DE102018218188B4

DE102018218188B4 - Elektrische Maschine mit einer Maschinenbaugruppe und einer Kompressorbaugruppe

Info

Publication number: DE102018218188B4
Application number: DE102018218188.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Niederhut; Rainer Kiehn; Krystian Dylong; Georg Louven; Harald Stoffels
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2018-10-24
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: CN111086386A; DE102018218188A1

Abstract

Elektrische Maschine (6) mit einer Maschinenbaugruppe (8) und einer Kompressorbaugruppe (10), wobei die motorisch betriebene elektrische Maschine (6) als Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs (2) dienend ausgebildet ist, wobei die Maschinenbaugruppe (8) und die Kompressorbaugruppe (10) über ein Getriebe (14) berührungslos durch Kraftschluss kräfteübertragend miteinander verbunden sind, wobei die Kompressorenbaugruppe (10) eine Kühlmittelzirkulation eines Kühlmittels zumindest durch eine elektrische Rotationsmaschine (26) der elektrischen Maschine (6) zur Kühlung der elektrischen Rotationsmaschine (26) bewirkend ausgebildet ist, und wobei die Kompressorbaugruppe (10) in axialer Richtung zwischen der Maschinenbaugruppe (8) und der Riemenscheibe (18) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Maschinenbaugruppe und einer Kompressorbaugruppe.
Insbesondere als Traktionsmotor, aber auch als Generator eingesetzte elektrische Maschinen bedürfen im Betrieb einer Kühlung. Es ist bekannt, zur Kühlung neben der elektrischen Maschine einen zusätzlichen elektrischen Antrieb vorzusehen, der einen Kompressor einer Kompressorbaugruppe, wie einer Kompressionskältemaschine, antreibt. Des Weiteren ist es bekannt, dass z.B. über einen Riemenantrieb mit der elektrischen Maschine der Kompressor gekoppelt ist. Ferner kann ein weiteres Kältegerät zur Kühlung erforderlich sein.
Aus der US 5 125 236 A ist eine elektrische Maschine mit einer Maschinenbaugruppe und einer Kompressorbaugruppe bekannt, bei der die Maschinenbaugruppe und die Kompressorbaugruppe über eine Welle gekoppelt sind und die Maschinenbaugruppe die Kompressorbaugruppe mitantreibt, wenn die Maschinenbaugruppe angetrieben wird. Bei Bedarf können die beiden Baugruppen mittels einer Kupplung voneinander getrennt werden.
Aus der DE 10 2013 205 623 A1 ist Turboladereinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt mit einer Antriebseinheit, die ein Verdichterrad zum Verdichten von Frischluft für eine Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs und ein über eine Turboladerwelle mit dem Verdichterrad koppelbaren Turbinenrad zum Entzug kinetischer Energie aus einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine aufweist. Ferner ist eine elektrische Maschine zum Beschleunigen und/oder Abbremsen der Antriebseinheit vorgesehen, wobei die elektrische Maschine ein Magnetgetriebe zur berührungslosen und drehzahlübersetzten Drehmomentübertragung mit der Antriebseinheit aufweist.
Aus der WO 2012 / 143 807 A2 und der WO 2013 / 016 159 A2 sind jeweils Magnetgetriebe bekannt.
Es besteht Bedarf daran, Wege aufzuzeigen, wie der Aufbau einer derartigen elektrischen Maschine vereinfacht werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine elektrische Maschine mit einer Maschinenbaugruppe und einer Kompressorbaugruppe, wobei die motorisch betriebenen elektrische Maschine als Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs dienend ausgebildet ist, wobei die Maschinenbaugruppe und die Kompressorbaugruppe über ein Getriebe berührungslos durch Kraftschluss kräfteübertragend miteinander verbunden sind, wobei die Kompressorenbaugruppe eine Kühlmittelzirkulation eines Kühlmittels zumindest durch die elektrische Maschine zur Kühlung der elektrischen Maschine bewirkend ausgebildet ist, und wobei die Kompressorbaugruppe in axialer Richtung zwischen der Maschinenbaugruppe und der Riemenscheibe angeordnet ist.
So kann durch das Getriebe eine Drehzahlanpassung zwischen der Drehzahl der Maschinenbaugruppe und der Drehzahl der Kompressorbaugruppe erreicht werden, so dass die jeweilige Baugruppe mit der jeweiligen optimalen Drehzahl betrieben werden kann sowie ein Abkoppeln der Kompressorbaugruppe mittels einer Kupplungen unnötig wird. Dabei werden durch die berührungslose Übertragung Reibungsverluste vermieden und der Verschleiß reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Getriebe ein Magnetgetriebe. Ein Magnetgetriebe bzw. magnetisches Getriebe verändert, wie ein konventionelles mechanisches Getriebe auch, die Drehzahl einer sich drehenden Welle. Im Magnetgetriebe befinden sich z.B. Permanentmagnete auf zwei verschiedenen Rotoren, welche mechanisch je an eine Welle gekoppelt sind. Die zwei Rotoren haben keinen mechanischen Kontakt und wirken daher im Kraftschluss zusammen, sodass das Getriebe nur geringe Reibungsverluste produziert. Der Verschleiß beschränkt sich auf die tragenden Wälzlager, die Geräuschentwicklung ist minimal. Da sich die zwei Wellen nicht wie beim Zahnradgetriebe berühren, muss keine Schmierung eingesetzt werden, und es kann auf Wellendichtungen, die nach gewisser undicht werden, verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil von Magnetgetrieben ist, dass sie bei einer Überlast nicht beschädigt wird, sondern in Schlupf geraten, bis die Last abnimmt und es sich durch das Herunterfahren der Antriebsgeschwindigkeit wieder einkoppeln kann. Hohe Drehzahlen können erreicht werden (ca. 50.000/min), es ist keine Schmierung notwendig und es erfolgen keine ruckartigen Beschleunigungen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Getriebe ein von Eins abweichendes Übersetzungsverhältnis auf. Somit wird die Drehzahl z.B. der Maschinenbaugruppe herauf- oder heruntergesetzt um die Kompressorbaugruppe anzutreiben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Getriebe eine Drehrichtungsumkehr bereitstellend ausgebildet. Somit laufen die Maschinenbaugruppe und die Kompressorbaugruppe mit entgegengesetzten Drehrichtungen, so dass sich Drehmomente zumindest teilweise kompensieren. So kann eine elektrische Maschine mit besonderer Laufruhe bereitgestellt werden.
Ferner gehören zur Erfindung ein Antriebsstrang und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Antriebsstrang.
Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung eine elektrische Maschine mit einer Maschinenbaugruppe und einer Kompressorbaugruppe.

