DE102015211644A1

DE102015211644A1 - Verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit einer Antriebsordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015211644A1
Application number: DE102015211644.1A
Authority: DE
Inventors: Hubert Herrmann; Martin Reuter; Peter Streng
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2016-12-29
Also published as: US20180123421A1; CN107431415A; US10305347B2; CN107431415B; WO2016206887A1

Abstract

Die Erfindung offenbart eine Antriebsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit – einer elektrischen Maschine, die dazu ausgebildet ist, das Fahrzeug zu beschleunigen, wobei die elektrische Maschine einen Rotor aufweist, der innerhalb eines Stators mit Statorwicklungen angeordnet ist und der auf einer Rotorwelle angeordnet ist; – einer Antriebswelle, die mit einem Antriebsrad des Fahrzeuges gekoppelt ist; und – einer Wellenkupplung, die das von der Rotorwelle abgegebene Drehmoment überträgt, so dass es zur Antriebswelle geleitet werden kann, wobei die Wellenkupplung ein Drehmomentaufnahmeelement, das das von der elektrischen Maschine abgegebene Drehmoment aufnimmt, und ein Drehmomentabgabeelement aufweist, das mit dem Drehmomentaufnahmeelement mechanisch gekoppelt ist und das Drehmoment in Richtung Antriebswelle abgibt; wobei zwischen dem Drehmomentaufnahmeelement und dem Drehmomentabgabeelement am elektrisch isolierendes Fett angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Antriebsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bei der Störungen reduziert werden, die von einer elektrischen Maschine über Wellen zum Antrieb des Kraftfahrzeuges abgestrahlt werden.
Im Stand der Technik sind elektrische Maschinen zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges bekannt, beispielsweise bei Fahrzeugen mit einem so genannten Hybrid-Antrieb, der eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine aufweist, und vollständig elektrisch angetriebene Fahrzeuge, die lediglich von einer elektrischen Maschine angetrieben werden. Eine elektrische Maschine umfasst typischerweise einen Stator mit einer Mehrzahl Statorwicklungen. Der Rotor kann Permanentmagnete, elektrisch erregte Magnete oder einen Käfig aufweisen.
Die Statorwicklungen werden üblicherweise von einem Wechselrichter angesteuert. Der Wechselrichter erzeugt keinen idealen Signalverlauf, sondern einen Signalverlauf mit Sprüngen und Störspitzen. Derartige Sprünge und Störspitzen verursachen in der elektrischen Maschine so genannte Wellenströme bzw. Wellenspannungen. Diese Wellenströme können sich durch das Getriebe auf die Antriebswellen ausbreiten, wovon Störfelder abgegeben werden. Es versteht sich, dass derartige Störfelder unerwünscht sind.
Die DE 11 2010 004 938 T5 offenbart einen Nachrüstsatz zum Erden einer Welle mit einem leitenden Ringglied und einer zylindrischen Feder mit einem Durchmesser, der der Gleiche ist wie jener des leitenden Ringgliedes. Die Federkonstante der zylindrischen Feder ist derart, dass die Feder das leitende Ringglied innerhalb des Gehäuses in Kontakt mit der Welle und dem Gehäuse hält.
Die DE 35 11 755 A1 offenbart eine Anordnung zum Ableiten von Wellenspannungen, wobei auf der Wellenseite der elektrodynamischen Maschine, auf der die Lager durch Isolierstrecken gegen Erde, Masse und Fundament galvanisch getrennt sind, ein Strompfad mit einer Kontaktvorrichtung mit mindestens einem Gleitkontakt und einer dazu in Serie geschalteten Kapazität zwischen der Welle und der Maschinenmasse bzw. Erde vorgesehen ist.
Die DE 60 2004 011 867 T2 offenbart die Reduzierung von Wellenspannungen und Wellenströmen durch leitendes Lagerfett, Isolieren der Lager und Verwendung von Kupfer-Phosphor-Bürsten und einer Faraday-Abschirmung. Ferner kann ein ringförmiger Rahmen in einem ringförmigen Kanal mit mehreren elektrisch leitenden Fäden verwendet werden, um in Anwesenheit eines elektrischen Feldes eine Ionisierung zu reduzieren.
