DE102019109919A1

DE102019109919A1 - Ein Anlasser für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102019109919A1
Application number: DE102019109919.6A
Authority: DE
Inventors: Chandra S. Namuduri; Lei Hao; Alexandru Rajala; Thomas W. Nehl
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-10-24
Also published as: CN110397535A; CN110397535B; US20190323473A1; US11015564B2

Abstract

Eine Anlasseranordnung umfasst einen mehrphasigen bürstenlosen Elektromotor mit einem Stator, einem Rotor, der auf einer drehbaren Welle angeordnet ist und eine Motorendkappe, die an einem ersten Ende des Stators angeordnet ist. Eine elektronische Kommutatoranordnung umfasst eine Erfassungsschaltung, eine Steuerelektronik-Unteranordnung, eine Leistungselektronik-Unteranordnung und einen Kühlkörper. Die Erfassungsschaltung ist benachbart zu dem zweiten Ende der drehbaren Welle angeordnet. Die Steuerelektronik-Unteranordnung, die Leistungselektronik-Unteranordnung und der Kühlkörper sind auf scheibenförmigen Vorrichtungen angeordnet, die in einer gestapelten Konfiguration orthogonal zu der durch die drehbare Welle definierten Achse angeordnet sind. Die Steuerelektronik-Unteranordnung ist benachbart zu der Erfassungsschaltung angeordnet, und die Leistungselektronik-Unteranordnung ist benachbart zu der Steuerelektronik-Unteranordnung angeordnet. Die Steuerelektronik-Unteranordnung ist zwischen der Leistungselektronik-Unteranordnung und der Erfassungsschaltung angeordnet. Der Kühlkörper ist benachbart zu der Leistungselektronik-Unteranordnung angeordnet.

Description

EINLEITUNG
Verbrennungsmotoren können einen elektrischen Anlasser aufweisen, der angeordnet ist, um eine Kurbelwelle zu drehen, was zu einem Anlassereignis führt.
KURZDARSTELLUNG
Eine Anlasseranordnung für einen Verbrennungsmotor wird beschrieben und umfasst einen bürstenlosen Mehrphasen-Elektromotor mit einem Stator, einem auf einer drehbaren Welle angeordneten Rotor und einer an einem ersten Ende des Stators angeordneten Motorendkappe. Eine Motormontagestruktur mit einem rückziehbaren Ritzel ist mit einem Planetenradsatz gekoppelt, und die Motormontagestruktur ist an einem zweiten Ende des Stators angeordnet. Eine elektronische Kommutatoranordnung ist an der Motorendkappe angeordnet und umfasst eine Erfassungsschaltung, eine Steuerelektronik-Unteranordnung, eine Leistungselektronik-Unteranordnung und einen Kühlkörper. Die elektronische Kommutatoranordnung ist in einer Abdeckung angeordnet. Die drehbare Welle definiert eine Achse. Ein erstes Ende der drehbaren Welle ist mit dem Planetenradsatz gekoppelt, und ein zweites Ende der drehbaren Welle ragt durch eine Öffnung in der Motorendkappe vor. Die Erfassungsschaltung ist benachbart zu dem zweiten Ende der drehbaren Welle angeordnet. Die Steuerelektronik-Unteranordnung, die Leistungselektronik-Unteranordnung und der Kühlkörper sind auf scheibenförmigen Vorrichtungen angeordnet, die in einer gestapelten Konfiguration orthogonal zu der durch die drehbare Welle definierten Achse angeordnet sind. Die Steuerelektronik-Unteranordnung ist benachbart zu der Erfassungsschaltung angeordnet, und die Leistungselektronik-Unteranordnung ist benachbart zu der Steuerelektronik-Unteranordnung angeordnet. Die Steuerelektronik-Unteranordnung ist zwischen der Leistungselektronik-Unteranordnung und der Erfassungsschaltung angeordnet. Der Kühlkörper ist benachbart zu der Leistungselektronik-Unteranordnung und distal zu der Steuerelektronik-Unteranordnung angeordnet. Die Leistungselektronik-Unteranordnung ist thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt. Die Leistungselektronik-Unteranordnung und die Steuerelektronik-Unteranordnung umfassen jeweils eine elektrische Masse, und die elektrische Masse ist elektrisch über die Motorendkappe mit der Motormontagestruktur verbunden. Die Leistungselektronik-Unteranordnung umfasst einen Wechselrichter, der elektrisch mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die Leistungselektronik-Unteranordnung steht mit dem Anlasser-Wechselrichter der Leistungselektronik-Unteranordnung in Verbindung, und die Leistungselektronik-Unteranordnung ist elektrisch mit dem Stator des bürstenlosen Mehrphasen-Elektromotors verbunden.
Ein Aspekt der Offenbarung umfasst ein Rotorpositionsziel, das an dem zweiten Ende der drehbaren Welle angeordnet ist, wobei die Erfassungsschaltung angeordnet ist, um das Rotorpositionsziel zu überwachen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst, dass das Rotorpositionsziel ein radial magnetisierter Ringmagnet ist, der an einem Ende der Rotorwelle angeordnet ist, und wobei die Erfassungsschaltung eine außerhalb der Achse liegende Erfassungsschaltung umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst, dass das Rotorpositionsziel ein diametral magnetisierter Magnet ist, der an einem Ende der Rotorwelle angeordnet ist, und wobei die Erfassungsschaltung eine auf der Achse angeordnete Erfassungsschaltung umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst eine zentral angeordnete Signalschnittstelle zur Verbindung zwischen der Leistungselektronik-Unteranordnung und der Steuerelektronik-Unteranordnung.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung umfasst, dass das Ritzel so angeordnet ist, dass dieses sich entlang eines drehbaren Elements bewegt, das mit dem Rotor gekoppelt ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst, dass der bürstenlose Mehrphasen-Elektromotor einen Dreiphasen-Elektromotor ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst einen wärmeleitfähigen elektrischen Isolator, der zwischen der Leistungselektronik-Unteranordnung und dem Kühlkörper angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst mehrere Wärmedurchgangslöcher, die in einer Leistungsschaltungsplatine angeordnet sind, um eine Wärmekommunikation zwischen einem Teil der Leistungselektronik-Unteranordnung und dem Kühlkörper zu bewirken.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst, dass der wärmeleitfähige elektrische Isolator angeordnet ist, um Abschnitte der Leistungselektronik-Unteranordnung von dem Kühlkörper elektrisch zu isolieren.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst, dass die elektronische Kommutatoranordnung in einer Abdeckung angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst, dass die Steuerelektronik-Unteranordnung und die Leistungselektronik-Unteranordnung auf scheibenförmigen Vorrichtungen angeordnet sind.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Steuerelektronik-Unteranordnung einschließlich einer Leiterplatte mit hoher Packungsdichte mit einer Vielzahl von Gate-Treibern, die mit Leistungsschaltern in Verbindung stehen, die auf der Leistungselektronik-Unteranordnung angeordnet sind.
Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Arten und anderen Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehren, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen deutlich hervor.
Figurenliste
Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 stellt schematisch ein Fahrzeug mit einem Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor und einer bürstenlosen elektrischen Anlasseranordnung dafür dar.
2 stellt eine seitliche Querschnittansicht der in 1 gezeigten Anlasseranordnung dar.
3 veranschaulicht eine isometrische Explosionsansicht der in 2 gezeigten Anlasseranordnung.
4 stellt eine auseinandergezogene isometrische Vorderansicht der in den 2 und 3 gezeigten Anlasseranordnung dar.
5 stellt schematisch eine Steuerschaltung dar, die einer mit Bezug auf 2, 3 und 4 beschriebenen Ausführungsform der Anlasseranordnung zugeordnet ist.
6 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer elektronischen Kommutatoranordnung, die eine außeraxiale Positionserfassungsschaltung umfasst, die einer Ausführungsform der Anlasseranordnung zugeordnet ist, die mit Bezug auf 2, 3 und 4 beschrieben ist.
7 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer elektronischen Kommutatoranordnung, die eine auf der Achse angeordnete Positionserfassungsschaltung umfasst und die einer Ausführungsform der Anlasseranordnung zugeordnet ist, die mit Bezug auf 2, 3 und 4 beschrieben ist.
8 stellt eine Draufsicht auf eine erste Seite einer Ausführungsform einer Prozessorschaltungsplatine für eine Steuerelektronik-Unteranordnung dar, die mit einer Ausführungsform der mit Bezug auf 2, 3 und 4 beschriebenen Anlasseranordnung verbunden ist.
