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Die Erfindung betrifft eine Elektromotorbaugruppe, umfassend wenigstens eine elektrische Maschine mit einem zumindest mittelbar an einem Gehäuse stationär festgelegten Stator und einem relativ dazu drehantreibbaren Rotor.
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Elektromotoren oder Elektromotorbaugruppen werden im Automobilbereich in E-Achssystemen eingesetzt, um das Fahrzeug ganz oder teilweise elektrisch anzutreiben. Die Elektromotoren werden in der Regel von einem im Fahrzeug integrierten Batterie-Modul durch Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ oder HVDC, im Englischen "High-Voltage-Direct-Current) mit elektrischer Energie versorgt. Die HVDC-Verbindung zwischen dem Batterie-Modul und der Steuereinheit der Elektromotorbaugruppe unterliegt dabei engen konstruktionsbedingten Bauraumgrenzen. Die HVDC-Leitung zur Verbindung des Batterie-Moduls mit der Steuereinheit des Elektromotors weist anwendungsbedingt einen vergleichsweise großen Leitungsquerschnitt auf, der einen großen Bauraumbedarf aufgrund eines hohen minimalen Biegeradius des Kabels zur Folge hat. Der Anschluss des Kabels an die Steuereinheit erfolgt, je nach Ausbildung und Anordnung des Batterie-Moduls und/oder des Elektromotorgehäuses, mittels mindestens einer Steckerverbindung, wobei als Schnittstelle zwischen Kabel und Steuereinheit eine an der Steuereinheit vormontierte Steckerbuchse dient, die direkt an der Leistungselektronik der Steuereinheit angebracht ist. Dabei wird das Kabel ausgehend von der Batterie üblicherweise zumindest abschnittsweise um die Außenfläche des Gehäuses des Elektromotors bis zur Steuereinheit geführt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kompaktbauende Elektromotorbaugruppe bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße Elektromotorbaugruppe umfasst wenigstens eine elektrische Maschine mit einem zumindest mittelbar an einem Gehäuse stationär festgelegten Stator und einem relativ dazu drehantreibbaren Rotor, wobei die jeweilige elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik steuerungstechnisch verbunden ist, die über eine im Gehäuse integrierte Stromschiene mit einer am Gehäuse angeordneten Steckerbuchse verbunden ist, wobei die Steckerbuchse dazu ausgebildet ist, einen Stecker einer Zuleitung eines Batterie-Moduls zur elektrischen Versorgung der Leistungselektronik aufzunehmen. Die Elektromotorbaugruppe ist Teil eines E-Achssystems und dazu eingerichtet, die Achse eines Fahrzeugs, wie beispielsweise eines PKW, LKW oder NKW zumindest mittelbar anzutreiben. Dazu kann die jeweilige elektrische Maschine der Elektromotorbaugruppe wenigstens eine Abtriebswelle zum Antrieb von einem jeweiligen Rad des Fahrzeugs drehantreiben.
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Durch Anordnung bzw. Integration der Stromschiene in dem Gehäuse wird eine hochintegrierte Elektromotorbaugruppe erreicht. Dies spart zum einen Bauraum ein, da die Zuleitung, die insbesondere als Kabel ausgebildet ist, für die elektrische Versorgung der jeweiligen Leistungselektronik nicht mehr außen um das Gehäuse herum bis zur Schnittstelle an der Leistungselektronik geführt werden muss, sondern mit verkürztem Weg durch das Gehäuse hindurch zur Leistungselektronik geführt wird. Zum anderen erfolgt eine Gewichtsreduzierung des elektrischen Antriebs des Fahrzeugs, da das Kabel einen vergleichsweise großen Leitungsquerschnitt aufweist, wobei das Kabel von dem Batterie-Modul nur bis zum Gehäuse der Elektromotorbaugruppe geführt wird und somit kürzer ausgebildet werden kann. Zudem werden durch das reduzierte Gesamtgewicht der Elektromotorbaugruppe Herstellungskosten gesenkt. Die erfindungsgemäße Elektromotorbaugruppe ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Gehäuse der Elektromotorbaugruppe konstruktionsbedingt zwischen der jeweiligen Leistungselektronik und dem Batterie-Modul angeordnet ist. Die jeweilige Leistungselektronik (im Englischen „Power Electronic“) ist als Steuerungseinheit ausgebildet, welche die jeweilige elektrische Maschine der Elektromotorbaugruppe steuert bzw. regelt.
