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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine eine Riemenscheibe aufweist, zumindest abschnittsweise um die Riemenscheibe ein Riemen geführt ist, wobei der Riemen in einem festen und/oder unveränderbaren Umschlingungswinkel um die Riemenscheibe geführt ist.
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Grundsätzlich ist bekannt, dass bei einem Kraftfahrzeug die Energie der Kurbelwelle über einen Riemenantrieb vorzugsweise auf eine Lichtmaschine übertragen werden kann. Die Lichtmaschine ist ein elektrischer Generator, der elektrischen Verbrauchern elektrischen Strom liefern kann und vorzugsweise die Starterbatterie zum Starten des Kraftfahrzeugs lädt. Um die Lichtmaschine anzutreiben, wird zwischen der Kurbelwelle und der Lichtmaschine ein Riemen gespannt. Auf diese Weise kann eine Drehbewegung der Kurbelwelle über den Riemen auf die Lichtmaschine übertragen werden.
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Der Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs befindet sich im Wandel. Die klassische Kombination von Verbrennungsmotor und Getriebe wird zunehmend durch Hybridkomponenten und neue elektrische Verbraucher ergänzt. Im klassischen Aggregatetrieb kommt ein Riemenstartergenerator (RSG) zum Einsatz, der in der Regel auch als PO-Hybrid bezeichnet wird. Im Aggregatetrieb sind die klassischen 12-Volt-Riemen-Start-Stopp-Systeme bekannt. Zunehmend werden bei den heutigen P0-Hybridsysteme 48-Volt- oder Hochvolt-Riemenstartergeneratoren eingesetzt, um das Kraftfahrzeug entweder zumindest zeitweise über die elektrische Maschine anzutreiben oder dem Verbrennungsmotor zusätzlich elektrische Energie bereitzustellen. Somit können die strengen CO2-Vorschriften erfüllt werden.
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Eine Besonderheit der 48-Volt-Riemenstartergeneratoren liegt folglich darin, dass diese nicht nur Energie regenerieren, sondern auch bereitstellen und somit zuboosten können. Unter dem Begriff „boosten“ ist zu verstehen, dass dem Verbrennungsmotor zusätzliche Leistung durch den Elektroantrieb bereitgestellt werden kann. Aus Riemensicht verlagern sich die Kräfte zwischen den unterschiedlichen Betriebszuständen der elektrischen Maschine, wobei sich Zug- und Leertrum des Riemens vertauschen. Somit bedarf es einer optimierten Spannarchitektur des um Riemenscheibe geführten Riemens der elektrischen Maschine, um die Gesamteffizienz des Antriebssystems bei zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen zu erhöhen.
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Die
US 2018 0 019 638 A1 beschreibt eine rotierende elektrische Maschine mit einer Riemenscheibe zur Führung eines Riemens und einer Vorrichtung zur Regulierung der Spannung des Riemens. Hierzu weist die rotierende elektrische Maschine eine Spannungsregulierungsvorrichtung auf. Die Spannungsregulierungsvorrichtung weist wenigstens zwei Rollen auf, wobei eine Rolle durch elastische Mittel zwischen zwei Teilen verlagerbar ausgebildet ist, um den Riemen zu spannen und seine Spannung optimal zu regeln.
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Die
DE 10 2005 039 719 A1 beschreibt ein Spannsystem für ein Zugmitteltrieb mit einem in dem Zugmitteltrieb integrierten Startergenerator. Ein Reimen ist um eine Riemenscheibe geführt und über zwei verlagerbare Rollen gespannt.
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In der
DE 100 44 645 A1 ist eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, deren Riemenantrieb eine erhöhte Effizienz und Langlebigkeit aufweisen kann.
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Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben, wobei jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen kann.
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Erfindungsgemäß ist eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend eine um eine Rotorachse rotierbar angeordnete Rotorwelle eines Rotors mit einer endseitig auf der Rotorwelle angeordneten Riemenscheibe, einen zumindest abschnittsweise um die Riemenscheibe geführten Riemen, und wenigstens zwei ortsfest angeordnete Umlenkrollen zur Führung und/oder Umlenkung des um die Riemenscheibe geführten Riemens, die derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass der zumindest abschnittsweise um die Riemenscheibe geführte Riemen in einem festen Umschlingungswinkel um die Riemenscheibe geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine wenigstens zwei Riemenspanner umfasst, die derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass jeweils eine ortsfeste Umlenkrolle zwischen der Riemenscheibe und dem Riemenspanner angeordnet ist.