Die DE 10 2013 200 356 A1 offenbart ein Lagersystem für eine Windkraftanlage mit einem Isolierring zum elektrischen Isolieren eines Lagerrings von einem Windkraftanlagenelement.
Die Lehren des Standes der Technik sind nicht ausreichend, um die elektromagnetische Verträglichkeit euer Antriebsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug zu gewährleisten.
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine Antriebsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug zu schaffen, die eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Antriebsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.
Eine Antriebsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine, die dazu ausgebildet ist, das Fahrzeug zu beschleunigen oder zu verzögern, wobei die elektrische Maschine einen Rotor aufweist, der innerhalb eines Stators mit Statorwicklungen angeordnet ist und der auf einer Rotorwelle angeordnet ist. Die Antriebsanordnung umfasst ferner eine Antriebswelle, die mit einem Antriebsrad des Fahrzeuges gekoppelt ist. Die Antriebsanordnung umfasst ferner eine Wellenkupplung, die das von der Rotorwelle abgegebene Drehmoment überträgt, so dass es zur Antriebswelle geleitet werden kann, wobei die Wellenkupplung ein Drehmomentaufnahmeelement, das das von der elektrischen Maschine abgegebene Drehmoment aufnimmt, und ein Drehmomentabgabeelement aufweist, das mit dem Drehmomentaufnahmeelement mechanisch gekoppelt ist und das Drehmoment in Richtung Antriebswelle abgibt. Zwischen dem Drehmomentaufnahmeelement und dem Drehmomentabgabeelement ist ein elektrisch isolierendes Fett angeordnet.
Das elektrisch isolierende Fett bewirkt, dass sich die Wellenspannung bzw. der Wellenstrom nicht über die Wellenkupplung weiterausbreiten können und somit die elektromagnetische Verträglichkeit der Antriebsanordnung erhöht wird. Die Wellenströme und Wellenspannungen werden nicht in das Getriebe und nicht in die Antriebswelle des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges geleitet.
Es nicht erforderlich, dass das Drehmomentaufnahmeelement direkt mit der Rotorwelle gekoppelt ist. Es ist auch nicht erforderlich, dass das Drehmomentabgabeelement direkt mit der Antriebswelle gekoppelt ist.
Das Drehmomentaufnahmeelement und das Drehmomentabgabeelement können formschlüssig miteinander verbunden sein. Das isolierende Fett kann an der formschlüssigen Verbindung angeordnet sein.
Das Drehmomentaufnahmeelement und das Drehmomentabgabeelement können eine Wellen-Naben-Schnittstelle bilden. Das Drehmomentaufnahmeelement kann eine Zahnwelle und das Drehmomentabgabeelement kann eine Nabe mit einem geräumten Innenprofil sein. Alternativ hierzu kann das Drehmomentaufnahmeelement eine Nabe mit einem geräumten Innenprofil und das Drehmomentabgabeelement eine Zahnwelle sein.
Das elektrisch isolierende Fett kann Partikel eines elektrisch isolierenden Feststoffes aufweisen. Das elektrisch isolierende Fett kann Polytetrafluorethylen-Partikel, Polytetrafluorethylen-Flocken oder dergleichen aufweisen. Polytetrafluorethylen ist auch unter dem Markennamen Teflon bekannt. Durch die Beimischungen von Polytetrafluorethylen als Additive zum Fett wird eine isolierende Wirkung erreicht, da sich die Polytetrafluorethylen-Partikel an den Drehmomentaufnahmeelement und Drehmomentabgabeelement ablagern können.
Bevorzugt sind Partikel, Flocken bzw. Additive, die einen isolierenden Film zwischen und/oder an dem Drehmomentaufnahmeelement und dem Drehmomentabgabeelement bilden. Der isolierende Film kann beispielsweise aufgrund der mechanischen Kräfte entstehen, die auf das Fett sowie die Partikel, die Hocken bzw. die Additive wirken.
An dem Drehmomentaufnahmeelement und an dem Drehmomentabgabeelement muss ein Schmierfett angeordnet sein, um eine Korrosion zu verhindern. Durch die Beimischung der Additive zum Fett wird sowohl ein guter Korrosionsschutz als auch eine gute elektrische Isolation erreicht.
