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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer eine Rotorwelle umfassenden elektrischen Maschine und einem schrägverzahnten Getriebeabschnitt, wobei der Getriebeabschnitt dreh- und axialfest mit der Rotorwelle gekoppelt ist.
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Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Antriebseinheit.
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Derartige Antriebseinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie kommen beispielsweise in Fahrantriebseinheiten von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Ebenso werden solche Antriebseinheiten für zahlreiche andere Anwendungen in Kraftfahrzeugen genutzt, z. B. zum Antrieb von Pumpen oder Kompressoren.
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Unter einem Kraftfahrzeug ist dabei insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen zu verstehen.
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Schrägverzahnte Getriebeabschnitte werden dabei gerade verzahnten Getriebeabschnitten vorgezogen, da diese geräuschärmer arbeiten. Allerdings erzeugen schrägverzahnte Getriebeabschnitte im Betrieb eine Axialkraft, die im Wesentlichen proportional zum übertragenen Drehmoment ist und durch ein Axiallager abgestützt werden muss. Insbesondere, wenn die Antriebseinheit in einem Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs genutzt wird, können die Axialkräfte verhältnismäßig groß sein.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, Antriebseinheiten der eingangs genannten Art weiter zu verbessern. Insbesondere sollen dabei Antriebseinheiten geschaffen werden, mit denen hohe Drehmomente erzeugt und übertragen werden können.
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Die Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art gelöst, bei der die elektrische Maschine eine Axialflussmaschine ist und derart relativ zum Getriebeabschnitt angeordnet ist, dass im Betrieb der Antriebseinheit in einer primären Rotationsrichtung eine von der Schrägverzahnung des Getriebeabschnitts ausgehende Axialkraft und eine von der Axialflussmaschine ausgehende Axialkraft in entgegengesetzte Richtungen wirken. Unter der primären Rotationsrichtung wird dabei bei Antriebseinheiten, die in zwei Richtungen drehen können, die hauptsächlich genutzte Rotationsrichtung verstanden. Üblicherweise werden solche Antriebseinheiten nur in Ausnahme- oder Fehlerfällen in eine der primären Rotationsrichtung entgegengesetzten sekundären Rotationsrichtung bewegt. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein elektrischer Motor. Die Axialflussmaschine dient also dem Antrieb der Rotorwelle. Wenn die elektrische Maschine ein elektrischer Generator ist, wird sie von der Rotorwelle angetrieben. Die genannte Axialkraft ist bei einer Axialflussmaschine prinzipbedingt. Durch die entgegengesetzten Wirkrichtungen der Axialkräfte kompensieren diese sich zumindest teilweise in ihrer Wirkung. Dadurch kann die Antriebseinheit unter Beibehaltung des generierbaren und übertragbaren Drehmoments im Vergleich zu bekannten Antriebseinheiten mit einem deutlich kleineren Axiallager ausgestattet werden. Alternativ können für Antriebseinheiten, deren maximales Drehmoment durch die Tragfähigkeit des Axiallagers begrenzt war, durch die Erfindung höhere Drehmomente zugelassen werden. Dabei entsteht die von der Axialflussmaschine ausgehende Axialkraft selbstverständlich nur, wenn diese bestromt ist. Im Stillstand ist die Axialkraft im Übrigen auch gar nicht notwendig. Insgesamt können also mit konventionellen Lagern elektrische Maschinen geschaffen werden, die größere Drehmomente erzeugen und/oder mit größeren Drehzahlen betrieben werden können.
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Vorzugsweise ist die elektrische Maschine ein Elektromotor.
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Dabei kann der Getriebeabschnitt ein verzahnter Abschnitt der Rotorwelle, ein Zahnrad oder eine Schnecke sein. Die Schnecke ist dabei als das kleinere Zahnrad eines Schneckenradgetriebes zu verstehen. Der Getriebeabschnitt entspricht also in seiner Gestaltung gängigen Getriebeabschnitten von Antriebseinheiten. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit verfügt somit über eine universell einsetzbare Schnittstelle. Sie kann daher aufwandsarm für zahlreiche Antriebsaufgaben genutzt werden.