9 stellt eine Draufsicht auf eine zweite Seite einer Ausführungsform einer Prozessorschaltungsplatine für eine Steuerelektronik-Unteranordnung dar, die mit einer Ausführungsform der mit Bezug auf 2, 3 und 4 beschriebenen Anlasseranordnung verbunden ist dar.
10 stellt eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform der Leistungselektronik-Unteranordnung dar, die einer Ausführungsform der Anlasseranordnung zugeordnet ist, die mit Bezug auf 2, 3 und 4 beschrieben ist.

Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale der vorliegenden Offenbarung, wie hierin offenbart, einschließlich beispielsweise spezifischer Dimensionen, Orientierungen, Orte und Formen, darstellen. Details, die zu solchen Merkmalen gehören, werden teilweise durch die bestimmte beabsichtigte Anwendungs- und Verwendungsumgebung ermittelt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung, wie beansprucht, einzuschränken, sondern sie ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung dargelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige dieser Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde zum Zwecke der Klarheit bestimmtes technisches Material, das im entsprechenden Stand der Technik verstanden wird, nicht ausführlich beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden. Des Weiteren sind die Zeichnungen vereinfacht und nicht im exakten Maßstab dargestellt. Darüber hinaus kann die Offenbarung, wie hierin veranschaulicht und beschrieben, in Abwesenheit eines Elements ausgeführt werden, das hierin nicht ausdrücklich offenbart ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Figuren entsprechen, zeigt 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 10, das ein Antriebssystem 11 umfasst. Das Fahrzeug 10 kann ein Antriebssystem aufweisen, das ausschließlich einen Verbrennungsmotor (Motor) 12 verwendet. Alternativ kann das Fahrzeug 10 ein Hybridelektrofahrzeug (HEV - Hybrid Electric Vehicle) sein, das einen Antriebsstrang aufweist, der sowohl den Motor 12 als auch eine elektrische Antriebsquelle verwendet. Im Falle der HEV-Ausführungsform des Fahrzeugs 10 können entweder der Motor 12 und/oder die elektrische Antriebsquelle selektiv aktiviert werden, um einen Antrieb, basierend auf den Fahrzeugbetriebsbedingungen und anderen Faktoren, bereitzustellen.
Der Motor 12 kann in einer Ausführungsform am Fahrzeug 10 angeordnet sein, und das Fahrzeug kann eine mobile Plattform in Form eines Nutzfahrzeugs, eines industriellen Fahrzeugs, eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs, eines Personenfahrzeugs, eines Flugzeugs, eines Wasserfahrzeugs, eines Zuges, eines Geländefahrzeugs, einer persönlichen Bewegungsvorrichtung, eines Roboters und dergleichen umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt, um die Zwecke dieser Offenbarung zu erzielen. Alternativ kann der Motor 12 auf einer stationären Energiequelle angeordnet sein.
Der Motor 12 überträgt Drehmoment auf eine Welle 14. Entlang der Welle 14 können eine oder mehrere Entkopplungsvorrichtungen enthalten sein, um die Drehmomentabgabe des Motors 12 von den verbleibenden Abschnitten des Antriebsstrangs zu entkoppeln. Eine Kupplung 16 ist vorgesehen, um eine teilweise oder vollständige Drehmomententkopplung des Motors 12 zu ermöglichen. In einem Beispiel ist Kupplung 16 eine Reibungskupplung mit einer Vielzahl von Reibungsplatten, die mindestens teilweise zur Übertragung von Drehmoment eingreifen, wenn die Kupplung geschlossen ist, und bei geöffneter Kupplung getrennt sind und den Drehmomentfluss zwischen den nachgelagerten Abschnitten des Antriebsstrangs und dem Motor 12 isolieren. Es kann auch ein Drehmomentwandler 18 enthalten sein und für eine Fluidkopplung zwischen dem Ausgabeabschnitt des Motors 12 und nachgelagerten Bereichen des Antriebssystems 11 sorgen. Der Drehmomentwandler 18 arbeitet so, dass die Drehmomentübertragung von dem Motor 12 auf den Rest des Antriebssystems 11 gleichmäßig ansteigt. Der Drehmomentwandler 18 ermöglicht ebenfalls eine Entkopplung des Motors 12, sodass der Motor 12 bei niedriger Drehzahl weiterlaufen kann, ohne einen Antrieb des Fahrzeugs 10 zu erzeugen, z. B. bei stationären Leerlaufbedingungen.
Im Fall der HEV-Ausführungsform des Fahrzeugs 10 kann die elektrische Antriebsquelle ein erster Motor 20 sein, der von einer externen Hochspannungs-Energieversorgung und einem Energiespeichersystem mit einer Hochspannungsantriebsbatterie 22, d. h., einer Gleichspannungsquelle, angetrieben wird. In einer Ausführungsform ist eine Hochspannungsantriebsbatterie eine, die eine Betriebsspannung von mehr als ungefähr 36 V, aber weniger als 60 V aufweist. Beispielsweise kann die Antriebsbatterie eine Lithiumionen-Hochvoltbatterie mit einer Nennspannung von 48 V sein. Bei der HEV-Ausführungsform des Fahrzeugs 10 wird der Hochspannungsgleichstrom vor dem Anlegen an den ersten Elektromotor 20 durch einen Wechselrichter 24 aufbereitet. Der Wechselrichter 24 enthält mehrere Schalter und eine Steuerschaltung, die den Gleichstrom in dreiphasigen Wechselstrom zum Antrieb des Elektromotors 20 umwandelt. Ein negativer Anschluss der Hochspannungsantriebsbatterie 22 ist elektrisch mit einer Chassismasse 95 verbunden.
Zusätzlich kann der erste Elektromotor 20 im Fall des HEV-Antriebsstrangs in Abhängigkeit von der Richtung des Leistungsflusses mehrere Betriebsmodi aufweisen. In einem Motormodus ermöglicht die von der Hochspannungsantriebsbatterie 22 gelieferte Leistung dem ersten Elektromotor 20, ein Ausgangsdrehmoment an einer Welle 26 zu erzeugen. Das Ausgangsdrehmoment des ersten Elektromotors 20 kann dann durch ein Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis 28 übertragen werden, um die Auswahl eines gewünschten Übersetzungsverhältnisses vor der Abgabe eines Ausgangsdrehmoments an einen Endantriebsmechanismus 30 zu erleichtern. Der Achsantriebsmechanismus 30 kann ein Mehrgang-Differential sein, das so konfiguriert ist, dass dieses ein Drehmoment auf eine oder mehrere Seiten- oder Halbwellen 31 verteilt, die mit den Rädern 32 gekoppelt sind. Der erste Elektromotor 20 kann entweder dem Getriebe 28 vorgelagert, dem Getriebe 28 nachgelagert oder innerhalb eines Gehäuses des Getriebes 28 integriert sein.
Der erste Elektromotor 20 kann ebenfalls konfiguriert sein, um in einem Energieerzeugungsmodus zu arbeiten, um die Drehbewegung verschiedener Komponenten des Antriebssystems 11 in elektrische Leistung umzuwandeln, einschließlich zum Speichern in der Hochspannungsantriebsbatterie 22. Wenn sich das Fahrzeug 10 bewegt, gleich ob per Motor 12 angetrieben oder durch Schub aus seiner eigenen Trägheit, dreht die Drehung der Welle 26 einen Anker oder Rotor (nicht dargestellt) des ersten Elektromotors 20. Die Bewegung bewirkt ein elektromagnetisches Feld zur Erzeugung eines Wechselstroms, der durch den Wechselrichter 24 in Gleichstrom umgewandelt wird. Der Gleichstrom kann dann der Hochspannungsantriebsbatterie 22 zugeführt werden, um ihren Ladezustand wieder aufzufüllen. Ein unidirektionaler oder bidirektionaler Gleichspannungswandler 33 kann verwendet werden, um eine Niederspannungsbatterie 34 (z. B. 12 V) aufzuladen und Niederspannungslasten 35 zu versorgen, wie beispielsweise 12-V-Lasten. Wenn ein bidirektionaler DC/DC-Wandler 33 verwendet wird, kann die Hochspannungsbatterie 22 von der Niederspannungsbatterie 34 aus gestartet werden. Entweder die Niederspannungsbatterie 34 oder die Hochspannungsantriebsbatterie 22 kann verwendet werden, um dem Anlasser 40 elektrische Energie zuzuführen, um den Motor 12 zu drehen und zu starten.