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Der Stator der jeweiligen elektrischen Maschine ist bevorzugt zumindest mittelbar stationär an einem Gehäusedeckel des Gehäuses fixiert und stützt sich daran ab. Bei einer Montage der Elektromotorbaugruppe wird die elektrische Maschine zusammen mit der jeweiligen Stromschiene am Gehäusedeckel befestigt, wobei der Gehäusedeckel inklusive der elektrischen Maschine und der Stromschiene anschließend am Gehäuse befestigt werden. Das Gehäuse ist bevorzugt dazu ausgebildet, die jeweilige elektrische Maschine im Wesentlichen axial aufzunehmen. Anders gesagt wird bei einer Montage der Elektromotorbaugruppe die elektrische Maschine axial in das Gehäuse eingesetzt. Zudem wird die elektrische Maschine von dem Gehäuse auch radial aufgenommen. Insbesondere nach einer Montage der elektrischen Maschine stützt diese sich radial am Gehäuse ab. Der Gehäusedeckel ist folglich Teil des Gehäuses und begrenzt die Elektromotorbaugruppe zusammen mit dem Gehäuse räumlich.
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Durch Anordnung der Stromschiene innerhalb des Gehäuses kann zudem ein EMV-Schutz, das heißt ein Schutz der elektrischen Leitung vor elektromagnetischen Einflüssen durch das im Wesentlichen metallisch ausgebildete Gehäuse realisiert werden. Mit anderen Worten ist das Gehäuse vorzugsweise zur Realisierung eines EMV-Schutzes vorgesehen.
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Der Rotor ist bevorzugt radial innerhalb des Stators angeordnet und ist dazu vorgesehen, wenigstens eine Abtriebswelle des Achssystems zumindest mittelbar anzutreiben. Die Abtriebswelle kann ferner über ein Getriebe mit einer mit einem Rad wirkverbundenen Welle verbunden sein, um das jeweilige Rad mit einer Drehzahl drehanzutreiben. Auch eine Anordnung, bei der der Stator radial innerhalb des Rotors angeordnet ist, ist ebenfalls denkbar.
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Die Stromschiene weist bevorzugt eine erste Schnittstelle auf, die steckerbuchsenseitig der Stromschiene am Gehäuse ausgebildet ist. Mit anderen Worten wird die jeweilige Steckerbuchse mit der Stromschiene elektrisch verbunden, um die elektronische Energie aus dem Kabel des Batterie-Moduls in die Stromschiene zu leiten. Die Steckerbuchse ist derart am Gehäuse angeordnet, dass zum einen die Stromschiene daran befestigt werden kann und zum anderen der Stecker des jeweiligen Kabels von dem Batterie-Modul ohne Zugspannungen auf das Kabel zu geben sowie ohne das Kabel zu knicken in die jeweilige Steckerbuchse eingesteckt werden kann.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse eine Ausnehmung zur Aufnahme der jeweiligen Steckerbuchse auf. Damit wird ein fester Sitz der Steckerbuchse am Gehäuse erreicht, wobei die jeweilige Steckerbuchse zusätzlich beispielsweise mittels Fixiermittel und/oder Schraub- oder Clipverbindung am Gehäuse fixiert sowie demontierbar angeordnet werden kann.
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Bevorzugt weist die im Gehäuse integrierte Stromschiene eine (zweite) Schnittstelle zum Anschluss an die jeweilige Leistungselektronik auf. Mit anderen Worten wird die elektrische Energie über die Stromschiene und die zweite Schnittstelle, welche ebenfalls als Steckersystem ausgebildet sein kann, in die jeweilige Leistungselektronik geleitet. Mithin ist die zweite Schnittstelle leistungselektronikseitig am Gehäuse ausgebildet.