Das zwischen dem Drehmomentaufnahmeelement und dem Drehmomentabgabeelement angeordnete elektrisch isolierende Fett kann einen Übergangswiderstand zwischen dem Drehmomentaufnahmeelement und dem Drehmomentabgabeelement von zumindest 10 kΩ, vorzugsweise von zumindest 100 kΩ, meist bevorzugt von zumindest 1 MΩ bewirken. Bei einem Übergangswiderstand von etwa 1 MΩ verbessert sich die elektromagnetische Verträglichkeit der Antriebsanordnung etwa um den Faktor 10, was einer Dämpfung von etwa 20 dB entspricht.
Das Drehmomentaufnahmeelement kann integral mit der Rotorwelle ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Rotorwelle an einem Ende ein Zahnwellenprofil oder ein Nabenprofil mit einem geräumten Innenprofil aufweisen. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die elektrische Isolation der Wellenströme bzw. Wellenspannungen sehr nahe an der elektrischen Maschine. Die Rotorwelle kann durch ein Getriebe mit der Antriebswelle gekoppelt sein. Das Drehmomentabgabeelement kann integral mit einer Getriebewelle ausgebildet sein. Diese Ausführungsform bewirkt, dass die Antriebsanordnung einerseits kompakt ist und andererseits die Wellenströme bzw. Wellenspannungen nahe an der elektrischen Maschine isoliert werden.
Die Erfindung wird nun mittels einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter und nicht beschränkend beschrieben, wobei
1 ein Ersatzschaltbild einer Antriebsanordnung zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges zeigt;
2a einen Querschnitt durch eine Wellenkupplung zeigt; und
2b einen Längsschnitt durch eine Rotorwelle und eine Getriebewelle im Bereich der Wellenkupplung zeigt.
Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht einer Antriebsanordnung 1 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges zeigt, in der auch ein elektrisches Ersatzschaltbild für die elektromagnetische Verträglichkeit sowie für die Wellenspannungen und Wellenströme dargestellt ist.
Ein Wechselrichter 2 ist in einem Wechselrichtergehäuse 6 angeordnet. Der Wechselrichter 2 erzeugt einen dreiphasigen Wechselstrom aus der Gleichspannung eines Traktionsakkumulators (nicht gezeigt). Der dreiphasige Wechselstrom umfasst Harmonische und Impulse (so genannte Ripples). Der dreiphasige Wechselstrom wird über eine dreiphasige Leitung 4 an eine elektrische Maschine 10 geleitet.
Die elektrische Maschine 10 weist drei Statorwicklungen 8 auf. Das von den Statorwicklungen 8 erzeugte magnetisches Drehfeld bewirkt, dass auf Magneten 11 auf der Rotorwelle 14 eine Kraft wirkt, die wiederum ein Drehen der Rotorwelle 14 bewirkt. Die Rotorwelle ist über eine Wellen-Naben-Schnittstelle 100 mit der Eingangswelle 18 eines Getriebes 30 mit einer Mehrzahl kämmender Zahnräder 20, 22 gekoppelt, die das Drehmoment der Rotorwelle 14 an eine Antriebswelle 24 übertragen. An der Antriebswelle 26 sind eine Bremsscheibe 26 und ein Rad 29 angeordnet.
Im Folgenden wird das elektrische Ersatzschaltbild beschrieben, sofern es die elektromagnetische Verträglichkeit der Antriebsanordnung 1 betrifft. Ein Masseband 12 zwischen der elektrischen Maschine und dem Gehäuse des Wechselrichters 6 wirkt als Masseinduktivität L_GND. Die dreiphasige Leitung 4 und/oder die Statorwicklungen 8 weisen eine erste parasitäre Kapazität 16 zur Rotorwelle 14 auf. Die Rotorwicklungen 8 weisen eine zweite parasitäre Kapazität 9 zum Gehäuse der elektrischen Maschine 10 auf. Ferner weist die Bremsscheibe 26 eine dritte parasitäre Kapazität 27 zur Karosserie 28, beispielsweise über die Bremsklötze auf. Das Öl im Getriebe 32 erzeugt einen parasitären Widerstand 32.
Im Folgenden werden beispielhaft Wellenströme bzw. Wellenspannungen beschrieben, sofern sie zur Betrachtung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Antriebsanordnung 1 wesentlich sind. Ein erster Wellenstrom 50 fließt von dem Wechselrichter 2 über die dreiphasige Leitung 4, die ersten parasitären Kapazitäten 16, die Rotorwelle 14, die Eingangswelle 18 des Getriebes 30, über die Zahnräder 20, 22 des Getriebes 30 zur Antriebswelle 24. Dadurch wird an die Antriebswelle 24 eine Wellenspannung angelegt, die eine Wechselspannung ist, so dass die Antriebswelle als Antenne wirkt und ein Störsignal emittiert. Der erste Wellenstrom 50 kann über die Bremsscheiben und die dritte parasitäre Kapazität 27 zur Karosserie 28 fließen.
Ein zweiter parasitärer Wellenstrom 52 fließt vom Wechselrichter 2 über die dreiphasige Leitung 4, die ersten parasitären Kapazitäten 16, die Rotorwelle 14, die Wellen-Naben-Schnittstelle 100, die Getriebeeingangswelle 18, zumindest ein Zahnrad 20, 22 und den parasitären Getriebeölwiderstand 32 zum Gehäuse des Getriebes 30, von wo er über das Gehäuse der elektrischen Maschine 10, an der EMV-Dichtung 7 vorbei, über das Gehäuse 6 des Wechselrichters zum Wechselrichter 2 zurückfließt.
Ein dritter parasitärer Wellenstrom 54 fließt vom Wechselrichter 2 über die dreiphasige Leitung 4, die ersten parasitären Kapazitäten 16, die Rotorwelle 14, die Wellen-Naben-Schnittstelle 100, die Eingangswelle 18 des Getriebes 30 und über den parasitären Widerstand 32 des Getriebeöl zum Gehäuse des Getriebes 30. Vom Gehäuse des Getriebes 30 fließt der dritte parasitäre Wellenstrom 54 zum Gehäuse der elektrischen Maschine 2 und über das Masseband 12, das eine parasitäre Induktivität bildet, zum Gehäuse 6 des Wechselrichters 2 und schließlich zum Wechselrichter 2.
Ein vierter parasitärer Wellenstrom 56 fließt vom Wechselrichter 2 über die dreiphasige Leitung 4, die Statorwicklungen 8 und die zweite parasitäre Kapazität 9 zum Gehäuse der elektrischen Maschine 10, von wo aus der vierte parasitäre Wellenstrom an der EMV-Dichtung 7 vorbei zum Gehäuse 6 des Wechselrichters 2 und schließlich zum Wechselrichter 2 fließt.
Es wird auf 2a und 2b Bezug genommen, wobei 2a einen Querschnitt durch die Wellen-Naben-Schnittstelle 100 und 2b einen Längsschnitt durch die Wellen-Naben-Schnittstelle 100 zeigt. Die Rotorwelle 14 umfasst eine Mehrzahl sich radial erstreckende Zähne 102. Die Eingangswelle 18 des Getriebes 30 umfasst eine Nabe 110 mit einer Mehrzahl Ausnehmungen 106, die sich in radialer Richtung erstrecken. Die Zähne 102 der Rotorwelle 14 sind innerhalb der Ausnehmungen 106 der Nabe 110 angeordnet, die an der Eingangswelle 18 des Getriebes 30 angebracht ist. Die Wellen-Naben-Schnittstelle 100, die eine Wellenkupplung bildet, umfasst auch ein Gehäuse 108, das aus Kunststoff hergestellt sein kann.
Zwischen den Zähnen 102 und den Ausnehmungen 106 befindet sich ein Fettfilm 104. Dieser Fettfilm ist erforderlich, um eine Korrosion der Zähne 102 und der Ausnehmungen 104 zu verhindern.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass der erste Wellenstrom 50, der zweite Wellenstrom 52 und der dritte Wellenstrom 54 deutlich abgeschwächt werden können, falls ein elektrisch isolierendes Fett 104 in der Wellen-Naben-Schnittstelle 100 verwendet wird. Das isolierende Fett 104 kann beispielsweise Polytetrafluorethylen-Partikel und/oder Polytetrafluorethylen-Flocken aufweisen. Polytetrafluorethylen ist auch als Teflon bekannt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die Wellenströme durch Verwendung des isolierenden Fetts 104 um den Faktor 10 reduziert werden können, was einer Dämpfung von etwa 20 dB, bei beispielsweise 25 MHz, entspricht.
