, stabiler und sicherer Betrieb möglich.
In 5 ist ein grob schematisches Schaltbild eines Beispiels für die Schaltungsanordnung 108 zum Speisen der Asynchronmaschine 104 mit einer Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung dargestellt, wie sie in dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 100 zum Einsatz kommt. 4 zeigt dazu eine grob schematische Darstellung eines Ausschnitts eines in an sich bekannter Weise ausgeführten Wickelschemas für ein Beispiel einer Wellenwicklung zur Verdeutlichung eines möglichen Aufbaus der Wellenwicklung 107. Ein derartiges Wickelschema ist z.B. bekannt aus der Monographie von Müller/Ponick: „Berechnung Elektrischer Maschinen“. Dabei sind die Leiter der Wellenwicklung stets in Umlaufrichtung des Rotors von einer Statornut zu einer nächsten Statornut ohne Rücksprung wie bei einer Schleifenwicklung geführt, wodurch insbesondere sehr raumsparende Wickelköpfe erzielbar sind. Bei der Wellenwicklung nach 4 sind die Statornuten mit 1, 2, 3, ... durchnummeriert und ist z.B. ein Leiter nacheinander in eine erste, siebte, dreizehnte usw. Statornut gelegt.
Die Schaltungsanordnung 108 ist ausgestaltet zum Speisen der Asynchronmaschine 104 und dabei als Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung der Asynchronmaschine 104 ausgebildet. Die Asynchronmaschine 104 bildet ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem, hier insbesondere ein Dreiphasensystem. Dabei ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Wellenwicklung 107 des Stators 106, die mit der Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung verbunden ist, mit offenen Wicklungen ausgestaltet, deren Anschlüsse die ersten U, V, W und zweiten X, Y, Z Anschlüsse der Asynchronmaschine 104 bilden. In 2 und 3 sind die ersten U, V, W und zweiten X, Y, Z Anschlüsse der Asynchronmaschine 104 zu der Mehrfachleitung 109 zusammengefasst. Eine im Wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichtete, nicht dargestellte Energiequelle, gebildet bevorzugt durch eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, eine Brennstoffzelle oder dergleichen, ist mit Anschlüssen P und N verbindbar. Die Schaltungsanordnung 108 erzeugt aus der ersten Gleichspannung eine die vorgegebene Phasenzahl aufweisende Mehrphasenspannung und speist damit die Asynchronmaschine 104 an deren ersten U, V, W und zweiten X, Y, Z Anschlüssen. Dazu umfasst die Schaltungsanordnung 108 eine erste Umrichterstufe aus Halbleiterschaltern Q11, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16, hier Transistoren mit Rückschlagdioden, zum Speisen der mit der vorgegebenen Phasenzahl, hier der Phasenzahl 3, übereinstimmenden Anzahl der ersten Anschlüsse U, V, W der Asynchronmaschine 104 aus der Energiequelle. Ferner ist eine zweite Umrichterstufe aus Halbleiterschaltern Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26, hier ebenfalls Transistoren mit Rückschlagdioden, vorgesehen zum Speisen der mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse X, Y, Z der Asynchronmaschine 104 mit einer zweiten Gleichspannung. Diese zweite Gleichspannung kann aus einer zweiten, unabhängigen Energiequelle gewonnen werden. Bevorzugt sind jedoch im Ausführungsbeispiel nach 5 zwei Schalterelemente V1, V2 vorgesehen zum wahlweisen Gewinnen der zweiten Gleichspannung aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle an den Anschlüssen P, N und zum Liefern dieser aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle gewonnenen zweiten Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26. Dabei sind die erste Q11, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16 und die zweite Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26 Umrichterstufe dazu eingerichtet, zum Speisen der Asynchronmaschine 104 die ersten U, V, W und zweiten X, Y, Z Anschlüsse der Asynchronmaschine 104 wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung zu verbinden.
Die Erfindung ermöglicht den Aufbau einer kompakten und leistungsfähigen Hybridantriebseinrichtung 101, die aufgrund ihrer gedrungenen Bauform sehr flexibel einsetzbar ist. Insbesondere ist eine Einbaulage längs oder quer in einem Fahrzeug 102 möglich, d.h. mit einer Lage der Rotationsachse 114 in Längs- oder Querrichtung des Fahrzeugs 102, ohne dass damit verbundene Bauraumeinschränkungen für die Hybridantriebseinrichtung 101 merkliche Einschränkungen der Leistungsfähigkeit der Hybridantriebseinrichtung 101 erzwingen.
Bezugszeichenliste