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Die Stromschiene ist bevorzugt eine Busbar-Leitung zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC- bzw. HGÜ-Leitung). Ferner bevorzugt umfasst die Stromschiene wenigstens ein metallisches Stanzbiegeteil. Das Stanzbiegeteil besteht aus einem oder mehreren gestanzten und/oder gebogenen sowie zusammengefügten Blechen, wobei die Stromschiene mittels einer darin geführten Stromleitung die elektrische Verbindung zwischen den beiden Schnittstellen am Gehäuse zur Leistungselektronik bildet. Die Stromschiene weist insbesondere einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, sodass insbesondere im Vergleich zu einem kreisrunden Kabelquerschnitt eine dichtere Packung und somit eine kompakte Leitungsführung erreicht wird. Anders gesagt wird der Volumenfüllgrad durch die im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform der Stromschiene erhöht.
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Nach einem Ausführungsbeispiel kommt die jeweilige Stromschiene an einer zumindest abschnittsweise komplementär dazu ausgebildeten Innenmantelfläche des Gehäuses zur Anlage. Die Stromschiene ist dazu im Wesentlichen rechteckig ausgebildet, wobei die Form der Stromschiene beliebig an die räumlichen Gegebenheiten innerhalb des Gehäuses angepasst werden kann. Anders gesagt wird die Stromschiene platzsparend und kompakt im Gehäuse angeordnet. Vorzugsweise kommt die jeweilige Stromschiene über ihre gesamte Länge an der komplementär dazu ausgebildeten Innenmantelfläche des Gehäuses zur Anlage. Durch ein Anschmiegen der Stromschiene an die Innenmantelfläche wird zudem der zuvor beschriebene EMV-Schutz der elektrischen Leitung durch das Gehäuse positiv beeinflusst.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Gehäuse dazu ausgebildet ist, einen Aktuator zur Kühlung der jeweiligen elektrische Maschine aufzunehmen. Anders gesagt ist der Aktuator ebenfalls im Gehäuse der Elektromotorbaugruppe integriert. Der Aktuator kann auch mit der jeweiligen Leistungselektronik verbunden sein, und von ihr zur Kühlung der jeweiligen elektrischen Maschine in geeigneter Weise gesteuert werden. Der Aktuator ist insbesondere als Hydraulikaktuator ausgebildet, der die jeweilige elektrische Maschine mittels Hydrauliköl kühlt. Mithin weist die Elektromotorbaugruppe ferner ein Schmiersystem auf.
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Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse dazu ausgebildet, von jeder Seite eine jeweilige elektrische Maschine im Wesentlichen axial aufzunehmen, die mit einer jeweiligen Leistungselektronik steuerungstechnisch verbunden sind. Anders gesagt weist die Elektromotorbaugruppe zwei axial benachbarte elektrische Maschinen auf, wobei die erste elektrische Maschine von einer ersten Seite in das Gehäuse axial einsetzt wird und die zweite elektrische Maschine von einer gegenüberliegenden zweiten Seite in das Gehäuse axial eingesetzt wird, wobei sich die elektrischen Maschine insbesondere nach Einbau in das Gehäuse radial an diesem abstützen. Der Stator der jeweiligen elektrischen Maschine ist an einem dazugehörigen Gehäusedeckel angeordnet, welcher während der Montage der jeweiligen elektrischen Maschine zumindest teilweise axial in das Gehäuse eingeschoben wird und anschließend am Gehäuse befestigt wird. Mithin stützt sich der jeweilige Stator nach Montage der jeweiligen elektrischen Maschine radial am Gehäuse ab. Beide elektrischen Maschinen sind in diesem Beispiel dazu ausgebildet, ein jeweiliges Rad einer elektrisch angetriebenen Achse des Achssystems des Fahrzeugs separat drehanzutreiben. Dadurch kann auf ein Differential am Achssystem verzichtet werden, da jedes Rad der Achse separat von der dazugehörigen elektrischen Maschine der Elektromotorbaugruppe beispielsweise über ein jeweiliges Getriebe angetrieben wird.