Die Polytetrafluorethylen-Partikel und/oder die Polytetrafluorethylen-Flocken werden dem isolierenden Fett 104 als Additiv beigemischt. Sie bilden eine isolierende Polytetrafluorethylenschicht, die beispielsweise am Übergang von den Zähnen 102 zu den Ausnehmungen 104 entsteht. Im Gegensatz hierzu lässt ein herkömmliches Fett an Oberflächenrauigkeiten eines Zahns 102 und/oder einer Ausnehmung 106 eine leitfähige Kontaktstelle zu.
Das isolierende Fett 104 schafft eine Wellen-Naben-Schnittstelle 100 mit einem Übergangswiderstand von zumindest 10 kΩ, vorzugsweise zumindest 100 kΩ, meist bevorzugt von zumindest 1 MΩ. Durch diesen Übergangswiderstand können Wellenströme um den Faktor 10 reduziert bzw. um 20 dB gedämpft werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112010004938 T5 [0004]
DE 3511755 A1 [0005]
DE 602004011867 T2 [0006]
DE 102013200356 A1 [0007]

Claims

Antriebsanordnung (1) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit – einer elektrischen Maschine (10), die dazu ausgebildet ist, das Fahrzeug zu beschleunigen, wobei die elektrische Maschine (10) einen Rotor (11) aufweist, der innerhalb eines Stators mit Statorwicklungen (8) angeordnet ist und der auf einer Rotorwelle (14) angeordnet ist; – einer Antriebswelle (24), die mit einem Antriebsrad (29) des Fahrzeuges gekoppelt ist; und – einer Wellenkupplung (100), die das von der Rotorwelle (14) abgegebene Drehmoment überträgt, so dass es zur Antriebswelle (24) geleitet werden kann, wobei die Wellenkupplung (100) ein Drehmomentaufnahmeelement (102), das das von der elektrischen Maschine (10) abgegebene Drehmoment aufnimmt, und ein Drehmomentabgabeelement (106) aufweist, das mit dem Drehmomentaufnahmeelement (102) mechanisch gekoppelt ist und das Drehmoment in Richtung Antriebswelle (24) abgibt; wobei zwischen dem Drehmomentaufnahmeelement (102) und dem Drehmomentabgabeelement (106) ein elektrisch isolierendes Fett (104) angeordnet ist.
Antriebsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmomentaufnahmeelement (102) und das Drehmomentabgabeelement (106) formschlüssig miteinander verbunden sind.
Antriebsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmomentaufnahmeelement (102) und das Drehmomentabgabeelement (106) eine Wellen-Naben-Schnittstelle (100) bilden.
Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmomentaufnahmeelement (102) eine Zahnwelle und das Drehmomentabgabeelement (104) eine Nabe mit einem geräumten Innenprofil oder das Drehmomentaufnahmeelement eine Nabe mit einem geräumten Innenprofil und des Drehmomentabgabeelement eine Zahnwelle ist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Fett (104) Partikel eines isolierenden Feststoffes (105) aufweist,
Antriebsanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Fett (104) zumindest eines von folgendem aufweist: – Polytetrafluorethylen-Partikel (105); – Polytetrafluorethylen-Flocken (105).
Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Drehmomentaufnahmeelement (102) und dem Drehmomentabgabeelement (104) angeordnete elektrisch isolierende Fett (104) einen Übergangswiderstand zwischen dem Drehmomentaufnahmeelement (102) und dem Drehmomentabgabeelement (104) von zumindest 10 kΩ, vorzugsweise von zumindest 100 kΩ, meist bevorzugt von zumindest 1 MΩ, aufweist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmomentaufnahmeelement (102) integral mit der Rotorwelle (14) ausgebildet ist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Getriebe (30) das mit der Rotorwelle (14) und der Antriebswelle (24) gekoppelt ist.
Antriebsanordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmomentabgabeelement (106) integral mit eine Getriebewelle (18) ausgebildet ist.