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Mit anderen Worten ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass eine elektrische Maschine bereitgestellt wird, die endseitig auf einer Rotorwelle eines um eine Rotorachse rotierbaren Rotors eine Riemenscheibe aufweist. Um die Riemenscheibe ist zumindest abschnittsweise ein Riemen geführt. Der Riemen dient dazu, entweder die Rotorwelle anzutreiben und in eine Drehbewegung zu versetzen, oder eine Drehbewegung der Rotorwelle auf andere Komponenten, vorzugsweise auf die Kurbelwelle, zu übertragen. Wird die Rotorwelle in eine Drehbewegung versetzt, so kann über den damit gekoppelten Rotor vorzugsweise elektrische Energie erzeugt werden. Bei einer Übertragung der Drehbewegung der Rotorwelle über die Riemenscheibe auf den Riemen kann vorzugsweise zuvor erzeugte und/oder gespeicherte elektrische über den Riemen auf die Kurbelwelle und/oder in weitere Komponenten einer Antriebseinrichtung übertragen werden. Durch die unterschiedlichen Betriebszustände der elektrischen Maschine wechselt die Belastung des Riemens zwischen Zug- und Leertrum.
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Zudem sind wenigstens zwei ortsfest angeordnete Umlenkrollen zur Führung und/oder Umlenkung des um die Riemenscheibe geführten Riemens vorgesehen. Ortsfest bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Umlenkrollen in ihrer Lage fixiert ausgebildet sind und lediglich um deren jeweilige Rotationsachse rotieren können. Sie sind folglich unverschieblich bzw. nicht verlagerbar ausgebildet. Die wenigstens zwei angeordneten Umlenkrollen sind derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass der zumindest abschnittsweise um die Riemenscheibe geführte Riemen in einem festen Umschlingungswinkel um die Riemenscheibe geführt ist. Unter einem festen Umschlingungswinkel ist ein unveränderbarer Umschlingungswinkel zu verstehen. Dies bedeutet, dass die Umlenkrollen den Riemen derart führen, dass sowohl bei einer Kraftübertragung von dem Riemen auf die Riemenscheibe der Rotorwelle sowohl in umgekehrter Richtung der Umschlingungswinkel des Riemens auf der Riemenscheibe gleichbleibt. Durch den gleichbleibenden Umschlingungswinkel für die unterschiedlichen Betriebszustände der elektrischen Maschine, nämlich zum Antreiben der elektrischen Maschine zur Energiegewinnung und in umgekehrter Richtung zum Übertragen einer Drehbewegung auf den Riemen bei der Energiezufuhr bzw. dem boosten, kann die Gesamteffizienz der elektrischen Maschine bzw. des gesamten Aggregattriebs erhöht werden.