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Bevorzugt sind die elektrische Maschine und der Getriebeabschnitt derart aufeinander abgestimmt, dass die vom Getriebeabschnitt ausgehende Axialkraft und die von der Axialflussmaschine ausgehenden Axialkraft betragsmäßig um maximal 10% voneinander abweichen, insbesondere im Wesentlichen gleich groß sind. In der Konsequenz heben sich die Axialkräfte im Wesentlichen gegenseitig auf. Die Antriebseinheit kann somit auch mit einer verhältnismäßig einfachen Axiallagerung sicher betrieben werden und große Drehmomente erzeugen. Den Axialkräften liegen dabei die folgenden Zusammenhänge zugrunde. Die Axialkraft aus der Schrägverzahnung ist im Wesentlichen zum übertragenen Drehmoment proportional. Die Axialkraft aus der Axialflussmaschine steigt hingegen im Wesentlichen proportional zum Strom in ihrem Stator. Gleichzeitig ist ein erzeugtes Drehmoment im Wesentlichen proportional zum Statorstrom. Dadurch kann die Antriebseinheit besonders einfach aufgebaut sein und trotzdem große Drehmomente generieren und übertragen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zusätzlich eine elektrische Radialflussmaschine mit einer Radialflussmaschinenrotorwelle vorgesehen, wobei die Radialflussmaschinenrotorwelle mit der Rotorwelle der Axialflussmaschine identisch oder wirkverbunden ist. Auch die Radialflussmaschine dient dem Antrieb der Rotorwelle. Eine Radialflussmaschine entspricht dabei einem konventionellen Elektromotor oder elektrischen Generator. Vorzugsweise liegt hier ein Elektromotor vor. Die Rotorwelle wird also gleichzeitig von der Axialflussmaschine und der Radialflussmaschine angetrieben. Es lässt sich somit ein gutes Verhältnis zwischen der Baugröße der Antriebseinheit und dem erzeugbaren Drehmoment erreichen. Gewissermaßen werden dabei die Vorteile der Radialflussmaschine und der Axialflussmaschine kombiniert.
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Dabei kann bzw. können eine Stator- und/oder eine Rotorwicklung der Radialflussmaschine mit einer Stator- bzw. einer Rotorwicklung der Axialflussmaschine elektrisch gekoppelt sein. Insbesondere sind die Wicklungen elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch wird die Steuerung der Antriebseinheit besonders einfach, da die Radialflussmaschine und die Axialflussmaschine von einer einzigen Steuereinheit gesteuert werden können. Auch lässt sich eine solche Antriebseinheit leicht herstellen, da die Rotor- und Statorwicklungen jeweils in einem Fertigungsschritt hergestellt werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung ist eine Leistungselektronikbaugruppe vorgesehen, die sowohl mit der Radialflussmaschine als auch mit der Axialflussmaschine gekoppelt ist. Somit kann die Antriebseinheit in der gewünschten Weise gesteuert werden. Es können dafür aus dem Stand der Technik bekannte Leistungselektronikbaugruppen genutzt werden.
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Vorteilhafterweise ist die Axialflussmaschine axial zwischen dem Getriebeabschnitt und der Radialflussmaschine angeordnet. Dieser Aufbau ist besonders kompakt. Darüber hinaus liegt so die Axialflussmaschine verhältnismäßig nahe am Getriebeabschnitt. Dadurch kompensieren sich die Axialkräfte im Wesentlichen an ihren Entstehungsorten oder in deren Nähe. Damit müssen die verhältnismäßig großen Kräfte nur über verhältnismäßig kurze Strecken geleitet werden. Ein Aufbau der Antriebseinheit muss daher nur lokal auf diese Kräfte ausgelegt sein. Im Übrigen kann sie einfach und damit kostengünstig aufgebaut sein. Diese Anordnung der Axialflussmaschine ist auch aus Sicht der Kraft- und Momentenflüsse vorteilhaft.
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Vorzugsweise sind die Statoren der Axialflussmaschine und der Radialflussmaschine mechanisch unmittelbar miteinander verbunden. Sie können beispielsweise am selben Bauteil angeordnet sein. Dadurch wird der Aufbau der Antriebseinheit besonders einfach und kompakt.
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Eine Variante sieht vor, dass die Rotorwelle mittels einer Lagereinheit, insbesondere einer Wälzlagereinheit, radial und axial gelagert ist, vorzugsweise in einem Gehäuse gelagert ist. Die Lagereinheit ist beispielsweise eine Fest-Los-Lagerung mit einem reinen Radiallager und einem Radial-Axial-Lager. Dies ist eine bewährte Lager-Konfiguration. Wie bereits erwähnt kann dabei die Axiallagerung verhältnismäßig einfach und damit kostengünstig gestaltet sein. Aufgrund der im Vergleich zu bekannten Antriebseinheiten weniger belasteten Lagerung ist eine solche Antriebseinheit besonders langlebig.