Dargestellt ist ein Antriebsstrang 4 eines Kraftfahrzeugs 2, wie z.B. eines PKWs.
Dabei werden unter dem Antriebsstrang 4 alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug 2 das Drehmoment für den Antrieb generieren und bis auf die Straße übertragen.
Das Kraftfahrzeug 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Hybridelektrokraftfahrzeug ausgebildet, d.h. das Kraftfahrzeug 2 weist eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine 6 sowie eine Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) als Energiewandler auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel unterstützt die elektrische Maschine 6 mit einer elektromotorischen Leistung im Bereich von 6 bis 14 kW pro Tonne Fahrzeuggewicht lediglich die Brennkraftmaschine. Ein rein elektrisches Fahren ist allenfalls in eingeschränktem Umfang möglich. Mit anderen Worten, das Kraftfahrzeug 2 ist als Mildhybrid ausgebildet.
Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das Kraftfahrzeug 2 als Traktionsmotor lediglich eine motorisch betriebene elektrische Maschine 6 aufweisen und sich dann um ein Elektroauto handeln.
Die elektrische Maschine 6 weist eine elektrische Rotationsmaschine 26 mit einem Rotor und einem Ständer (beides nicht dargestellt) auf, die sowohl motorisch, d.h. als Traktionsmotor, und auch generatorisch betrieben werden können. Die elektrische Maschine 6 kann z.B. als Gleichstrommaschine, als Wechselstrommaschine, als Synchronmaschine, als Asynchronmaschine, als bürstenlose elektrische Maschine 6 oder als Kombination dieser Maschinenarten ausgebildet sein.
Je nach Betriebsart und Fahrzustand kann entweder die Brennkraftmaschine mit der generatorisch betriebenen elektrischen Maschine 6 nur einen elektrischen Energiespeicher laden und die erste elektrische Maschine 6 antreiben (serieller Hybridantrieb) oder mechanisch mit den Antriebswellen gekoppelt sein (paralleler Hybridantrieb).
Die elektrische Maschine 6 weist eine Maschinenbaugruppe 8 im vorliegenden Ausführungsbeispiel u.a. mit der Rotationsmaschine 26 sowie einen Inverter 12 auf.
Der Rotor ist drehfest mit einer Welle 16 verbunden, die wiederum drehfest mit einer Riemenscheibe verbunden ist. Alternativ kann auch eine Kette, Zahnkranz oder Räderstufen zur Kräfteübertragung vorgesehen sein. So kann die elektrische Maschine 6 bzw. Rotationsmaschine 26 ein Drehmoment über die Riemenscheibe 18 abgeben, wenn sie motorisch betrieben wird. Umgekehrt kann die elektrische Maschine 6 bzw. Rotationsmaschine 26 über die Riemenscheibe 18 mit einem Drehmoment beaufschlagt werden, wenn sie generatorisch betrieben werden soll.
Die Kompressorbaugruppe 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in axialer Richtung zwischen der Maschinenbaugruppe 8 und der Riemenscheibe 18 angeordnet.
Die Kompressorbaugruppe 10 weist u.a. einen Kompressor 28 auf, der Teil einer Kompressionskältemaschine mit einem Kondensator, einer Drossel und einem Verdampfer (jeweils nicht dargestellt) ist. Mit anderen Worten, die Kompressionskältemaschine ist eine Kältemaschine, die den physikalischen Effekt der Verdampfungswärme bei einem Wechsel des Aggregatzustandes eines Kühlmittels von flüssig zu gasförmig nutzt.
Der Kompressor 28 wird von der Welle 16 angetrieben. Dabei ist zwischen der Welle 16 und dem Kompressor 28 ein Getriebe 14 angeordnet.
Das Getriebe 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Magnetgetriebe, das berührungslos durch Kraftschluss Kräfte bzw. Drehmomente überträgt.
Im Getriebe 14 befinden sich z.B. Permanentmagnete auf der Welle 16 und einer Welle des Kompressors 28. Dabei ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Welle des Kompressors 28 als Hohlwelle 30 ausgebildet, durch die sich die Welle 16 abschnittsweise erstreckt.
Das Getriebe 14 verändert die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der Welle 16. Mit anderen Worten, das Getriebe 14 weist ein von Eins abweichendes Übersetzungsverhältnis auf. Somit wird die Drehzahl der Welle 14 herauf- oder heruntergesetzt um den Kompressor 28 der Kompressorbaugruppe 14 anzutreiben.
Des Weiteren ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass das Getriebe 14 eine Drehrichtungsumkehr bereitstellend ausgebildet ist. Somit rotieren die Welle 16 der Maschinenbaugruppe 8 und die Hohlwelle 30 des Kompressors 28 mit entgegengesetzten Drehrichtungen. So können sich Drehmomente zumindest teilweise kompensieren.
Im Betrieb wird die elektrische Maschine 8 bzw. Rotationsmaschine 26 entweder motorisch betrieben und treibt dann die Riemenscheibe 18 an, oder die generatorisch betriebene elektrisch Maschine 8 bzw. Rotationsmaschine 26 wird über die Riemenscheibe 18 angetrieben. Die Drehungen der Welle 16 werden von dem Getriebe 14 unter Drehzahlanpassung und Richtungsumkehr auf den Kompressor 28 der Kompressorbaugruppe 10 übertragen. Dies bewirkt eine Kühlmittelzirkulation eines Kühlmittels durch einen Einlass 20 der elektrischen Maschine 6. Das Kühlmittel wird von einem Kühlmittelkanal 24 geleitet, der abschnittweise zweigeteilt ausgebildet ist. Ein erster Zweig erstreckt sich durch die Rotationsmaschine 26 und ein zweiter Zweig erstreckt sich durch den Inverter 12, um diese zu kühlen. Beide Zweige vereinigen sich wieder in Strömungsrichtung des Kühlmittels, wobei sich der Kühlmittelkanal 24 weiter in axialer Richtung zu der Kompressorbaugruppe 10 erstreckt. Nach Komprimierung durch den Kompressor 28 verlässt das Kühlmittel die elektrische Maschine 6 dann über einen Auslass 22, um den nicht gezeigten Komponenten der Kompressionskältemaschine zugeführt zu werden.
So kann der Aufbau einer derartigen elektrischen Maschine 6 mit einer Maschinenbaugruppe 8 und einer Kompressorbaugruppe 10 vereinfacht werden.
Bezugszeichenliste