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Erfindungsgemäß weist die elektrische Maschine wenigstens zwei Riemenspanner umfasst, die derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass jeweils eine ortsfeste Umlenkrolle zwischen der Riemenscheibe und dem Riemenspanner angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Riemenspannung des Riemens bei einer Verlagerung der Riemenbeanspruchung, bedingt durch einen wechselnden Betriebszustand der elektrischen Maschine, entlastet werden, wodurch die Langlebigkeit des Riemens erhöht werden kann.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Umlenkrollen auf einem den Rotor und/oder die elektrische Maschine zumindest abschnittsweise umgebenden Gehäuse angeordnet sind. Auf diese Weise können die Umlenkrollen in einfacher Weise auf dem Gehäuse angeordnet werden. Die Umlenkrollen können vorzugsweise über eine Schraub- und/oder Nietverbindung auf dem Gehäuse angeordnet werden, so dass diese lagesicher und/oder ortsfest auf dem Gehäuse anordbar und um deren Rotationsachse rotierbar ausgebildet sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umlenkrollen derart angeordnet sind, dass der Riemen im Wesentlichen U-förmig um die Riemenscheibe geführt ist. Grundsätzlich sollte die Auflagefläche des Riemens auf der Riemenscheibe so gering wie möglich gehalten werden, um die Systemeffizienz nicht zu reduzieren. Andererseits bedarf es jedoch auch einer gewissen Auflagefläche, um eine sichere Kraftübertragung zwischen Riemenscheibe und Riemen sicherzustellen. Letzteres wird dadurch erreicht, in dem der Riemen im Wesentlichen U-förmig um die Riemenscheibe geführt ist.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Umschlingungswinkel α einen Wert zwischen 180° ≤ α ≤ 250°, vorzugsweise zwischen 190° ≤ α ≤ 230°, und besonders bevorzugt zwischen 200° ≤ α ≤ 220°, aufweist. Dies bedeutet folglich, dass der Riemen zumindest U-förmig um die Riemenscheibe geführt ist, wobei die aufrechten Stege des der U-förmigen Riemenführung vorzugsweise zueinander zulaufend ausgebildet sind. Der Umschlingungswinkel α gibt folglich einen Winkelbereich der Riemenscheibe an, der im direkten Kontakt mit dem Riemen ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, dass jeweils ein Riemenspanner an einer der Umlenkrollen über ein Federelement federnd gelagert und/oder angeordnet ist. Dies bedeutet, dass jeweils eine Umlenkrolle und ein Riemenspanner ein System ausbilden. In diesem Zusammenhang ist nochmals zu erwähnen, dass die ortsfeste Umlenkrolle stets zwischen Riemenscheibe und Riemenspanner ausgebildet ist. Nur auf diese Art und Weise kann ein unveränderbarer Umschlingungswinkel des um die Riemenscheibe geführten Riemens bereitgestellt werden.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Antriebssystem für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors und der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, wobei der Riemen derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass zwischen der Kurbelwelle und der Rotorwelle eine Kraft und/oder Drehbewegung über den Riemen übertragbar ist.
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Auf diese Weise kann über den Riemen sowohl die elektrische Maschine angetrieben werden, um elektrische Komponenten mit elektrischer Energie zu versorgen. Umgekehrt ist es jedoch auch möglich, dass über die elektrische Maschine und den Riemen die Kurbelwelle angetrieben wird und somit zusätzliche Leistung bereitgestellt bzw. geboostet wird. Bedingt dadurch, dass vor der Riemenscheibe der elektrischen Maschine zwei ortsfest ausgebildete Umlenkrollen angeordnet sind, und somit der Umschlingungswinkel des Riemens fest bzw. unveränderbar ist, kann die Gesamteffizienz der Antriebseinrichtung beim Speichern der elektrischen Energie und/oder beim zuboosten der elektrischen Energie erhöht werden.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel. Das Ausführungsbeispiel ist nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Es soll den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in dem Ausführungsbeispiel offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen oder solche Merkmale in bestehende Ansprüche aufzunehmen. Das Ausführungsbeispiel wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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In dieser zeigt:
- 1 ein Antriebssystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine.
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Die 1 zeigt ein Antriebssystem 10 eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Das Antriebssystem 10 weist eine Kurbelwelle 12 eines Verbrennungsmotors, einen Klimakompressor 14 und eine elektrische Maschine 16 auf. Die elektrische Maschine 16 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein 48-Volt-Riemenstartergenerator (RSG). Eine derartige Anordnung von elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor wird auch als PO-Hybrid bezeichnet. Die Bezeichnung PO-Hybrid ist eine gängige Bezeichnung für die Anordnung der elektrischen Maschine im Antriebsstrang.
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Die elektrische Maschine 16 umfasst eine um eine Rotorachse 18 rotierbar angeordnete Rotorwelle 20 eines Rotors, wobei endseitig auf der Rotorwelle 20 eine Riemenscheibe 22 angeordnet ist. Um die Riemenscheibe 22 ist zumindest abschnittsweise ein Riemen 24 geführt. Der Riemen 24 ist als Endlosriemen ausgebildet und umschlingt zudem zumindest abschnittsweise eine Kurbelwellenriemenscheibe 26 der Kurbelwelle 12 sowie eine Klimakompressorriemenscheibe 28 des Klimakompressors 14. Auf diese Weise sind über den Riemen 24 die Rotorwelle 20, die Kurbelwelle 12 und der Klimakompressor 14 miteinander gekoppelt.