Die verschiedenen hier erörterten Komponenten des Antriebssystems können von einer oder mehreren zugeordneten Steuerung(en) gesteuert und überwacht werden. Die Steuerung 36, obwohl schematisch als einzelne Steuerung dargestellt, kann als eine Steuerung oder als ein System zusammenwirkender Steuerungen zur gemeinsamen Verwaltung des Antriebssystems umgesetzt werden. Mehrere Steuermodule können über einen seriellen Bus (z. B. ein CAN (Controller Area Network)) oder über separate Leiter verbunden sein. Die Steuerung 36 enthält einen oder mehrere digitale Rechner, die jeweils einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, eine Analog/Digital(A/D)- und eine Digital/Analog (D/A)-Schaltung sowie Ein-/Ausgabeschaltungen (E/A) und Vorrichtungen sowie eine entsprechende Signalaufbereitung und Pufferschaltung aufweisen. Die Steuerung 36 kann auch eine Anzahl von Algorithmen oder vom Rechner ausführbaren Anweisungen speichern, die nötig sind, um Befehle zum Ausführen von Aktionen gemäß der vorliegenden Offenbarung zu erteilen.
Die Steuerung 36 ist programmiert, um den Betrieb der verschiedenen hierin erläuterten Antriebssystemkomponenten zu überwachen und zu koordinieren. Die Steuerung 36 steht mit dem Motor 12 in Verbindung und empfängt Signale, die die Motordrehzahl, die Kühlmitteltemperatur und/oder andere Motorbetriebsbedingungen anzeigen. Die Steuerung 36 kann ebenfalls mit dem ersten Elektromotor 20 in Verbindung stehen und Signale empfangen, die die Motordrehzahl, das Drehmoment und die Stromaufnahme angeben. Die Steuerung 36 kann ebenfalls mit der Hochspannungsantriebsbatterie 22 in Verbindung stehen und Signale empfangen, die Statusanzeigen wie einen Ladezustand der Batterie (SOC - State of Charge), die Batterietemperatur und die Stromaufnahme anzeigen. Die Steuerung 36 kann ebenfalls Signale empfangen, die die Schaltungsspannung über dem Hochspannungsbus anzeigen. Die Steuerung 36 kann ferner mit einem oder mehreren Sensoren in Verbindung stehen, die angeordnet sind, um ein oder mehrere Fahrereingabepedale 38 zu überwachen, um Signale zu empfangen, die eine bestimmte Pedalstellung angeben und die eine Beschleunigungsanforderung des Fahrers widerspiegeln können. Das/die Fahrereingabepedal(e) 38 kann/können in einer Ausführungsform ein Gaspedal und/oder ein Bremspedal umfassen. In alternativen Ausführungsformen, wie beispielsweise einem selbstfahrenden autonomen Fahrzeug, kann die Beschleunigungsanforderung von einem Rechner bestimmt werden, der sich entweder an Bord des Fahrzeugs 10 oder außerhalb des Fahrzeugs befindet.
Wie vorstehend erwähnt, können im Fall der HEV-Ausführungsform des Fahrzeugs 10 der Motor 12 und/oder der erste Elektromotor 20 zu einem bestimmten Zeitpunkt mindestens auf Grundlage der Antriebsanforderungen des betreffenden Fahrzeugs betrieben werden. Während Bedingungen hoher Drehmomentanforderungen kann die Steuerung 36 bewirken, dass sowohl der Motor 12 als auch der erste Elektromotor 20 aktiviert werden, sodass jede der Antriebsquellen ein entsprechendes Ausgangsdrehmoment für den gleichzeitigen oder kombinierten Antrieb des Fahrzeugs 10 bereitstellt. Bei bestimmten Bedingungen mit gemäßigtem Drehmomentbedarf arbeitet der Motor 12 effizient und kann als einzige Antriebsquelle verwendet werden. Beispielsweise kann der erste Elektromotor 20 während einer Autobahnfahrt des HEV mit einer relativ konstanten Geschwindigkeit deaktiviert werden, sodass nur der Motor 12 ein Ausgangsdrehmoment bereitstellt.
Unter anderen Betriebsbedingungen des HEV kann der Motor 12 deaktiviert werden, sodass nur der erste Elektromotor 20 ein Ausgangsdrehmoment bereitstellt. Die Kupplung 16 kann geöffnet werden zur Entkopplung der Welle 14 von den nachgelagerten Abschnitten des Antriebsstrangs. Insbesondere beim Rollen des Fahrzeugs, wenn ein Fahrer das Fahrzeug 10 unter seiner eigenen Trägheit und durch Straßenreibung verzögern lässt, kann der Motor 12 deaktiviert und der erste Elektromotor 20 im Generatorbetrieb zur Energierückgewinnung betrieben werden. Außerdem kann selbst in einem Fahrzeug 10, das nur den Motor 12 zum Vortrieb verwendet, die Deaktivierung des Motors 12 während eines vorübergehenden Fahrzeugstopps, beispielsweise an einer Ampel, wünschenswert sein. Anstatt den Motor 12 im Leerlauf zu lassen, kann der Kraftstoffverbrauch durch Deaktivieren des Motors beim Stillstand des Fahrzeugs 10 reduziert werden. In beiden Beispielen kann es vorteilhaft sein, den Motor 12 als Reaktion auf eine nachfolgende Wiederaufnahme oder zur Erhöhung der Antriebsanforderung schnell neu zu starten. Ein sofortiges Starten des Motors 12 kann vermeiden, dass ein rauer Lauf und/oder eine Latenz bei der Leistungsabgabe von einem Fahrer des Fahrzeugs 10 wahrgenommen werden.
Das Fahrzeug 10 umfasst ebenfalls einen zweiten Elektromotor, im Folgenden als Anlasseranordnung 40 bezeichnet, der einen bürstenlosen Mehrphasen-Elektromotor 54 verwendet. Die Anlasseranordnung 40 ist mit dem Motor 12 gekoppelt und so angeordnet, dass diese das Anlassdrehmoment als Teil einer Motoranlassroutine erzeugt, die in einer Motorstopp/-start-Routine verwendet wird.
Wenn die Anlasseranordnung 40 mit dem Motor 12 in Eingriff steht, was zu einem Motoranlassereignis führt, dreht die Anlasseranordnung 40 eine Kurbelwelle des Motors 12, um einen Kaltstart oder einen Neustart derselben zu ermöglichen. Insbesondere ist die Anlasseranordnung 40 so konfiguriert, dass diese einkuppelt und selektiv ein Eingangsdrehmoment T an das Tellerrad 12A, das mit einer Kurbelwellen-Schwungscheibe oder einer Biegeplatte (nicht gezeigt) des Motors 12 verbunden ist, um den Motor zu drehen, anlegt. Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die Steuerung 36 so programmiert, dass diese einen Befehl zum Starten des Motors 12 unter Verwendung der Anlasseranordnung 40 als Reaktion auf eine Beschleunigungsanforderung ausgibt, wie z. B. über einen/mehrere Sensor(en) (nicht gezeigt) am/an den Fahrereingabepedal(en) 38, nach einer Periode mit verringerter Beschleunigungsanforderung, erfasst.
Wie in den 2-4 dargestellt, ist die Anlasseranordnung 40 als ein auf der Achse angeordneter Elektromotor konfiguriert. Wie hierin definiert, bedeutet „auf der Achse“, dass die Anlasseranordnung 40 so entworfen und konstruiert ist, dass die Getriebekomponenten des Anlassers, der Elektromotor und die elektronische Kommutatoranordnung auf einer gemeinsamen ersten Achse X1 angeordnet sind. Die Anlasseranordnung 40 umfasst ein Teil-Planetengetriebe 42, das über eine Freilaufkupplung 45 mit einem Anlasserritzel 44 wirkverbunden ist, das dazu konfiguriert ist, entlang der ersten Achse X1 zu gleiten. Das Teil-Planetengetriebe 42 stellt eine erforderliche Drehzahlreduzierung bereit, wie ungefähr zwischen 25:1 und 55:1, um ein geeignetes Maß an Kurbeldrehmoment an die Kurbelwelle auszugeben. Wie in den 2-4 gezeigt, umfasst die Anlasseranordnung 40 ein Zahnradsatzgehäuse 46, das so konfiguriert ist, dass dieses das Teil-Planetengetriebe 42 aufnehmen kann und einen Montageflansch 46A zur Befestigung an dem Motor 12 über geeignete Befestigungselemente aufweist.
Das Teil-Planetengetriebe 42 umfasst ein inneres Tellerrad 42-1, das an dem Zahnradsatzgehäuse 46 befestigt ist. Das Teil-Planetengetriebe 42 umfasst ferner eine Vielzahl von Ritzeln 42-2 in Eingriff mit dem inneren Tellerrad 42-1 und einen Planetenträger 42-3, der zum Halten der Ritzel konfiguriert ist. Insbesondere kann das Teil-Planetengetriebe 42 über eine Freilaufkupplung 45 direkt mit dem Anlasserritzel 44 über eine Ritzelwelle 48 verbunden sein. Zu diesem Zweck kann die Ritzelwelle 48 über eine Außenverzahnung 48A verfügen, während das Ritzel 44 und die Freilaufkupplung 45 passende Innenverzahnungen 44A besitzen, sodass das Ritzel 44 und die Freilaufkupplung 45 entlang der Ritzelwelle gleiten können, wenn das Ritzel in einer Ausführungsform zum Eingriff mit dem Tellerrad 12A am Motorschwungrad herausgedrückt wird. Wie dargestellt, ist das Zahnradsatzgehäuse 46 konfiguriert, um eine Nase der Ritzelwelle 48 über eine Lagerfläche 46B zu tragen.
Die Anlasseranordnung 40 umfasst ebenfalls ein Motorgehäuse 50. Das Zahnradsatzgehäuse 46 kann zusammen mit einer Motorendkappe 68 an dem Motorgehäuse 50 befestigt sein, beispielsweise über einen Sprengring 71, der mit Bezug auf 3 gezeigt ist. Das Motorgehäuse 50 umfasst ein erstes Lager 52 und ist konfiguriert, um den bürstenlosen Elektromotor 54 aufzunehmen, der ein Permanentmagnet-Wechselstrom- oder Gleichstrom-Elektromotor ist. Der bürstenlose Elektromotor 54 kann zum Beispiel einer von mehreren Motortypen sein, wie beispielsweise ein Induktionsmotor, ein Permanentmagnet(PM)-Motor mit Oberflächenmontage, ein PM-Innenmotor, ein Synchron-Reluktanzmotor, ein PM-Reluktanzmotor, ein Jochring-Asynchronmotor oder ein geschalteter Reluktanzmotor. Der bürstenlose Elektromotor 54 kann ebenfalls ein Radial- oder ein Axialmotor sein. Die Drahtauswahl an dem bürstenlosen Elektromotor 54 kann zum Beispiel einen Einzeldrahtleiter umfassen, der einen runden, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen kann, der für konzentriertes oder verteiltes Wickeln verwendet werden kann.
Im Vergleich zu Bürsten-Elektromotoren können bürstenlose Motoren aufgrund des Entfalls des physikalischen Verschleißes durch den Kontakt der Bürsten am Kommutator eine längere Lebensdauer aufweisen. Ferner kann ein elektronisch kommutierender elektrischer Motor in der Lage sein, eine präzisere Steuerung der Motordrehzahl im Vergleich zu einem Motor mit Bürsten aufzuweisen. In einigen Beispielen kann der zweite elektrische Motor unter Verwendung einer Feldschwächungssteuerungsstrategie betrieben werden, um die Steuerung der Leistungsabgabe weiter zu verbessern. Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die Drehung der Anlasseranordnungausgabe 40 mit der Drehung des Tellerrads 12A synchronisiert, um Geräusch, Vibration und Härte (NVH - Noise, Vibration, and Harshness) zu reduzieren, die während eines Neustarts der Kraftmaschine 12 auftreten können.
Unter Bezugnahme auf 2, die einen Querschnitt der Anlasseranordnung 40 und eine Explosionsansicht in 3 darstellt, umfasst der bürstenlose Elektromotor 54 eine mehrphasige Statoranordnung 56 mit einem Statorkern 56B, der konzentrisch innerhalb des Motorgehäuses 50 in Bezug auf die erste Achse X1 angeordnet ist. Eine Anzahl von Wicklungen 56A ist an dem Statorkern 56B vorgesehen, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Die Wicklungen 56A sind elektrisch mit einer Leistungselektronik-Unteranordnung 78 einer elektronischen Kommutatoranordnung 74 durch eine Vielzahl von Phasenleitern 57 verbunden, die hochtemperaturgeprüfte (>240 °C) isolierte Leitungen sind, die vom Elektromotor 54 nach außen parallel mit der ersten Achse X1 hervorragen und ragen in Richtung auf die elektronische Kommutatoranordnung 74 vor, um mit dieser elektrisch verbunden zu sein. Die Phasenleiter 57 sind am Außenumfang der Statoranordnung 56 positioniert und befinden sich in einem mechanischen Abstand von 120 Grad. Der bürstenlose Elektromotor 54 umfasst ebenfalls eine Rotoranordnung 58, die zur Drehung innerhalb der Statoranordnung 56 angeordnet ist. Die Rotoranordnung 58 umfasst einen Rotor 58A. Der bürstenlose Elektromotor 54 wird angetrieben, wenn die Wicklungen 56A sequentiell betrieben werden, um ein rotierendes elektromagnetisches Feld zu erzeugen, und die Rotoranordnung 58 wird gedreht, wenn der Statorkern 56B somit erregt wird.
Der Statorkern 56B hat eine zylindrische Form und definiert einen hohlen Mittelabschnitt zur Aufnahme des Rotors 58A. Gemäß zumindest einem Beispiel kann der Außendurchmesser des Statorkerns 56B auf nicht mehr als 80 mm begrenzt sein. Der Rotor 58A ist so konfiguriert, dass dieser sich relativ zu dem Statorkern 56B um die erste Achse X1 dreht. Der Rotor 58A kann in Schichten oder Lamellen gebildet sein, die in axialer Richtung entlang der ersten Achse X1 gestapelt sind, wobei das Blechpaket eine aktive Länge der Anlasseranordnung 40 definiert. Gemäß einem Beispiel ist die Länge des Blechpakets auf nicht mehr als 40 mm begrenzt. Die Gesamtgröße der Anlasseranordnung 40 kann von den Packungsbeschränkungen abhängig sein, sodass ein Verhältnis des Außendurchmessers des Statorkerns 56B zur Blechpaketlänge in einem Bereich zwischen ungefähr 1,5 und 3,5 liegt.
Der Rotor 58A kann mehrere Öffnungen 59 definieren, die nahe dem Außenumfangsabschnitt des Rotors angeordnet sind, und jede Öffnung kann konfiguriert sein, um einen Permanentmagneten 59A zu halten. Die Öffnungen 59 sind so bemessen, dass diese die Herstellbarkeit verbessern, beispielsweise mit einer Öffnungsweite von mindestens ungefähr 2 mm. Die Vielzahl von Permanentmagneten 59A kann aus einer Art von Legierung auf Eisenbasis, wie beispielsweise Neodym, gebildet sein und zusammenwirken, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das nach dem Erregen des Stators mit diesem interagiert, um eine Bewegung des Rotors 58A zu bewirken. Zum Beispiel kann jeder der Permanentmagneten 59A eine rechteckige Form besitzen, um zur Vereinfachung beizutragen und die Herstellungskosten zu senken. Andere Magnetformen können jedoch für eine spezifische Anwendung des bürstenlosen Elektromotors 54 gemäß der vorliegenden Offenbarung geeignet sein.
Die Permanentmagnete 59A sind so angeordnet, dass diese eine Anzahl von magnetischen Polen um den Rotor 58A bilden. Jeder der Dauermagnete 59A ist innerhalb einer der Öffnungen 59 des Rotors 58A befestigt und fungiert als ein magnetischer Pol des rotierenden elektrischen Motors. Der magnetische Fluss wird in einer zum Körper des Magneten 59A senkrechten Richtung erzeugt. Die Öffnungen 59 des Rotors 58A können so geformt sein, dass diese Luftspalten (nicht gezeigt) auf jeder Seite jedes Permanentmagneten 59A umfassen. Die Luftspalten zwischen jedem Pol können so bemessen sein, dass diese den Flussverlust zwischen den magnetischen Polen des Rotors 58A reduzieren. Jeder Permanentmagnet 59A ist so ausgerichtet, dass dieser eine entgegengesetzte Richtung der Polarität in Bezug auf benachbarte Magnete aufweist, um einen magnetischen Fluss in entgegengesetzten Richtungen zu erzeugen. Die Anzahl der Pole kann gemäß den Leistungsanforderungen des bürstenlosen Elektromotors 54 ausgewählt werden.
Die Rotoranordnung 58 umfasst eine Welle 58B. Die Welle 58B ist auf der ersten Achse X1 angeordnet, wird von dem ersten Lager 52 getragen und ist direkt mit einem Sonnenrad 60 verbunden, das zum Eingriff mit dem Teil-Planetengetriebe 42 konfiguriert ist. Wie gezeigt, kann das Sonnenrad 60 integral mit der Welle 58B ausgebildet sein. Eine Nase 62 der Welle 58B kann über eine Lagerfläche 64 gesteuert werden, die in der Ritzelwelle 48 konfiguriert ist, sodass sich die Ritzelwelle 48 und die Welle 58B jeweils um die erste Achse X1 drehen. Die Rotoranordnung 58 umfasst ebenfalls ein Rotorpositionsziel 66. Wie in 2 kann das Rotorpositionsziel 66 als ein oder mehrere radial oder diametral orientierte Magnete konfiguriert sein, die an einem Ende der Rotorwelle 58B befestigt sind. Das Ziel kann auch aus elektrisch leitfähigen oder weichen magnetischen Materialien zur Verwendung mit einem induktiven Sensor mit hoher Frequenzerregung auf der Sensorplatine anstelle des Hall-Effekt-Sensors hergestellt werden.
Der bürstenlose Elektromotor 54 umfasst ebenfalls eine Motorendkappe 68, die so konfiguriert ist, dass diese mit dem Motorgehäuse 50 zusammenpasst und dieses umschließt. Wie in den 3 und 4 gezeigt, kann die Motorendkappe 68 über mehrere Bolzen 69 an dem Zahnradsatzgehäuse 46 befestigt sein und somit das Motorgehäuse 50 dazwischen beinhalten. Die Motorendkappe 68 umfasst eine Öffnung, die eine Montagestruktur für ein zweites Lager 70 bereitstellt, das konfiguriert ist, um die Welle 58B zur Drehung in Bezug auf die erste Achse X1 zu lagern. Wie in den 3 und 4 gezeigt, kann der Sprengring 71 eingesetzt werden, um das zweite Lager 70 innerhalb der Öffnung der Motorendkappe 68 zu halten. Der bürstenlose Elektromotor 54 umfasst zusätzlich eine Elektronikabdeckung 72 mit einem Leistungsverbinder 73 (dargestellt in 3 und 4) zum Anlegen elektrischer Leistung von der Hochspannungsantriebsbatterie 22 und einem Steuersignalverbinder (nicht dargestellt) zum Kommunizieren mit der Motorsteuerung zum Empfangen von Autostart- und Autostoppbefehlen. Die Elektronikabdeckung 72 ist so konfiguriert, dass diese mit der Motorendkappe 68 zusammenpasst und die elektronische Kommutatoranordnung 74 aufnimmt oder umschließt. Die elektronische Kommutatoranordnung 74 umfasst eine Steuerelektronik-Unteranordnung 76 und die Leistungselektronik-Unteranordnung 78, die in einem wärmeleitfähigen dielektrischen Material eingekapselt sind, um mechanische Stöße und Schwingungen zu mildern und um einen thermischen Pfad zur Elektronikabdeckung 72 für die Wärmeableitung bereitzustellen. Die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 ist zwischen der Motorendkappe 68 und der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 angeordnet. Dementsprechend ist der bürstenlose Elektromotor 54, wie dargestellt, zwischen dem Teil-Planetengetriebe 42 und der elektronischen Kommutatoranordnung 74 angeordnet, während das Teil-Planetengetriebe 42 zwischen dem Anlasserritzel 44 und dem Elektromotor 54 angeordnet ist. Die Elektronikabdeckung 72 kann an der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 über entsprechende Verbindungselemente, wie beispielsweise Schrauben 79, die in 3 dargestellt sind, befestigt werden.
Wie in den 2-4 dargestellt, umfasst die Anlasseranordnung 40 zusätzlich eine Schaltmagnetanordnung 80. Die Schaltmagnetanordnung 80 umfasst ein Triebstockgetriebe-Schaltmagnet 82 und ein Stellglied 83, und der Triebstockgetriebe-Schaltmagnet 82 ist auf einer zweiten Achse X2 angeordnet, die parallel zur ersten Achse X1 angeordnet ist. Die Schaltmagnetanordnung 80 ist so konfiguriert, dass sie an dem Zahnradsatzgehäuse 46 montiert und befestigt werden kann, beispielsweise über ein geeignetes Verbindungselement. Die Schaltmagnetanordnung 80 ist ferner konfiguriert, um das Anlasserritzel 44 und die Freilaufkupplung 45 entlang der ersten Achse XI, wie durch Pfeil 84 angezeigt, für den Eingriff mit dem Tellerrad 12A zu schalten oder zu verschieben, um den Motor 12 bei einem Befehl von der Steuerung 36 neu zu starten. Der Triebstockgetriebe-Schaltmagnet 82 kann das Anlasserritzel 44 und die Einwegkupplung 45 beispielsweise über einen Hebelarm 85 (in 2 gezeigt) schalten.
Die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 kann eine Prozessorschaltungsplatine 86 aufweisen, die senkrecht zu der ersten Achse X1 angeordnet ist, und eine oder mehrere Rotorpositions-Erfassungsschaltungen 88, beispielsweise einen Hall-Effekt-Sensor, der zum Überwachen des Rotorpositionsziels 66 konfiguriert ist. Die Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88 ist so angeordnet, dass diese einen vorbestimmten Abstand (z. B. 0,5 mm bis 1,5 mm) vom Zielmagnet 66 am Ende der Rotorwelle 58B einhält. Die Leistungselektronik-Unteranordnung 78 kann eine Leistungsschaltungsplatine 90 umfassen, die parallel zu der Prozessorschaltungsplatine 86 angeordnet ist, ein Stromwelligkeitsfilter 92 und einen Kühlkörper 94, der zum Absorbieren von Wärmeenergie von der Leistungsschaltungsplatine 90 konfiguriert ist. Die Leistungselektronik-Unteranordnung 78 kann zusätzlich einen wärmeleitfähigen elektrischen Isolator 96 umfassen, der zwischen der Leistungsschaltungsplatine 90 und dem Stromwelligkeitsfilter 92 angeordnet ist. Das Stromwelligkeitsfilter 92 kann mehrere Filterkondensatoren 98 umfassen, die auf einem Teilkreis Cp (in 4 dargestellt) angeordnet sind, der auf der ersten Achse X1 zentriert ist und senkrecht zu dieser angeordnet ist. Wie in den 2-4 dargestellt, ist jeder der Vielzahl von Filterkondensatoren 98 mit einer Längsachse angeordnet, die sich parallel zur Leistungsschaltungsplatine 90, zwischen der Leistungsschaltungsplatine 90 und der Leistungsschaltungsplatine 86, entlang der ersten Achse X1 befindet.
Ausführungsformen des Rotorpositionssensors umfassen Rohwinkelpositionssensoren, die ein inkrementelles oder absolutes Positionssignal bereitstellen. Ein Positionssignal von einem Absolutpositionssensor ist proportional zu einer wahren Position, unabhängig davon, ob der Rotor stationär ist oder sich bewegt. Ein inkrementeller Positionssensor erfasst Positionsänderungen. In einer Ausführungsform umfasst die Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88 zur Verwendung in der vorliegenden Anmeldung den Multiplikationscodierer oder digitale Hall-Sensoren, z. B. mittels polymerverbundener mehrpoliger Magnete, und in dem/denen Encoder/Hall-Impulse und Kommutierungsimpulse als Signalausgaben erzeugt werden. Die Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88 enthält ebenfalls einen intelligenten Chip auf Mikroprozessorbasis, um die Positionssignale zu extrahieren und zu übertragen. Ein anderer Sensor ist ein analoger Hall-Effekt-Sensor, beispielsweise ein Sensor, der Neodym-Magneten verwendet, oder andere feldbasierte Sensoren, die zum Erzeugen von Sinus- und Cosinussignalen als Sensorausgaben betreibbar sind. Andere Sensortypen, die ähnliche Sinus- und Cosinusausgänge erzeugen, sind induktive und reluktanzartige Positionssensoren, die beide auf den Einsatz von Magneten in ihrem Betrieb verzichten.
Das Teil-Planetengetriebe 42 kann zusammen mit dem Zahnradsatzgehäuse 46 und dem Anlasserritzel 44 und der Freilaufkupplung 45 Teil einer ersten Unteranordnung 100 sein. Die Schaltmagnetanordnung 80 kann Teil einer zweiten Unteranordnung 102 sein. Das Motorgehäuse 50, der bürstenlose Elektromotor 54 und die Motorendkappe 68 können Teil einer dritten Unteranordnung 104 sein. Die Elektronikabdeckung 72 und die elektronische Kommutatoranordnung 74 können Teil einer vierten Unteranordnung 106 sein. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die erste Unteranordnung 100 so konfiguriert sein, dass diese vormontiert mit der zweiten Unteranordnung 102 ist, die dritte Unteranordnung 104 kann so konfiguriert sein, dass diese mit den vormontierten ersten und zweiten Unteranordnungen 100, 102 zusammengebaut wird, und die vierte Unteranordnung 106 ist so konfiguriert, dass diese mit den vormontierten ersten, zweiten und dritten Unteranordnungen 100, 102, 104 zusammengebaut wird, um eine vollständige elektrische Anlasseranordnung 40 bereitzustellen. Des Weiteren kann, bevor einzelne Unteranordnungen in die Anlasseranordnung 40 eingebaut werden, jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Unteranordnungen 100, 102, 104, 106 separat und einzeln gegen jeweilige vordefinierte Betriebsparameter getestet werden, um die erforderliche Leistung jeder Unteranordnung zu überprüfen. In einer alternativen Ausführungsform können Teile der elektronischen Kommutatoranordnung, z. B. der Steuerelektronik-Unteranordnung, der Leistungselektronik-Unteranordnung und/oder der Kühlkörper an einer Stelle angeordnet sein, die von dem dreiphasigen bürstenlosen Elektromotor entfernt ist, wie beispielsweise in der Steuerung 36.
5 veranschaulicht schematisch eine Steuerschaltung, die mit einer Ausführungsform der Anlasseranordnung 40 verbunden ist, die mit Bezug auf die 2, 3, 4 und 8 beschrieben ist. Die Anlasseranordnung 40 umfasst den bürstenlosen Elektromotor 54 einschließlich des Rotors 58 und der Rotorwelle 58B, die über den Planetenradsatz 42 und die Freilaufkupplung 45 mit der Ritzelwelle 48 gekoppelt sind. Das Ritzel 44 ist verschiebbar auf der Ritzelwelle 48 angeordnet. Der Triebstockgetriebe-Schaltmagnet 82 ist steuerbar, um den Hebelarm 85 zu betätigen, um das Ritzel 44 in eine ausgefahrene Position zu drücken, um das Motorschwungrad 12 als Reaktion auf ein Ritzelsteuersignal 101, das von der Steuerung 36 als Teil eines Motoranlassereignisses erzeugt werden kann, in Eingriff zu bringen. Die elektronische Kommutatoranordnung 74 umfasst die Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88, die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 und die Leistungselektronik-Unteranordnung 78. Die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 umfasst eine DSP-Steuerung (DSP - Digital Signal Processing - Digitale Signalverarbeitung) 120, die mit einer Vielzahl von Gate-Treibern 110 und der Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88 in Verbindung steht. Die Leistungselektronik-Unteranordnung 78 umfasst einen Anlasser-Wechselrichter 140 und andere Elemente. Als Reaktion auf ein Anlassermotorsteuersignal 103 steuert die DSP-Steuerung 120 die Gate-Treiber 110 zum Erzeugen von Steuersignalen, die an die Leistungsschalter 142 des Anlasser-Wechselrichters 140 übermittelt werden, die Stromsignale erzeugen, die an die Statorwicklungen 56A des Stators 56 übertragen werden, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, um den Rotor 58A zu drehen. Die Drehung des Rotors 58A und der Rotorwelle 58B wird durch die Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88 überwacht. Die Steuerung 36 erzeugt übereinstimmend das Anlassermotorsteuersignal 103 und das Ritzelsteuersignal 101, um ein Motoranlassereignis zu bewirken. Die Anlasseranordnung 40 umfasst einen extern zugänglichen Programmierkommunikationsanschluss 128 (dargestellt mit Bezug auf 8), der zum Senden und Empfangen von Nachrichten 105 konfiguriert ist.
6 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform der elektronischen Kommutatoranordnung 74, die eine außeraxiale Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88, eine Steuerelektronik-Unteranordnung 76, eine Leistungselektronik-Unteranordnung 78, einen wärmeleitfähigen elektrischen Isolator 96 und einen Kühlkörper 94 umfasst. Die außeraxiale Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88, die Steuerelektronik-Unteranordnung 76, die Leistungselektronik-Unteranordnung 78, der thermisch wärmeleitfähige elektrische Isolator 96 und der Kühlkörper 94 sind in einem Stapel angeordnet, orthogonal auf der ersten Achse X1 ausgerichtet und in der Abdeckung 72 eingeschlossen (dargestellt mit Bezug auf 2, 3 und 4). Die Motorendkappe 68 kann über mehrere Schrauben 269 an dem Getriebegehäuse 46 befestigt sein. Die Rotorwelle 58B steht durch eine Öffnung in der Motorendkappe 68 vor. Das Rotorpositionsziel 66 ist als ein radial magnetisierter Ringmagnet konfiguriert, der an einem Ende der Rotorwelle 58B angeordnet ist, indem dieser auf einen Absatz pressgepasst wird, der an einem Ende der Motorendkappe 68 in einer Ausführungsform ausgebildet ist. Der Ringmagnet ist 3-5 mm in axialer Länge und kann eine einzelne N-S-Polanordnung oder alternativ mehrere N-S-Polanordnungen aufweisen. Die außeraxiale Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88 ist angrenzend an den radial magnetisierten Ringmagneten am Ende der Rotorwelle 58B in einem vorbestimmten Abstand angeordnet. Alternativ (mit Bezug auf 7 gezeigt) kann das Rotorpositionsziel als diametral magnetisierter Magnet angeordnet sein, der an einem Ende der Rotorwelle und einer zugehörigen auf der Achse angeordneten Erfassungsschaltung 89 angeordnet ist.
Die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 ist auf einer scheibenförmigen Leistungsschaltungsplatine 86 angeordnet und umfasst eine Vielzahl von Gate-Treibern 110, die über eine DSP-Steuerung 120 gesteuert werden, um pulsweitenmodulierte Steuersignale bereitzustellen. Diese Anordnung ist mit Bezug auf 8 dargestellt. Die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 ist angrenzend an die außeraxiale Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88 angeordnet und ist zwischen der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 und der außeraxialen Rotorpositions-Erfassungsschaltung 88 angeordnet.
Die Leistungselektronik-Unteranordnung 78 ist auf einer scheibenförmigen Leistungsschaltungsplatine 90 angeordnet und umfasst einen Anlasser-Wechselrichter 140 mit einer Vielzahl von Leistungsschaltern 142. Die Leistungselektronik-Unteranordnung 78 ist benachbart zu der Steuerelektronik-Unteranordnung 76 angeordnet und ist thermisch mit dem Kühlkörper 94 gekoppelt.
Die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 kommuniziert mit der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 über eine zentral angeordnete Schnittstellenverbindung, die durch Verbindung zwischen einem ersten Verbinder 75, der auf der Steuerelektronik-Unteranordnung 76 montiert ist, und einem zweiten Verbinder 77, der auf der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 montiert ist, gebildet wird. Die Vielzahl der Gate-Treiber 110 der Steuerelektronik-Unteranordnung 76 überträgt die pulsweitenmodulierten Steuersignale an einzelne der Leistungsschalter 142 des Anlasser-Wechselrichters 140, um die Ausgabestromgröße und Phasensteuerung zu beeinflussen und zu steuern.
Der wärmeleitfähige elektrische Isolator 96 ist eine Vorrichtung, die aus thermisch leitfähigen, elektrisch isolierenden Materialien gebildet wird und angeordnet ist, um Abschnitte der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 elektrisch von dem Kühlkörper 94 zu isolieren. Der wärmeleitfähige elektrische Isolator 96 ist zwischen dem Kühlkörper 94 und der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 angeordnet, und eine Vielzahl von thermischen Wärmedurchgangslöchern 108 ist durch die Leistungsschaltungsplatine angeordnet, um eine Verbindung zwischen der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 und dem Kühlkörper 94 herzustellen, um Wärme von ausgewählten Bereichen der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 auf den Kühlkörper 94 zu übertragen.
Der Kühlkörper 94 ist eine scheibenförmige Vorrichtung, der aus wärmeleitenden Materialien gebildet ist. Der Kühlkörper 94 ist proximal zur Leistungselektronik-Unteranordnung 78 und distal zur Steuerelektronik-Unteranordnung 76 angeordnet und ist angelegt, um Wärme von der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 wegzuleiten.
Eine Vielzahl von Phasenanschlüssen 97, die orthogonal zur Oberfläche der Leistungsschaltungsplatine 90 angeordnet sind, ragt nach außen. Wenn der bürstenlose Elektromotor 54 als Dreiphasenmotor ausgebildet ist, sind drei Phasenanschlüsse 97 vorhanden, die jeweils einer ihrer Phasen zugeordnet sind. Jeder der Phasenanschlüsse 97 ist elektrisch mit einem der Zweige des Anlasser-Wechselrichters 140 verbunden, um einen Phasenstrom zu leiten. Jeder der Phasenanschlüsse 97 ist so angeordnet, dass dieser elektrisch mit einem entsprechenden der Phasenanschlüsse 57 verbunden ist, die elektrisch mit den Wicklungen 56A der mehrphasigen Statoranordnung 56 verbunden sind, um den Phasenstrom dorthin zu leiten, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen.
Die Leistungsschaltungsplatine 90 der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 umfasst eine Vielzahl beschichteter Durchsteckmontagelöcher 134, die elektrisch mit einer Schaltungsmasse für die verschiedenen Elemente der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 verbunden sind.
Die Leistungsschaltungsplatine 86 der Steuerelektronik-Unteranordnung 76 umfasst eine Vielzahl beschichteter Durchsteckmontagelöcher 114, die elektrisch mit einer Schaltungsmasse für die verschiedenen Elemente der Steuerelektronik-Unteranordnung 76 verbunden sind. Die Schrauben 269 sind so angeordnet, dass diese durch die beschichteten Durchsteckmontagelöcher 114 und 134 hindurchreichen, um die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 und die Leistungselektronik-Unteranordnung 78 an der Motorendkappe 68 zu befestigen, und diese bilden ebenfalls einen elektrischen Massepfad zur Gehäusemasse 95, die elektrisch mit einem negativen Anschluss einer Gleichspannungsquelle, z. B. der Hochspannungsantriebsbatterie 22 und der Niederspannungsbatterie 34, verbunden ist.
7 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der elektronischen Kommutatoranordnung 74, die eine auf der Achse angeordnete Positionserfassungsschaltung 89, die Steuerelektronik-Unteranordnung 76, die Leistungselektronik-Unteranordnung 78, den wärmeleitfähigen elektrischen Isolator 96 und den Kühlkörper 94 umfasst. Die auf der Achse angeordnete Positionserfassungsschaltung 89, die Steuerelektronik-Unteranordnung 76, die Leistungselektronik-Unteranordnung 78, der wärmeleitende elektrische Isolator 96 und der Kühlkörper 94 sind in einem Stapel angeordnet, der orthogonal auf der ersten Achse X1 angeordnet ist, die in der Abdeckung 72 eingeschlossen ist (dargestellt mit Bezug auf 2, 3 und 4). Die Rotorwelle 58B steht durch eine Öffnung in der Motorendkappe 68 vor. Ein nicht aus Eisen bestehender Halter 65 ist am Ende der Rotorwelle 58B angeordnet und stellt eine Montagefläche für eine Ausführungsform des Rotorpositionsziels in Form eines diametral magnetisierten Magneten 67 bereit. Der diametral magnetisierte Magnet 67 ist als scheibenförmige Vorrichtung mit 6-8 mm Durchmesser angeordnet und weist eine einzelne N-S-Polanordnung auf. Der diametral magnetisierte Magnet 67 ist so angeordnet, dass dieser sich in unmittelbarer Nähe zur auf der Achse angeordneten Positionserfassungsschaltung 89 befindet. In einer Ausführungsform ist der diametrale Magnet 67 so angeordnet, dass dieser einen axialen Luftspalt aufweist, der durch den Magneten und der auf der Achse angeordneten Positionserfassungsschaltung 89 mit einer Breite von 1 bis 1,5 mm gebildet wird, wobei ein minimaler axialer Luftspaltabstand von mindestens 0,2 mm besteht. Andere Aspekte dieser Ausführungsform sind die gleichen wie die mit Bezug auf 6 beschriebenen.
8 stellt schematisch eine erste Seite einer Ausführungsform der Leistungsschaltungsplatine 86 für die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 dar, einschließlich (wie dargestellt) die auf der Achse angeordnete Positionserfassungsschaltung 89, die darauf angeordnet ist und in Verbindung damit steht. Die Leistungsschaltungsplatine 86 ist als eine Leiterplatte mit hoher Packungsdichte ausgebildet, die eine Vielzahl von oberflächenmontierten integrierten Schaltungen aufweist, die darauf angeordnet sind, einschließlich der DSP-Steuerung 120, der Gate-Treiber 110, die als Treiberschaltungen für die Leistungsschalter 142 dienen, Stromsensorverstärker 122, einen extern zugänglichen Programmierschnittstellenanschluss 128, einen zweiten Schnittstellenanschluss 116 in Verbindung mit der elektronischen Steuerung 36 und einem Spannungsregler 124, der so ausgebildet ist, eine niederspannungsgeregelte Spannung für die verschiedenen elektronischen Vorrichtungen bereitzustellen. Mechanische Merkmale auf der Leistungsschaltungsplatine 86 umfassen eine Vielzahl von Spaltabschnitten 118, die an deren Außenumfang angeordnet sind, welche das Durchstecken der Phasenzuleitungen 57 ermöglichen. Drei beschichtete Durchsteckmontagelöcher 114 sind ebenfalls dargestellt.
9 stellt schematisch eine zweite, gegenüberliegende Seite der Ausführungsform der Leistungsschaltungsplatine 86 für die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 dar. Die Leistungsschaltungsplatine 86 ist als eine Leiterplatte mit hoher Packungsdichte ausgebildet, die eine Vielzahl von oberflächenmontierten integrierten Schaltungen, die darauf angeordnet sind, aufweist, einschließlich einer Prozessor-Spannungsversorgung 132, einer Leistungsschalter-Treiberschaltung 144 für die Leistungsschalter 142 des Anlasser-Wechselrichters 140, einer Gate-Treiber-Spannungsversorgung 111, Rauschentkopplungskondensatoren 130, des ersten Anschlusses 75, der Spaltabschnitte 118, die an ihrem Außenumfang angeordnet sind, und der beschichteten Durchsteckmontagelöcher 114. Die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 kommuniziert mit der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 über die zentral angeordnete Schnittstellenverbindung, die durch Verbindung des ersten Verbinders 75 mit dem zweiten Verbinder 77, der auf der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 montiert ist, gebildet wird. Durch die Anordnung der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 in Bezug auf die Steuerelektronik-Unteranordnung 76 wird eine gewünschte Trennung erreicht, die die elektromagnetische Interferenz und die Wärmeübertragung zwischen diesen abschwächt.
10 stellt schematisch eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform der Leistungselektronik-Unteranordnung 74 dar, die auf einer scheibenförmigen Leistungsschaltungsplatine 90 angeordnet ist und einen Anlasser-Wechselrichter 140 umfasst, der eine Vielzahl von Leistungsschaltern 142 beinhaltet. Die Anordnung von Elementen auf der Leistungselektronik-Unteranordnung 74 stellt eine Vorrichtung mit hoher Dichte mit niedrigem parasitären Widerstand, niedriger Induktivität und einer symmetrischen Anordnung von Komponenten in einer phasenorientierten Anordnung bereit. Die Leistungselektronik-Unteranordnung 78 umfasst den zweiten Verbinder 77, die Leistungsschalter 142 des Anlasser-Wechselrichters 140, Filterkondensatoren 98, Temperatursensor 158 und Phasenzweig-Stromsensoren 152 (von denen einer dargestellt ist). Phasenanschlüsse 97, die nach außen vorstehen, sind orthogonal zu der Oberfläche der Leistungsschaltungsplatine 90 angeordnet, um entsprechende der Phasenleiter 57, die elektrisch mit den Wicklungen 56A der mehrphasigen Statoranordnung 56 verbunden sind, um den Phasenstrom zum Erzeugen eines rotierendes Magnetfeld dorthin zu leiten, wenn die elektronische Kommutatoranordnung 74 an der dritten Unteranordnung 104 der Anlasseranordnung 40 montiert ist, elektrisch zu verbinden. Die Leistungsschalter 142 sind oberflächenmontierte Halbleiterschalter mit niedriger Induktivität, die auf der Leistungsschaltungsplatine 90 montiert sind, wobei der wärmeleitfähige elektrische Isolator 96 dazwischen angeordnet ist. Teile der Leistungsschalter 142 kommunizieren thermisch mit dem Kühlkörper 94, der die Wärmedurchgangslöcher 108 zur Wärmeleitung und Wärmeableitung verwendet. Beschichtete Durchsteckmontagelöcher 114 (von denen eines dargestellt ist) sind elektrisch mit einer Schaltungsmasse für die verschiedenen Elemente der Leistungselektronik-Unteranordnung 78 verbunden. Ein zweiter niedriger Induktivitätskondensator 154 ist elektrisch mit jedem Phasenzweig des Anlasser-Wechselrichters 140 verbunden und ist konfiguriert, um hochfrequente elektromagnetische Störungen zu unterdrücken. Jeder Stromsensor 152 ist angeordnet, um den Stromfluss auf einem Phasenzweig des Anlasser-Wechselrichters 140 zu überwachen.
Der Begriff „Steuerung“ und verwandte Begriffe wie Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder verschiedene Kombinationen von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), elektronische Schaltung(en), Zentralrechnereinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und zugehörige nichttransitorische Speicherkomponente(n) in Form von Speicher und Speichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriff, Festplatte usw.). Die nichttransitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in der Form einer oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingabe-/Ausgabeschaltung(en) und -vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und Vorrichtungen beinhalten Analog-/Digitalwandler und verwandte Geräte, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder in Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Befehle, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf von einer Steuereinheit ausführbare Befehlssätze, wie z. B. Kalibrierungen und Wertetabellen. Jede Steuerung führt eine oder mehrere Steuerroutinen aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen. Die Routinen können in regelmäßigen Intervallen, wie z. B. während des laufenden Betriebs alle 100 Mikrosekunden, ausgeführt werden. Alternativ dazu können Routinen in Reaktion auf ein Auslöseereignis ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen den Steuerungen und die Kommunikation zwischen Steuerungen und Stellgliedern und/oder Sensoren können über eine direkte Drahtverbindung, einen vernetzten Kommunikationsbus, eine drahtlose Verbindung oder eine andere geeignete Kommunikationsverbindung erfolgen. Die Kommunikation beinhaltet den Austausch von Datensignalen auf eine geeignete Art, darunter auch z. B. elektrische Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetische Signale durch die Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Datensignale können diskrete, analoge oder digitalisierte analoge Signale beinhalten, die Eingaben von Sensoren und Stellgliedbefehle sowie Kommunikationssignale zwischen Steuereinheiten darstellen. Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf eine physisch wahrnehmbare Anzeige, die Informationen übermittelt, und kann eine geeignete Wellenform (z. B. elektrische, optische, magnetische, mechanische oder elektromagnetische) umfassen, wie beispielsweise DC, AC, Sinuswelle, Dreieckswelle, Rechteckwelle, Vibration und dergleichen, die durch ein Medium laufen können.
Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreiben die vorliegenden Lehren, aber der Umfang der vorliegenden Lehren wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, sind verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind, möglich.

Claims

Anlasseranordnung für einen Verbrennungsmotor, umfassend: Einen mehrphasigen bürstenlosen Elektromotor mit einem Stator, einem Rotor auf einer drehbaren Welle und einer Motorendkappe, die an einem ersten Ende des Stators angeordnet ist, Motormontagestruktur mit einem rückziehbaren Ritzel, wobei die Motormontagestruktur an einem zweiten Ende des Stators angeordnet ist, und elektronische Kommutatoranordnung, die an der Motorendkappe angeordnet ist und eine Erfassungsschaltung, eine Steuerelektronik-Unteranordnung, eine Leistungselektronik-Unteranordnung und einen Kühlkörper umfasst, wobei: drehbare Welle eine Achse definiert, erstes Ende der drehbaren Welle ist mit dem Ritzel koppelbar, zweites Ende der drehbaren Welle ragt durch eine Öffnung in der Motorendkappe, Erfassungsschaltung ist angeordnet, um eine Drehposition der drehbaren Welle zu überwachen, Steuerelektronik-Unteranordnung, Leistungselektronik-Unteranordnung und Kühlkörper sind in einer gestapelten Konfiguration orthogonal zu der durch die drehbare Welle definierten Achse angeordnet. Steuerelektronik-Unteranordnung ist angrenzend an die Erfassungsschaltung angeordnet und Leistungselektronik-Unteranordnung ist angrenzend an die Steuerelektronik-Unteranordnung angeordnet, wobei die Steuerelektronik-Unteranordnung zwischen Leistungselektronik-Unteranordnung und Erfassungsschaltung angeordnet ist, Kühlkörper ist benachbart zu der Leistungselektronik-Unteranordnung und distal zu der Steuerelektronik-Unteranordnung angeordnet. Leistungselektronik-Unteranordnung ist thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt, Leistungselektronik-Unteranordnung und Steuerelektronik-Unteranordnung umfassen jeweils eine elektrische Masse, wobei jede der elektrischen Erdungseinrichtungen über die Motorendkappe elektrisch mit der Motormontagestruktur verbunden ist, Leistungselektronik-Unteranordnung umfasst einen Anlasser-Wechselrichter, elektrisch mit einer Gleichspannungsquelle verbindbar, Steuerelektronik-Unteranordnung steht in Verbindung mit dem Anlasser-Wechselrichter der Leistungselektronik-Unteranordnung, und Leistungselektronik-Unteranordnung ist elektrisch mit dem Stator des mehrphasigen bürstenlosen Elektromotors verbunden.
Anlasseranordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Rotorpositionsziel, das an dem zweiten Ende der drehbaren Welle angeordnet ist, wobei die Erfassungsschaltung angeordnet ist, um das Rotorpositionsziel zu überwachen.
Anlasseranordnung nach Anspruch 2, wobei das Rotorpositionsziel einen radial magnetisierten Ringmagneten umfasst, der an einem Ende der drehbaren Welle angeordnet ist, und wobei die Erfassungsschaltung eine außeraxiale Erfassungsschaltung umfasst.
Anlasseranordnung nach Anspruch 2, wobei das Rotorpositionsziel einen diametral magnetisierten Magneten umfasst, der an einem Ende der drehbaren Welle angeordnet ist, und wobei die Erfassungsschaltung eine auf der Achse angeordnete Positionserfassungsschaltung umfasst.
Anlasseranordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine zentral angeordnete Signalschnittstelle, um eine Verbindung zwischen der Leistungselektronik-Unteranordnung und der Steuerelektronik-Unteranordnung zu bewirken.
Anlasseranordnung nach Anspruch 1, wobei das Ritzel angeordnet ist, um sich entlang eines drehbaren Elements zu bewegen, das mit dem Rotor gekoppelt ist.
Anlasseranordnung nach Anspruch 1, wobei der mehrphasige bürstenlose Elektromotor einen dreiphasigen Elektromotor umfasst.
Anlasseranordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen wärmeleitfähigen elektrischen Isolator, der zwischen der Leistungselektronik-Unteranordnung und dem Kühlkörper angeordnet ist.
Anlasseranordnung nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Vielzahl von Wärmedurchgangslöchern, die in dem wärmeleitfähigen elektrischen Isolator angeordnet sind, um eine thermische Verbindung zwischen einem Abschnitt der Leistungselektronik-Unteranordnung und dem Kühlkörper zu bewirken.
Anlasseranordnung nach Anspruch 8, wobei der wärmeleitfähige elektrische Isolator angeordnet ist, um Teile der Leistungselektronik-Unteranordnung elektrisch vom Kühlkörper zu isolieren.