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Vorzugsweise ist die jeweilige Leistungselektronik über eine jeweilige Stromschiene mit einer jeweiligen am Gehäuse angeordneten Steckerbuchse verbunden, wobei die jeweilige Steckerbuchse dazu ausgebildet ist, einen Stecker einer separaten Zuleitung eines Batterie-Moduls zur elektrischen Versorgung der jeweiligen Leistungselektronik aufzunehmen. Somit kann eine elektrische Energieversorgung für jedes der sogenannten Elektromotormodule bereitgestellt werden, wobei jedes Kabel an eine eigens dafür vorgesehene und mit einer jeweiligen Stromschiene wirkverbundenen Steckerbuchse angeschlossen wird und die elektrische Energie über die Stromschiene in eine dazu vorgesehene Leistungselektronik zur Steuerung der jeweiligen elektrischen Maschine weitergeleitet wird. Jedes Elektromotormodul besteht folglich aus einer elektrischen Maschine, einer Leistungselektronik sowie einer Stromschiene und einer daran befestigten Steckerbuchse. Dies vermindert die Komplexität der Elektromotorbaugruppe, wobei je nach gewünschter Anwendung mit geringen konstruktiven Anpassungen eine Elektromotorbaugruppe mit nur einem Elektromotormodul oder mit zwei Elektromodulen ausgebildet werden kann.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung zur Veranschaulichung des grundsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Elektromotorbaugruppe,
- 2 eine schematische Perspektivdarstellung der erfindungsgemäßen Elektromotorbaugruppe gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Explosionsdarstellung eines Montageschritts einer ersten elektrischen Maschine in einen Gehäusedeckel der erfindungsgemäßen Elektromotorbaugruppe gemäß 2,
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung der in den Gehäusedeckel montierten ersten elektrischen Maschine gemäß 3, und
- 5 eine schematische Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Elektromotorbaugruppe gemäß den 2 bis 4.
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Gemäß 1 ist eine stark vereinfacht dargestellte Elektromotorbaugruppe 1 dargestellt, welche den prinzipiellen Aufbau der Elektromotorbaugruppe 1 eines - hier nicht gezeigten - Achssystems eines Kraftfahrzeugs vereinfacht zeigen soll. Die Elektromotorbaugruppe 1 umfasst eine elektrische Maschine 3, welche einen - hier nicht näher dargestellten - Stator und einen radial innerhalb des Stators angeordneten - ebenfalls nicht gezeigten - Rotor aufweist. Der Stator ist an einem Gehäuse 2 stationär festgelegt und der Rotor ist relativ dazu drehantreibbar. Zur Steuerung der elektrischen Maschine 3 ist diese mit einer Leistungselektronik 4 steuerungstechnisch verbunden. Mithin dient die Leistungselektronik 4 als Steuerungseinheit für die elektrische Maschine 3.
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Die Leistungselektronik 4 wird von einem Batterie-Modul 9 mit elektrischer Energie versorgt, wobei eine als Kabel ausgebildete Zuleitung 8 über einen Stecker 7 mit einer im Gehäuse 2 integrierten Stromschiene 5 verbunden ist. Die Stromschiene 5 ist eine Busbar-Leitung zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung und weist batterieseitig eine erste Schnittstelle 16 auf. An der ersten Schnittstelle 16 ist eine Steckerbuchse 6 angeordnet, welche den Stecker 7 der Zuleitung 8 aufnimmt und elektrische Energie in die Stromschiene 5 einleitet. Die Stromschiene 5 ist durch das Gehäuse 2 hindurch bis zu einer zweiten Schnittstelle 13 geführt, wo die Stromschiene 5 an die Leistungselektronik 4 angeschlossen ist. Die zweite Schnittstelle 13 kann ebenfalls als Steckverbindung ausgeführt sein. Somit wird die Leistungselektronik 4 vom Batterie-Modul 9 über die Zuleitung 8, den Stecker 7, Steckerbuchse 6 sowie die Stromschiene 5 mit Hochspannungs-Gleichstrom versorgt.