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Eine Drehbewegung der Kurbelwelle 12 kann über den Riemen 24 auf die Rotorwelle 20 übertragen werden, um auf diese Weise elektrische Energie in der elektrischen Maschine 16 für elektrische Komponenten zu erzeugen. Umgekehrt ist es aber auch möglich, dass über eine Drehbewegung der Rotorwelle 20 über die von der elektrischen Maschine 16 erzeugte elektrische Energie und/oder gespeicherte elektrische Energie der Kurbelwelle 12 zusätzliche Leistung zugeführt wird. Somit kann vorzugsweise eine zusätzliche Leistung zur Beschleunigung des Kraftfahrzeugs über die elektrische Maschine 16 bereitgestellt werden. Das Bereitstellen zusätzlicher Leistung über die elektrische Maschine 16 wird auch als boosten bezeichnet.
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Die elektrische Maschine 16 weist zwei ortsfest angeordnete Umlenkrollen 30 zur Führung und/oder Umlenkung des um die Riemenscheibe 22 geführten Riemens 24 auf. Ortsfest in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die Lage der Umlenkrollen 30 in Bezug auf die Position der Rotorachse 18 nicht veränderbar ist. Demnach sind die Umlenkrollen 30 derart positioniert, dass diese lediglich um deren Rotationsachsen rotierbar ausgebildet sind. Die Umlenkrollen 30 sind derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass der zumindest abschnittsweise um die Riemenscheibe 22 geführte Riemen 24 in einem festen Umschlingungswinkel α um die Riemenscheibe 22 geführt ist. Der Umschlingungswinkel α beschreibt den Winkel der Riemenscheibe 22, der dauerhaft und/oder kontinuierlich in direkten Kontakt mit dem Riemen 24 ist. Unter einem festen Umschlingungswinkel α ist folglich ein unveränderbarer Umschlingungswinkel zu verstehen. Über den festen Umschlingungswinkel α kann die Effizienz zwischen Riemen 24 und Riemenscheibe 22 für die unterschiedlichen Betriebszustände der elektrischen Maschine 16, nämlich dem Regenerieren von elektrischer Energie oder dem Zuführen bzw. boosten von elektrischer Energie, bei der ein Belastungswechsel des Riemens 24 zwischen Zugtrum und Leertrum erfolgt, erhöht werden.
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Die Umlenkrollen 30 sind vorzugsweise auf einem Gehäuse 32 der elektrischen Maschine 16 angeordnet. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung der Umlenkrollen 30 auf dem Gehäuse 32 über eine Schraubverbindung. Somit können die Umlenkrollen 30 in einfacher Weise ortsfest auf dem Gehäuse 32 angeordnet werden und sind zudem um deren Rotationsachse rotierbar ausgebildet.
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Der 1 ist zudem zu entnehmen, dass der Riemen 24 im Wesentlichen U-förmig um die Riemenscheibe 22 geführt ist. Der Umschlingungswinkel α beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Wert von α = 210°. Dies bedeutet, dass bei einer im Wesentlichen U-förmigen Umschlingung der Riemenscheibe 22 die Stege der U-förmigen Ausbildung des Riemens 24 zulaufend zueinander ausgebildet sind.
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Auf diese Weise kann eine besonders effiziente Kraftübertragung zwischen Riemenscheibe 22 und Riemen 24 erfolgen.
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Die elektrische Maschine 16 umfasst zudem zwei Riemenspanner 34, die derart angeordnet sind, dass jeweils eine ortsfeste Umlenkrolle 30 zwischen der Riemenscheibe 22 und dem Riemenspanner 34 angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Riemen 24 bei einer Verlagerung von Zug- und Leertrum über die Riemenspanner 34 entlastet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Riemenspanner 34 an einer der Umlenkrollen 30 über ein Federelement 36 federnd gelagert bzw. angeordnet.
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Folglich wird eine Spannarchitektur für den Riemen 24 bereitgestellt, der sowohl beim Regenerieren von elektrischer Energie durch die elektrische Maschine 16 als auch beim Boosten von Leistung über die elektrische Maschine eine erhöhte Effizienz aufweisen kann.
