DE102018101268A1

DE102018101268A1 - Hybridmodul

Info

Publication number: DE102018101268A1
Application number: DE102018101268.3A
Authority: DE
Inventors: Jonas Kniel; Denis Loktev
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2019-07-25

Abstract

In einem Hybridmodul (1) ist in einem Wärmeleitungspfad zwischen mindestens einer Kupplung (3) des Hybridmoduls (1) und einem magnetischen Element (52) einer elektrischen Maschine (2) des Hybridmoduls (1) ein thermisch isolierendes Material angeordnet. Zusätzlich kann in einem Konvektionspfad zwischen der mindestens einen Kupplung (3) des Hybridmoduls (1) und dem magnetischen Element (52) mindestens ein Blockierelement (6) vorgesehen sein. Bei dem magnetischen Element (52) kann es sich insbesondere um einen Permanentmagneten handeln, welcher eine Komponente eines Rotors (5) oder eines Stators (4) der elektrischen Maschine (2) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridmodul für ein Kraftfahrzeug.
Ein Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine und eine oder mehrere Kupplungen. Je nach Stellung der Kupplung(en) und Ausgestaltung des Hybridantriebsstrangs können dabei nur der Verbrennungsmotor, nur die elektrische Maschine oder beide zusammen Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug bereitstellen. Die elektrische Maschine kann also als Elektromotor betrieben werden; in manchen Hybridantriebssträngen ist ein optionaler Betrieb der elektrischen Maschine als Generator möglich.
Ein Hybridmodul im Sinne dieser Anmeldung umfasst eine elektrische Maschine und mindestens eine Kupplung. Durch die mindestens eine Kupplung kann die elektrische Maschine mit einer oder mehreren Komponenten eines Antriebsstrangs zur Übertragung eines Drehmoments verbunden werden.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 059 944 A1 betrifft ein Hybridmodul für einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges mit einer ersten Trennkupplung, einer zweiten Trennkupplung und einem Elektromotor. Bezüglich des Momentenflusses befindet sich die erste Trennkupplung zwischen einem Verbrennungsmotor des Antriebsstrangs und dem Elektromotor, und die zweite Trennkupplung zwischen Elektromotor und einem Getriebe des Antriebsstrangs. Die zweite Trennkupplung kann als Doppelkupplung realisiert sein.
Die noch unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2017 125 845.0 betrifft ebenfalls ein Hybridmodul für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Eine Trennkupplung für das Hybridmodul ist dabei an einem Rotorträger einer elektrischen Maschine des Hybridmoduls gehaltert. Ebenfalls sind zwei Teilkupplungen einer Doppelkupplung am Rotorträger gehaltert. Die Trennkupplung sowie die beiden Teilkupplungen sind als trockene Kupplungen ausgebildet.
Im Betrieb des Hybridmoduls kann sich die Temperatur einer Kupplung im Hybridmodul erhöhen, auf Werte, die ausreichen, eine Entmagnetisierung von magnetischen Elementen der elektrischen Maschine zu bewirken, was zum Ausfall des Hybridmoduls führt. So kann die Temperatur einer Kupplung beispielsweise durchaus Werte von 350°C bis 400°C erreichen, während eine Entmagnetisierung von magnetischen Elementen der elektrischen Maschine oftmals schon ab Temperaturwerten von 150°C bis 180°C auftritt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Hybridmodul bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Ausfallsicherheit aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Hybridmodul gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Hybridmodul weist eine elektrische Maschine und mindestens eine Kupplung auf. Erfindungsgemäß ist in einem Wärmeleitungspfad zwischen mindestens einer der mindestens einen Kupplung und mindestens einem magnetischen Element der elektrischen Maschine ein thermisch isolierendes Material angeordnet.
Auf diese Weise ist, auch wenn die mindestens eine der mindestens einen Kupplung im Betrieb Temperaturen erreicht, welche eine Entmagnetisierung des mindestens einen magnetischen Elements der elektrischen Maschine bewirken können, ein Wärmestrom von der mindestens einen der mindestens einen Kupplung zu dem mindestens einen magnetischen Element durch das thermisch isolierende Material reduziert. In der Folge ist eine Temperaturerhöhung des mindestens einen magnetischen Elements geringer als im Fall ohne das thermisch isolierende Material. Somit kann erreicht werden, dass die Temperatur des mindestens einen magnetischen Elements unterhalb von Werten bleibt, die eine Entmagnetisierung des mindestens einen magnetischen Elements bewirken können. Die Entmagnetisierung ist damit vermieden, und somit ist auch ein dadurch bedingter Ausfall der elektrischen Maschine und damit des Hybridmoduls vermieden.
Unter einem thermisch isolierenden Material ist hier ein Material zu verstehen, dessen Wärmeleitfähigkeit höchstens 25% der Wärmeleitfähigkeit des bei Konstruktion des Hybridmoduls unter Ausklammerung der Wicklungen der elektrischen Maschine hauptsächlich eingesetzten Materials (häufig Stahl) beträgt, so dass eine Wärmeleitung über das Material des Hybridmoduls zu dem mindestens einen magnetischen Element der elektrischen Maschine durch das thermisch isolierende Material wirksam unterbunden ist. Vorteilhaft werden hier Kunststoffe eingesetzt, besonders eignen sich selbstverständlich spezielle Isolationsmaterialien. Ein Beispiel hierfür, auf das die Erfindung nicht beschränkt sein soll, ist Kelutherm 600 M, der Firma KELUX Hochleistungswerkstoffe GmbH, mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,26 W/(mK).
Vorteilhaft ist das thermisch isolierende Material so angeordnet, dass es sich in einem oder mehreren Wärmeleitungspfaden zwischen mindestens einer der mindestens einen Kupplung, bevorzugt allen Kupplungen, des Hybridmoduls und allen magnetischen Elementen der elektrischen Maschine befindet, um auf diese Weise alle magnetischen Elemente der elektrischen Maschine gegen die erhöhten Temperaturen der Kupplung(en) abzuschirmen.
In einer Ausführungsform ist das mindestens eine magnetische Element der elektrischen Maschine ein Permanentmagnet der elektrischen Maschine. Insbesondere kann der Permanentmagnet eine Komponente eines Stators oder eines Rotors der elektrischen Maschine bilden. In letzterem Falle kann das thermisch isolierende Material insbesondere zwischen einer Rotorwelle des Rotors und dem Permanentmagneten angeordnet sein. Im Regelfall trägt ein permanentmagnetisierter Rotor mehr als einen Permanentmagneten. Selbstverständlich ist es bevorzugt, dass in diesem Fall das thermisch isolierende Material zwischen der Rotorwelle des Rotors und allen Permanentmagneten des Rotors angeordnet ist.
Außer durch Wärmeleitung kann Wärme auch durch Konvektionsströmungen in der Umgebungsluft der Komponenten des Hybridmoduls von der mindestens einen Kupplung zu dem mindestens einen magnetischen Element der elektrischen Maschine gelangen. Um dies zu reduzieren, ist in einer Ausführungsform mindestens ein Blockierelement vorgesehen. Das Blockierelement ist dabei in einem Konvektionspfad zwischen mindestens einer der mindestens einen Kupplung und dem mindestens einen magnetischen Element der elektrischen Maschine angeordnet. Vorteilhaft ist das Blockierelement aus thermisch isolierendem Material gebildet. Bei dem Blockierelement kann es sich beispielsweise um eine Spaltdichtung handeln, ohne jedoch die Erfindung darauf zu beschränken.
In einer Ausführungsform des Hybridmoduls ist die mindestens eine Kupplung eine Dreifachkupplung. In einer Ausführungsform des Hybridmoduls umfasst die mindestens eine Kupplung eine Trockenkupplung.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile an Hand von in den beigefügten schematischen Figuren dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hybridmodul in Schnittansicht.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridmoduls in Schnittansicht.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridmoduls in schematisierter Form.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridmoduls in schematisierter Form.
5 zeigt in einem Simulationsergebnis Auswirkungen der Erfindung.

Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hybridmodul 1 in stark schematisierter Form. Die Darstellung beschränkt sich auf die für die Erläuterung der Erfindung wesentlichen Elemente. Das Hybridmodul 1 umfasst eine elektrische Maschine 2 und eine Kupplung 3. Die elektrische Maschine 2 umfasst einen Stator 4 und einen Rotor 5; eine Rotorwelle 51 ist über die Kupplung 3 an eine Welle 100 kuppelbar, welche zu einem hier nicht weiter dargestellten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs gehört. Der Rotor 5 trägt eine Vielzahl magnetischer Elemente 52, hier in Form von Permanentmagneten. Die magnetischen Elemente 52 sind auf der Rotorwelle 51 angeordnet, zwischen Rotorwelle 51 und den magnetischen Elementen 52 ist eine Schicht 53 aus einem thermisch isolierenden Material angebracht.
Erwärmt sich im Betrieb die Kupplung 3, so führt dies durch Wärmeleitung zu einem Wärmestrom entlang der Rotorwelle 51. Ohne die Schicht 53 aus thermisch isolierendem Material könnten durch diesen Wärmestrom die magnetischen Elemente 52 so stark erwärmt werden, dass sie entmagnetisiert werden. Als Folge davon fiele die elektrische Maschine 2 und damit das Hybridmodul 1 aus. Durch die Schicht 53 aus thermisch isolierendem Material wird der Wärmestrom zu den magnetischen Elementen 52 jedoch stark reduziert; entsprechend ist die Erwärmung der magnetischen Elemente 52 geringer als im Fall ohne die Schicht 53 aus thermisch isolierendem Material. Damit erreichen die magnetischen Elemente 52 nicht die Temperatur zur Entmagnetisierung und ein Ausfall des Hybridmoduls 1 ist damit wirksam verhindert.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridmoduls 1 in einer 1 entsprechenden Darstellungsweise. Die überwiegende Anzahl der dargestellten Elemente entspricht der in 1 gezeigten Ausführungsform und wurde dort bereits erläutert. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Hybridmodul 1 weist das in 2 gezeigte Hybridmodul 1 zusätzlich ein Blockierelement 6 auf, das in einem Konvektionspfad zwischen der Kupplung 3 und den magnetischen Elementen 52 angeordnet ist. Durch das Blockierelement 6 wird eine Konvektionsströmung von der Kupplung 3 zu den magnetischen Elementen 52 unterbunden oder zumindest reduziert. Auf diese Weise wird verhindert, dass die magnetischen Elemente 52 aufgrund der Wärmezufuhr durch Konvektion eine Temperatur erreichen, bei der Entmagnetisierung der magnetischen Elemente 52 eintritt. Ein Blockierelement 6 erhöht damit die Ausfallsicherheit des Hybridmoduls 1 zusätzlich. Das Blockierelement 6 ist vorteilhaft ebenfalls aus thermisch isolierendem Material, etwa dem gleichen Material wie das für die Schicht 53 verwendete, gebildet. Damit wird vermieden, dass eine durch Konvektion bewirkte Erwärmung des Blockierelements 6 sodann durch Wärmeleitung zu einer Erwärmung von Elementen der elektrischen Maschine 2 führt, etwa des Stators 4, und auf diesem Wege dann letztlich doch ein zu hoher Wärmeeintrag (etwa über Wärmeleitung und / oder Konvektion innerhalb der elektrischen Maschine 2) in die magnetischen Elemente 52 resultiert.
In der gezeigten Ausführungsform ist das Blockierelement 6 zwischen Kupplung 3 und elektrischer Maschine 2 angeordnet. Es ist jedoch denkbar, mehr als ein Blockierelement vorzusehen, um die elektrische Maschine 2 gegen Konvektion abzuschirmen; beispielsweise könnte ein weiteres Blockierelement am dem gezeigten Blockierelement 6 in Richtung der Rotorwelle 51 gegenüberliegenden Ende der elektrischen Maschine 2 vorgesehen sein. Allgemein ist anzumerken, dass in jeder konkreten Ausgestaltung eines Hybridmoduls 1 mit Blockierelement 6 sich die Anordnung und Form des Blockierelements 6 aus dessen Funktion ergibt, die magnetischen Elemente 52 der elektrischen Maschine 2 von Konvektionsströmungen abzuschirmen. Je nach Anordnung und Ausgestaltung von elektrischer Maschine 2 und Kupplung 3 ergeben sich dadurch unterschiedliche Positionierungen und Formen des Blockierelements 6, gegebenenfalls der mehreren Blockierelemente.
In den 1 und 2 ist nur eine Kupplung 3 dargestellt. Für die Erläuterung der Erfindung ist dies ausreichend. Jedoch ist die Erfindung nicht auf Hybridmodule mit nur einer Kupplung beschränkt. Die im Zusammenhang mit 1 und 2 erläuterten Prinzipien treffen ebenfalls zu, wenn in den 1 und 2 die Kupplung 3 durch eine Mehrfachkupplung ersetzt wird. Durch eine solche Ersetzung ändern sich weder die Wirkungsweise der Schicht 53 aus thermisch isolierendem Material noch des Blockierelements 6.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Hybridmoduls 1 in schematisierter Form, wobei noch weitere Komponenten eines Antriebsstrangs dargestellt sind. Das hier gezeigte Hybridmodul 1 umfasst eine elektrische Maschine 2 und drei Kupplungen 31, 32, 33. Als weitere Komponenten eines Antriebsstrangs sind schematisch eine Kurbelwelle 131 zur Zusammenwirkung mit einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor, Wellen 101 und 102, welche durch das Hybridmodul 1 über Kupplungen 32 bzw. 33 angetrieben werden können, sowie Welle 132 und ein Schwungrad, im gezeigten Beispiel genauer ein Zweimassenschwungrad 130, gezeigt. Das Zweimassenschwungrad 130 verbindet Kurbelwelle 131 und Welle 132. Die Welle 132 kann ferner über Kupplung 31 durch die elektrische Maschine 2 angetrieben werden.
Zwischen der elektrischen Maschine 2 und den Kupplungen 31, 32, 33 ist eine Schicht 53 aus thermisch isolierendem Material vorgesehen. Die Wirkung der Schicht 53 besteht auch hier, wie in den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen, darin, die Wärmeleitung von den Kupplungen 31, 32, 33 zu letztlich magnetischen Elementen der elektrischen Maschine 2 zu reduzieren.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Hybridmoduls 1 in schematisierter Form. Die Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 3 gezeigten. In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind lediglich zusätzlich zu der Schicht 53 aus thermisch isolierendem Material zwei Blockierelemente 6 vorgesehen, um einen Wärmeeintrag durch Konvektion von den Kupplungen 31, 32, 33 in die elektrische Maschine 2 und damit letztlich zu den magnetischen Elementen der elektrischen Maschine 2 zu unterbinden oder zu vermindern.
5 zeigt in zwei Diagrammen 201 und 202 mit gemeinsamer Abszisse 203 Ergebnisse einer Simulation eines erfindungsgemäßen Hybridmoduls 1 wie in 1 gezeigt. Auf der gemeinsamen Abszisse 203 ist die Zeit aufgetragen, sie erstreckt sich über etwa 17000 Sekunden. Auf den Ordinaten 205 und 206 ist jeweils eine Temperatur aufgetragen, in beiden Diagrammen 201 und 202 beginnen alle Kurven bei 80°C.
Diagramm 201 zeigt den Zeitverlauf einer Temperatur an einer Kupplung 3, in vier Kurven, welche sich aber überlagern und deshalb nicht als getrennte Kurven erkennbar sind. Die Kurven entsprechen den vier Kurven in Diagramm 202, welche jeweils den Zeitverlauf einer Temperatur der magnetischen Elemente 52 des Rotors 5 für verschiedene Dicken der Schicht 53 isolierenden Materials zwischen den magnetischen Elementen 52 des Rotors 5 der elektrischen Maschine 2 und der Rotorwelle 51 zeigen; als thermisch isolierendes Material wurde dabei Kelutherm 600 M zu Grunde gelegt.
Kurve 210 entspricht dabei dem Fall ohne eine Schicht 53 thermisch isolierenden Materials, Kurve 211 dem Fall einer Schicht 53 thermisch isolierenden Materials mit einer Dicke von 2 mm, Kurve 212 dem Fall einer Schicht 53 thermisch isolierenden Materials mit einer Dicke von 4 mm, Kurve 213 dem Fall einer Schicht 53 thermisch isolierenden Materials mit einer Dicke von 8 mm. Durch vertikale Linien 207 markiert ist noch der Zeitpunkt bei ungefähr 14900 s, zu dem die Temperatur der magnetischen Elemente 52 im Fall ohne thermisch isolierendes Material (entsprechend Kurve 210) ihr Maximum 163,9 °C erreicht. Bei Kurve 211 ergibt sich zu diesem Zeitpunkt ein Wert von 141,7 °C, bei Kurve 212 ein Wert von 134,5 °C, bei Kurve 213 ein Wert von 128,1 °C. An der Kupplung beträgt die Temperatur zu diesem Zeitpunkt (Diagramm 201) 211,8 °C.
Aus diesen Werten ebenso wie aus dem allgemeinen Vergleich des Verlaufes der Kurven 210, 211, 212 und 213 ergibt sich eindeutig, dass in einem erfindungsgemäßen Hybridmodul die Temperatur der magnetischen Elemente der elektrischen Maschine im Vergleich zum Stand der Technik niedrig gehalten werden kann, so dass ein Ausfall des Hybridmoduls durch Entmagnetisierung der magnetischen Elemente zuverlässig vermieden werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Hybridmodul
2: elektrische Maschine
3: Kupplung
4: Stator
5: Rotor
6: Blockierelement
31: Kupplung
32: Kupplung
33: Kupplung
51: Rotorwelle
52: magnetisches Element
53: Schicht aus thermisch isolierendem Material
100: Welle
101: Welle
102: Welle
130: Zweimassenschwungrad, Schwungrad
131: Kurbelwelle
132: Welle
201: Diagramm
202: Diagramm
203: Abszisse
205: Ordinate
206: Ordinate
207: Linie
210: Kurve
211: Kurve
212: Kurve
213: Kurve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009059944 A1 [0004]
DE 102017125845 [0005]

Claims

Hybridmodul (1) mit einer elektrischen Maschine (2) und mindestens einer Kupplung (3, 31, 32, 33), dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisch isolierendes Material in einem Wärmeleitungspfad zwischen mindestens einer der mindestens einen Kupplung (3, 31, 32, 33) und mindestens einem magnetischen Element (52) der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist.
Hybridmodul (1) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine magnetische Element (52) der elektrischen Maschine (2) ein Permanentmagnet der elektrischen Maschine (2) ist.
Hybridmodul (1) nach Anspruch 2, wobei der Permanentmagnet eine Komponente eines Rotors (5) der elektrischen Maschine (2) bildet.
Hybridmodul (1) nach Anspruch 3, wobei das thermisch isolierende Material zwischen einer Rotorwelle (51) des Rotors (5) und dem Permanentmagneten angeordnet ist.
Hybridmodul (1) nach Anspruch 2, wobei der Permanentmagnet eine Komponente eines Stators (4) der elektrischen Maschine (2) bildet.
Hybridmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Blockierelement (6) in einem Konvektionspfad zwischen der mindestens einen der mindestens einen Kupplung (3, 31, 32, 33) und dem mindestens einen magnetischen Element (52) der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist.
Hybridmodul (1) nach Anspruch 6, wobei das Blockierelement (6) aus thermisch isolierendem Material gebildet ist.
Hybridmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Kupplung (3) eine Dreifachkupplung (31, 32, 33) ist.
Hybridmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der mindestens einen Kupplung (3, 31, 32, 33) eine Trockenkupplung ist.