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Darüber hinaus ist im Gehäuse 2 der Elektromotorbaugruppe 1 ein Aktuator 10 zur Kühlung der elektrische Maschine 3 angeordnet. Die Elektromotorbaugruppe 1 ist somit hoch integriert ausgeführt. Die Zuleitung 8 muss nicht umständlich außen um das Gehäuse 2 herum bis zur Leistungselektronik 4 geführt werden, sondern die Führung der Kabel zur Leistungselektronik 4 wird platzsparend realisiert, indem die Stromschiene 5 im Gehäuse 2 angeordnet ist. Vorteilhaft ist dabei ebenso, dass eine Anfälligkeit der elektrischen Versorgung der Leistungselektronik 4 gegenüber äußeren Einflüssen gesenkt wird, da die Stromleitung innerhalb der im Gehäuse 2 angeordneten Stromschiene 5 insbesondere vor Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und Vibrationen geschützt ist. Zudem kann der Schutz des im Wesentlichen metallisch ausgebildete Gehäuses 2 genutzt werden, um eine elektromagnetische Verträglichkeit der elektrischen Zuleitung zur Leistungselektronik 4 zu verbessern (EMV-Schutz). Mithin ist die Stromleitung der Stromschiene 5 vor elektromagnetischer Strahlung geschützt.
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Nach 2 in Verbindung mit 5, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle in 2 gezeigten Bauteile umfasst, ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Elektromotorbaugruppe 1 dargestellt. Das Gehäuse 2 der Elektromotorbaugruppe 1 ist dazu ausgebildet, von zwei Seiten jeweils eine elektrische Maschine 3a, 3b axial aufzunehmen, die jeweils mit einer dazugehörigen Leistungselektronik 4a, 4b, welche nachträglich an der elektrischen Maschine 3a, 3b angeordnet wird, steuerungstechnisch verbunden sind. Dazu kann das Gehäuse 2 im Wesentlichen rohrförmig bzw. innen hohl ausgebildet sein. Alternativ kann zwischen den beiden Aufnahmen für die elektrischen Maschinen 3a, 3b auch eine Zwischenwand vorgesehen sein.
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Jede elektrische Maschine 3a, 3b ist zumindest mittelbar mit einer jeweiligen Abtriebswelle 14a, 14b wirkverbunden, wobei ferner ein - hier nicht näher dargestelltes und beschriebenes - Getriebe im Leistungsfluss vorgesehen sein kann. Über die Abtriebswellen 14a, 14b werden an ihren Enden angeordnete Räder mit einer Drehzahl angetrieben. Ferner sind die beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b, wie in den 3 und 4 näher gezeigt, an einem dazugehörigen Gehäusedeckel 15a, 15b befestigt, wobei bei einer Montage der elektrischen Maschine 3a, 3b am jeweiligen Gehäusedeckel 15a, 15b zusätzlich eine jeweilige Stromschiene 5a, 5b dazwischen angeordnet wird. Die Stromschienen 5a, 5b sind aus einem metallischen Stanzbiegeteil ausgebildet und derart geformt, dass sie sich zumindest abschnittsweise an einer komplementär dazu ausgebildeten Innenmantelfläche 12 des dazugehörigen Gehäusedeckels 15a, 15b anschmiegen, um platzsparend im Gehäuse 2 angeordnet zu werden.
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Jede Leistungselektronik 4a, 4b ist über eine jeweilige Stromschiene 5a, 5b mit einer am Gehäuse 2 angeordneten Steckerbuchse 6a, 6b verbunden (siehe 5), wobei jede Steckerbuchse 6a, 6b in eine am Gehäuse 2 ausgebildete Ausnehmung 11 eingesetzt und jeweils mittels eines Fixierblechs 17 sowie zwei Schrauben 18 am Gehäuse 2 befestigt ist. Die Steckerbuchse 6a, 6b sind, wie bereits in 1 erläutert, dazu ausgebildet, einen jeweiligen Stecker 7 einer separaten Zuleitung 8 eines Batterie-Moduls 9 zur elektrischen Versorgung der jeweiligen Leistungselektronik 4a, 4b aufzunehmen (siehe 2).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotorbaugruppe
- 2
- Gehäuse
- 3, 3a, 3b
- elektrische Maschine
- 4, 4a, 4b
- Leistungselektronik
- 5, 5a, 5b
- Stromschiene
- 6, 6a, 6b
- