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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug mit integriertem Drehschwingungsdämpfer/-tilger. Ein elektrischer Antriebsmotor gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs ist aus der
DE 100 05 582 A1 bekannt.
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In Kraftfahrzeugen treten häufig Schwingungen im Antriebsstrang auf, diese Schwingungen können von transienten Betriebszuständen verursacht sein, beziehungsweise von Ungleichförmigkeiten im Antriebsdrehmoment der Antriebsmaschine, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, oder transienten Betriebszuständen verursacht sein. Zum Reduzieren solcher Drehschwingungen sind unterschiedliche Einrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt. Die
DE 100 05 582 A1 schlägt eine Antriebsordnung mit einem Antriebsstrang und einer elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug vor.
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Aus der US 2016 / 0 261 153 A1 ist ein Rotor für eine elektrische Antriebsmaschine bekannt. Aus der
DE 10 2004 027 529 A1 ist ein Verfahren und ein Vorrichtung zur Tilgung von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten für Antriebsstränge bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen elektrischen Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug mit integrierter Einrichtung zum Reduzieren von Drehschwingungen mit verbessertem Betriebsverhalten anzugeben. Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Antriebsmotor gemäß dem ersten Patentanspruch beziehungsweise durch einen Kraftfahrzeugantriebsstrang gemäß Anspruch 6 gelöst, zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug mit integrierter Einrichtung zum Reduzieren von Drehschwingungen, insbesondere in Form eines sogenannten Fliehkraftpendels. Der elektrische Antriebsmotor weist einen Stator zum Erzeugen eines (elektro-) magnetischen Statorfelds und einen gegenüber dem Stator um eine Motorachse drehbar gelagerten Rotor auf. Die Erfindung ist nicht auf die Bauform eines bestimmten Elektromotortyps beschränkt, vielmehr ist diese auf eine Vielzahl unterschiedlicher Bauformen anwendbar. Vorzugsweise ist der elektrische Antriebsmotor als Drehfeldmotor ausgebildet. Vorzugsweise ist der Drehfeld Antriebsmotor als sogenannter Asynchronmotor und bevorzugt als sogenannter Synchronmotor ausgebildet. Weiter vorzugsweise ist der elektrische Antriebsmotor als sogenannter Wechselstrommotor und bevorzugt als sogenannter Gleichstrommotor ausgebildet. Weiter vorzugsweise ist dieses erzeugbare Statorfeld mittels wenigstens eines Permanentmagneten und bevorzugt mittels wenigstens eines Elektromagneten hervorrufbar.
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Der Rotor ist in Richtung orthogonal zur Motorachse, also in radialer Richtung, durch einen Luftspalt vom Stator getrennt. Dabei ist insbesondere zum Antreiben des Rotors über den Stator dieses magnetische Statorfeld über den Luftspalt vom Stator auf den Rotor wirksam. Weiter weist der Rotor wenigstens eine, wenigstens in radialer Richtung verlagerbare, Tilgermasse auf. Diese Tilgermasse weist einen ferromagnetischen Werkstoff auf oder besteht aus einem solchen. Diese Tilgermasse ist insbesondere zum drehzahladaptiven verringern von Drehschwingungen eingerichtet, derartige Anordnungen sind allgemein als drehzahladaptive Dämpfer oder Tilger oder als sogenanntes Fliehkraftpendel bekannt. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird eine derartige Einrichtung als integrierter Drehschwinungsdämpfer/-tilger bezeichnet, da diese Einrichtung zur Reduzierung von Drehschwingungen beiträgt. Weiter vorzugsweise weist der Rotor eine Vielzahl von Tilgermassen auf und vorzugsweise sind diese Tilgermassen in Bezug auf die Motorachse rotationssymmetrisch am Rotor angeordnet.
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Insbesondere ist diese Tilgermasse derart am Rotor angeordnet, dass mittels des magnetischen Statorfeldes, wenigstens im planmäßigen Betrieb des elektrischen Antriebsmotors, eine nach radial außen gerichtete Zusatztilgerkraft auf diese Tilgermasse aufbringbar ist. Insbesondere mittels dieser Zusatztilgerkraft wirkt auf die Tilgermasse nicht ausschließlich eine aus der Rotation des Rotors resultierende Fliehkraft, sondern zusätzlich eine von dem magnetischen Feld des elektrischen Antriebsmotors (Statorfeld) abhängige Zusatztilgerkraft, welche zu einem günstigen Verhalten des elektrischen Antriebsmotors in Bezug auf Drehschwingungen im Antriebsstrang führt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Tilgermasse in radialer Richtung zwischen einer radial inneren Position und einer radial äußeren Position hin und her bewegbar. Vorzugsweise ist wenigstens eine Tilgermasse oder eine Vielzahl von Tilgermassen, derart am Rotor angeordnet, dass diese in der radial inneren Position nicht in den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor ragt, beziehungsweise ragen. Weiter vorzugsweise ist wenigstens eine Tilgermasse oder eine Vielzahl von Tilgermassen, derart am Rotor angeordnet, dass diese Tilgermasse in der radial äußeren Position von radial Innen bis an diesen Luftspalt heran oder in diesen hinein ragt, beziehungsweise ragen. Insbesondere im Luftspalt und im Nahbereich des Luftspalts ist das Statorfeld im Betrieb des elektrischen Antriebsmotors besonders ausgeprägt und damit ist eine besonders große Wirkung dieses Statorfeldes auf diese Tilgermasse durch eine derartige Anordnung erreichbar und damit ist ein besonders bevorzugtes Betriebsverhalten des elektrischen Antriebsmotors erreichbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektrischer Antriebsmotor derart aufgebaut, dass durch die Drehbewegung des Rotors auf die Tilgermasse eine nach radial außen gerichtete Fliehkraft (Tilgerfliehkraft) aufbringbar ist, welche die Tilgermasse von der radial inneren in die radial äußere Position drängt. Insbesondere durch eine solche Tilgerfliehkraft ist ein besonders günstiges Betriebsverhalten des elektrischen Antriebsmotors erreichbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor des elektrischen Antriebsmotors eine Längserstreckung, also eine Erstreckung in Richtung der Motorachse auf, wobei die Trägheitsmasse, bezogen auf diese Längserstreckung innerhalb die Rotors angeordnet ist, also in Richtung der Rotationsachse innerhalb des Rotors und insbesondere nicht an einer Stirnseite des Rotors. Insbesondere mittels einer derartigen Anordnung der Tilgermasse am Rotor ist ein besonders kompakter Aufbau des elektrischen Antriebsmotors erreichbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der elektrische Antriebsmotor wenigstens eine Tilgermasse auf, welche in Richtung der Rotationsachse beziehungsweise Motorachse an einer Stirnseite des Rotors des elektrischen Antriebsmotors angeordnet ist. Insbesondere ist unter einer Stirnseite des Rotors eine den Rotor begrenzende Oberfläche in axialer Richtung zu verstehen. Insbesondere durch eine derartige Anordnung der Tilgermasse am Rotor ist eine gute Zugänglichkeit zu dieser und damit ein einfacher Aufbau des elektrischen Antriebsmotors erreichbar. Weiter vorzugsweise ist die Tilgermasse axial beabstandet zum Rotor angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Rotor oder vorzugsweise die Tilgermasse eine Kulissenführung auf, mit welcher dieTilgermasse gegenüber dem Rotor gelagert beziehungsweise geführt ist. Vorzugsweise ist die Tilgermasse mittels dieser Kulissenführung kinematisch gegenüber dem Rotor geführt. Insbesondere ist mittels dieser Kulissenführung die Bewegung von der radial inneren in die radial äußere Position vorgegeben. Vorzugsweise ist die Kulissenführung als eine Ausnehmung in dem Rotor oder in der Tilgermasse ausgebildet, wobei in diese Ausnehmung wenigstens ein Führungselement eingreift, welches vorzugsweise an der Tilgermasse oder bevorzugt am Rotor angeordnet ist. Insbesondere mittels einer derartigen Kulissenführung ist die Bewegung zwischen der radial inneren und der radial äußeren Position vorgebbar und insbesondere auch steuerbar und somit ist ein günstiges Betriebsverhalten des elektrischen Antriebsmotors erreichbar.
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Weiter ist ein Kraftfahrzeugantriebsstrang, also ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Personenkraftfahrzeug, mit einem elektrischen Antriebsmotor der zuvor beschrieben Bauart vorgesehen. Dieser Kraftfahrzeugantriebsstrang ist zum Abgeben einer Antriebsleistung zum Überwinden von Fahrwiderständen des Kraftfahrzeugs eingerichtet. Vorzugsweise ist der elektrische Antriebsmotor im Mehrquadrantenbetrieb betreibbar, insbesondere ist dieser generatorisch betreibbar. Insbesondere ein Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem elektrischen Antriebsmotor der beschriebenen Bauart ist besonders schwingungsarm betreibbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kraftfahrzeugantriebsstrang eine Brennkraftmaschine als zweite Antriebsmaschine auf, insbesondere ist damit der elektrische Antriebsmotor als erste Antriebsmaschine zu verstehen. Vorzugsweise sind in einem Antriebsstrang mit erster und zweiter Antriebsmaschine diese beiden zum Abgeben von Antriebsleistung zum Überwinden von Fahrwiderständen eingerichtet, vorzugsweise sind beide zum dauerhaften abgeben einer solchen Antriebsleistung eingerichtet und insbesondere ist die erste Antriebsmaschine damit nicht nur zum Reduzieren von Drehschwingungen eingerichtet (aktive Schwingungsdämpfung). Insbesondere mittels einer solchen Ausgestaltung des Kraftfahrzeugantriebsstrangs ist eine sogenannter Nullemissionsfahrmodus (Zeroemission) oder ein Hybridfahrmodus darstellbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Kraftfahrzeugantriebsstrangs ist Antriebsleistung zum Überwinden von Fahrwiderständen des Kraftfahrzeugs, wenigstens zeitweise, ausschließlich von dem elektrischen Antriebsmotor bereitstellbar ist und weiter vorzugsweise ist der elektrische Antriebsmotor die einzige Quelle zum Bereitstellen dieser Antriebsleistung.
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In einer weiter bevorzugt Ausführungsform bilden die Tilgermassen einen Teil oder den Rotor als solchen. Der Luftspalt ergibt sich dann zwischen einer radialäußeren Oberfläche dieser Tilgermassen und einer radialinneren Oberfläche des Stators. Insbesondere ist durch die Außenkontur der Tilgermassen und dem Abstand, bezogen auf die radiale Richtung, zum sogenannten Stator-Innendurchmesser der Luftspalt bestimmt. Insbesondere mit einer solchen Ausgestaltung der Erfindung, ergibt sich ein besonders kompakter und insbesondere auch gewichtssparender Aufbau.
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Nachfolgend sind einzelne Ausführungsformen und Merkmale anhand der Figuren näher erläutert, dabei zeigt:
- 1: Querschnittsdarstellung eines elektromechanischen Antriebsmotors,
- 2: Längs-Teilschnittdarstellungen von zwei Varianten des elektrischen Antriebsmotors.
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In 1 ist ein schematisierter Querschnitt durch einen elektrischen Antriebsmotor dargestellt. Der Stator 2 dieses elektrischen Antriebsmotors 1 ist ortsfest und der Rotor 3 ist um die Motorachse 7 drehbar in diesem Stator 2 angeordnet. Der Stator 2 und der Rotor 3 sind in radialer Richtung 11 durch den Luftspalt 8 voneinander getrennt. Auf dem Rotor 3 sind rotationssymmetrisch vier Tilgermassen 4 angeordnet, welche zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten vorgesehen sind.
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Die Tilgermassen 4 weisen jeweils zwei Führungskulissen 5 auf, welche als Ausnehmung in der Tilgermasse 4 ausgebildet sind. In jeder der Führungskulissen 5 greift ein als Stift ausgebildetes Führungselement 6 ein, somit ist jede Tilgermasse 4 gegenüber dem Rotor 3 kinematisch geführt und ist zwischen einer radial inneren Position und einer radial äußeren Position bewegbar.
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Bei einer Rotation des Rotors 3 um die Motorachse 7 wirkt auf die Tilgermassen 4 in radialer Richtung 11 eine Fliehkraft. Weiter herrscht im Luftspalt 8 im Betrieb des elektrischen Antriebsmotors 1 ein magnetisches Statorfeld, welches zusammen mit den ferromagnetischen Tilgermassen 4 die Tilgerzusatzkräfte hervorruft.
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Die Trägheitsmassen 4 sind in ihrer radial inneren Position dargestellt, d.h. diese ragen weder an den Luftspalt 8 heran, noch in diesen hinein.
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In 2 sind anhand von zwei Längsschnittdarstellungen zwei unterschiedliche Anbringungsorte für die Tilgermassen 4 dargestellt. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten Variante sind in 2 die Tilgermassen 4 jeweils in ihrer radial äußeren Position dargestellt und diese ragen demnach in den Luftspalt 8 zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 1 hinein.
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In 2a ist ein elektrischer Antriebsmotor 1 dargestellt, mit einem ortsfesten Stator 2, der über den Luftspalt 8 vom Rotor 3 getrennt ist. Der Rotor 3 ist um die Motorachse 7 drehbar im Stator 2 gelagert. Auf dem Führungselement 6 ist die Tilgermasse 4 gegenüber dem Rotor 3 geführt.
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Der Rotor 3 erstreckt sich in Längsrichtung 12, also in Richtung der Motorachse 7, zwischen der ersten und der zweiten Stirnfläche 9,10. Die Tilgermasse 4 ist an der ersten Stirnfläche 9 angeordnet.
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In 2b ist ein elektrischer Antriebsmotor 1 dargestellt, mit einem ortsfesten Stator 2, der über den Luftspalt 8 vom Rotor 3 getrennt ist. Der Rotor 3 ist um die Motorachse 7 drehbar im Stator 2 gelagert. Auf dem Führungselement 6 ist die Tilgermasse 4 gegenüber dem Rotor 3 geführt. Der Rotor 3 erstreckt sich in Längsrichtung 12, also in Richtung der Motorachse 7, zwischen der ersten und der zweiten Stirnfläche 9,10. Die Tilgermasse 4 ist zwischen diesen Stirnfläche 9, 10 und damit in Längsrichtung 12 innerhalb des Rotors 3, angeordnet.
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Mit anderen Worten ausgedrückt sind in einem Antriebssystem Drehschwingungen unvermeidbar, da diese aber zu einer Komforteinbuße führen können, sind diese unerwünscht und zu vermeiden. Die Drehschwingungsminderung wird in herkömmlichen hybridisierten und/oder elektrifizierten Antriebssträngen, insbesondere bei der Nutzung eines Fliehkraftpendel- und Tilgersystems, bisher nicht durch die Nutzung des (elektro-) magnetischen Feldes des elektrischen Antriebsmotors unterstützt. Weiterhin wird in derartigen Aufbauten das (elektro-)magnetische Feld eines elektrischen Antriebsmotors durch entsprechende Maßnahmen abgeschirmt und so wird ein Einfluss auf andere Komponenten vermieden oder verringert.
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Dies hat in der Regel höheres Gewicht / Massenträgheit / Herstellkosten zur Folge. Weiterhin bleibt das Potenzial des vorhandenen Magnetfeldes des elektrischen Antriebsmotors in Bezug auf die Drehschwingungsminderung ungenutzt.
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Die Erfindung schlägt allgemein die Nutzung des Magnetfeldes des elektrischen Antriebsmotors zur Minderung von Drehschwingungen in Verbindung mit einem Fliehkraftpendel mit wenigstens einer Tilgermasse vor.
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Die während des Betriebs des elektrischen Antriebsmotors auf die Tilgermasse wirkende radiale Kraft (u.a. Fliehkraft) kann durch das (elektro-) magnetische Feld des elektrischen Antriebsmotors beeinflusst, insbesondere verstärkt, werden. Anders gewendet kann das Fliehkraftpendelsystem damit gezielt verstimmt und die Wirksamkeit dieses Systems kann durch Erhöhung der radial wirkenden Kraft verbessert werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgeschlagen das Fliehkraftpendelsystem, insbesondere aber wenigstens eine der Tilgermassen, konstruktiv nahe des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator des elektrischen Antriebsmotors anzuordnen (das Magnetfeld, sogenanntes Statorfeld, ist hier besonders stark ausgeprägt).
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Fliehkraftpendelsystemen ist es zudem möglich, ein Zusatzbauteil, insbesondere wenigstens eine elektromagnetische Spule zum Erzeugen eines (elektro-) magnetischen Feldes vorzusehen. Dieses Zusatzbauteil bildet also ein definiertes (elektro-) magnetisches Feld aus und damit kann auf das Fliehkraftpendelsystem gezielt eingewirkt werden (Verstimmung/ Erhöhung radial wirkende Kraft auf wenigstens eine Tilgermasse).
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Weiter ist es ermöglicht das Fliehkraftpendelsystem in einer Ausführungsform der Erfindung in den elektrischen Antriebsmotor zu integrieren. Bei einer derartigen Integration ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Tilgermasse in den Rotor des elektrischen Antriebsmotors integriert ist. Dazu kann die wenigstens eine Tilgermasse axial o. radial direkt an den Rotor des elektrischen Antriebsmotors angebunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrischer Antriebsmotor
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Tilgermasse
- 5
- Führungskulisse
- 6
- Führungselement
- 7
- Motorachse
- 8
- Luftspalt
- 9
- Erste Stirnseite von 3
- 10
- Zweite Stirnseite von 3
- 11
- Radiale Richtung
- 12
- Längsrichtung