2: Kraftfahrzeug
4: Antriebsstrang
6: elektrische Maschine
8: Maschinenbaugruppe
10: Kompressorbaugruppe
12: Inverter
14: Getriebe
16: Welle
18: Riemenscheibe
20: Einlass
22: Auslass
24: Kühlmittelkanal
26: Rotationsmaschine
28: Kompressor
30: Hohlwelle

Claims

Elektrische Maschine (6) mit einer Maschinenbaugruppe (8) und einer Kompressorbaugruppe (10), wobei die motorisch betriebene elektrische Maschine (6) als Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs (2) dienend ausgebildet ist, wobei die Maschinenbaugruppe (8) und die Kompressorbaugruppe (10) über ein Getriebe (14) berührungslos durch Kraftschluss kräfteübertragend miteinander verbunden sind, wobei die Kompressorenbaugruppe (10) eine Kühlmittelzirkulation eines Kühlmittels zumindest durch eine elektrische Rotationsmaschine (26) der elektrischen Maschine (6) zur Kühlung der elektrischen Rotationsmaschine (26) bewirkend ausgebildet ist, und wobei die Kompressorbaugruppe (10) in axialer Richtung zwischen der Maschinenbaugruppe (8) und der Riemenscheibe (18) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (6) nach Anspruch 1, wobei das Getriebe (14) ein Magnetgetriebe ist.
Elektrische Maschine (6) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Getriebe (14) ein von Eins abweichendes Übersetzungsverhältnis aufweist.
Elektrische Maschine (6) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Getriebe (14) eine Drehrichtungsumkehr bereitstellend ausgebildet ist.
Antriebsstrang (4) mit einer elektrischen Maschine (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Kraftfahrzeug (2) mit einem Antriebsstrang nach Anspruch 5.