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Zusätzlich wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit gelöst.
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Bevorzugt umfasst eine Fahrantriebseinheit des Kraftfahrzeugs die Antriebseinheit. Die Antriebseinheit treibt also die Räder des Kraftfahrzeugs an.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist. Es zeigen:
- - 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit und
- - 2 eine erfindungsgemäße Antriebseinheit in einer teilgeschnittenen Darstellung.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Fahrantriebseinheit 12. Diese umfasst eine Antriebseinheit 14, die in 2 detaillierter zu sehen ist.
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Die Antriebseinheit 14 umfasst eine elektrische Axialflussmaschine 16 mit einem Rotor 17 und eine elektrische Radialflussmaschine 18 mit einem Rotor 19.
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Dabei sind eine Rotorwelle 20 der Axialflussmaschine 16 und eine Radialflussmaschinenrotorwelle 22 als eine gemeinsame Welle ausgeführt, die um eine Rotationsachse 24 in einer durch einen Pfeil symbolisierten primären Rotationsrichtung 26 drehbar ist.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Axialflussmaschine 16 ein elektrischer Axialflussmotor und die Radialflussmaschine 18 ein elektrischer Radialflussmotor. Die gemeinsame Welle ist also eine Motorwelle oder Motorabtriebswelle.
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Auf der gemeinsamen Welle ist zudem ein schrägverzahnter Getriebeabschnitt 28 angeordnet, der dreh- und axialfest mit der Rotorwelle 20 gekoppelt ist.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der Getriebeabschnitt 28 ein Zahnrad 30.
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Dieses wirkt in der dargestellten Ausführungsform mit einem nur teilweise dargestellten Zahnrad 32 zusammen, das um eine Zahnradachse 34 drehbar ist. Dabei treibt das Zahnrad 30 das Zahnrad 32 an.
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Die gemeinsame Welle, also die Rotorwelle 20 und die Radialflussmaschinenrotorwelle 22, sind mittels einer Lagereinheit 36, die ein erstes Wälzlager 38 und ein zweites Wälzlager 40 umfasst, radial und axial in einem Gehäuse 42 gelagert.
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Die Lagereinheit 36 kann dabei eine Fest-Los-Lagereinheit sein, bei der beispielsweise das Wälzlager 40 als Festlager, also als Radial-Axial-Lager, und das Wälzlager 38 als Loslager, also als reines Radiallager ausgebildet ist.
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Am Gehäuse 42 sind auch der Stator 44 der Axialflussmaschine 16 sowie der nicht näher dargestellte Stator der Radialflussmaschine 18 angeordnet.
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Die beiden Statoren sind dabei mechanisch unmittelbar miteinander verbunden.
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Die Statorwicklungen der Axialflussmaschine 16 und der Radialflussmaschine 18, die nicht näher dargestellt sind, sind elektrisch gekoppelt. Gleiches gilt für die Rotorwicklungen der Radialflussmaschine 18 und der Axialflussmaschine 16.
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Sowohl die Radialflussmaschine 18 als auch die Axialflussmaschine 16 sind mit einer Leistungselektronikbaugruppe 46, die nur symbolisch dargestellt ist, gekoppelt und werden durch diese gesteuert.
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Im Betrieb der Antriebseinheit 14 in der primären Rotationsrichtung 26 geht von der Schrägverzahnung des Getriebeabschnitts 28 eine Axialkraft 48 aus. Diese ist vom Drehmoment, das vom Zahnrad 30 auf das Zahnrad 32 übertragen wird, abhängig.
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Die Axialflussmaschine 16 ist innerhalb der Antriebseinheit 14 axial zwischen dem Getriebeabschnitt 28 und der Radialflussmaschine 18 angeordnet.
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Zudem ist sie derart orientiert, dass eine von der Axialflussmaschine 16 ausgehende Axialkraft 50 in eine Richtung wirkt, die der vom Getriebeabschnitt 28 ausgehenden Axialkraft 48 entgegengesetzt ist.
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Die von der Axialflussmaschine 16 ausgehende Axialkraft 50 ist dabei proportional zu einem im Stator 44 eingeprägten Strom.
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Der Getriebeabschnitt 28 und die Axialflussmaschine 16 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Axialkraft 48 und die Axialkraft 50 im Wesentlichen betragsmäßig gleich groß sind. Sie kompensieren sich somit im Wesentlichen.
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Die Lagereinheit 36 wird dadurch in der axialen Richtung entlastet.