100: Elektrische Antriebseinheit
101: Hybridantriebseinrichtung
102: Kraftfahrzeug
103: Antriebsstrang
104: Asynchronmaschine
105: Rotor von 104
106: Stator von 104
107: Wellenwicklung von 104
108: Schaltungsanordnung zum Speisen von 104
109: Mehrfachleitung zum Speisen von 107 aus 108
110: Rotorinnenkühleinrichtung
111: Pfeile, symbolisieren Kühlmittelstrom in 110
112: Abtriebselement von 100
113: Übersetzungsgetriebe
114: Rotationsachse
115: Eingangsnabe
116: Lagerbereich von 112
117: Lager
118: Antriebsgehäuse
119: Kupplungsträgerbereich von 112
120: Rotorträger von 105
121: Tragbereich von 120
122: Magnetanordnung von 105
123: Kühlmittelkanal
124: Lagerbereich von 120
125: Lager
126: Sonnenrad von 113
127: Hohlrad von 113
128: Umlaufrad von 113
129: Umlaufradachse von 113
130: Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum
131: Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, für 308
132: Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, für 304
133: Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, für 117
134: Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, für 125, 138
135: Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, für Wickelköpfe von 107
136: Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, für 139 von 106
137: Pfeil: Kühl- und/oder Schmiermittelrücklauf, insbesondere Ölrücklauf, zu 130
138: Luftspalt
139: Kühl- und/oder Schmiermittelnuten von 106
300: Antriebsstrang
301: Hybridantriebseinrichtung
302: Elektrische Antriebseinheit (Stand der Technik)
303: Verbrennungsmotor
304: Erste Kupplungseinrichtung
305: Abtriebselement von 302
306: Stator von 302
307: Rotor von 302
308: Doppelkupplung
309: Zweite Kupplungseinrichtung von 308
310: Dritte Kupplungseinrichtung von 308
311: Doppelkupplungsgetriebe
312: Erste Eingangswelle
313: Zweite Eingangswelle
314: Ausgangswelle
315: Differentialgetriebe
316: Antriebsräder
N: Anschluss von 108
P: Anschluss von 108
Q11: Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q12: Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q13: Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q14: Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q15: Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q16: Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q21: Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q22: Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q23: Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q24: Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q25: Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q26: Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
V1: Schalterelement
V2: Schalterelement
U: Erster Anschluss von 104
V: Erster Anschluss von 104
W: Erster Anschluss von 104
X: Zweiter Anschluss von 104
Y: Zweiter Anschluss von 104
Z: Zweiter Anschluss von 104

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10349558 A1 [0002, 0003]
DE 102013006857 [0017]
DE 102014217269 [0019]

Claims

Elektrische Antriebseinheit (100), insbesondere für ein Fahrzeug (102) mit Elektro- oder Hybridantrieb, mit einem Abtriebselement (112) zum Abgeben in der elektrischen Antriebseinheit erzeugter mechanischer Energie, umfassend eine Kombination folgender Merkmale: • die Antriebseinheit ist mit einer Asynchronmaschine (104) mit einem einen Läuferkäfig, insbesondere einen mit Kupferleitern ausgebildeten Läuferkäfig, aufweisenden Rotor (105) ausgebildet; • die Asynchronmaschine (104) ist mit einem mit einer Wellenwicklung (107) ausgestatteten Stator (106) ausgebildet; • die Wellenwicklung (107) ist mit einer Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung ausgebildet; • der Rotor (105) ist mit einer Rotorinnenkühleinrichtung (110) ausgebildet; • in einem Kraftfluss zwischen dem Rotor (105) und dem Abtriebselement (112) ist ein Übersetzungsgetriebe (113) angeordnet.
Elektrische Antriebseinheit (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (113) mit einem Planetengetriebe ausgebildet ist.
Elektrische Antriebseinheit (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe für einen Zweiwellenbetrieb mit Umlaufübersetzung ausgebildet ist, wobei das Planetengetriebe eine Übersetzung von insbesondere 1:1,5 bis 1:2 aufweist.
Elektrische Antriebseinheit (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (113) in und/oder nahe einem Kühl- und/oder Schmiermittelraum (130) für wenigstens den Rotor (105) angeordnet ist.
Elektrische Antriebseinheit (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (105) einen Rotorträger (120) mit einem sich im wesentlichen in axialer und in Umfangsrichtung des Rotors (105) erstreckenden Tragbereich (121) und eine auf dem Tragbereich (121) angeordnete, mit einem Blechpaket und dem Läuferkäfig ausgebildete Magnetanordnung (122) aufweist, und wobei der Rotor (105) mindestens einen zumindest teilweise zwischen der Magnetanordnung (122) und dem Rotorträger (120) vorgesehenen und/oder ausgebildeten, von der Rotorinnenkühleinrichtung (110) umfassten Kühlmittelkanal (123) aufweist.
Elektrische Antriebseinheit (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der wenigstens eine Kühlmittelkanal (123) der Rotorinnenkühleinrichtung (110) von einem zum Kühlen und/oder Schmieren wenigstens des Rotors (105) bestimmten Kühl- und/oder Schmiermittel durchströmbar ausgebildet ist.
Elektrische Antriebseinheit (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausbilden der Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung die Asynchronmaschine (104) ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem mit offenen Wicklungen bildet und eine Schaltungsanordnung (108) zum Speisen der Asynchronmaschine (104) aus einer im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichteten Energiequelle mit einer die vorgegebene Phasenzahl aufweisenden Mehrphasenspannung vorgesehen ist, umfassend eine erste Umrichterstufe (Q11, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16) zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl erster Anschlüsse (U, V, W) der Asynchronmaschine (104) aus der Energiequelle und eine zweite Umrichterstufe (Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26) zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse (X, Y, Z) der Asynchronmaschine (104) aus der Energiequelle über wenigstens ein Schalterelement (V1, V2) zum wahlweisen Gewinnen der zweiten Gleichspannung aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle und zum Liefern dieser aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle gewonnenen zweiten Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe (Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26), wobei die erste (Q11, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16) und die zweite (Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26) Umrichterstufe dazu eingerichtet sind, zum Speisen der Asynchronmaschine (104) die ersten (U, V, W) und zweiten (X, Y, Z) Anschlüsse der Asynchronmaschine (104) wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung zu verbinden.
Hybridantriebseinrichtung (101), gekennzeichnet durch wenigstens eine elektrische Antriebseinheit (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wenigstens einen Verbrennungsmotor (303) und wenigstens eine Kupplungseinrichtung (304; 309; 310) zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen eines Kraftflusses zwischen dem Verbrennungsmotor (303) und dem Abtriebselement (112) der wenigstens einen elektrischen Antriebseinheit (100).
Fahrzeug (102), gekennzeichnet durch eine elektrische Antriebseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eine Hybridantriebseinrichtung (101) nach Anspruch 8.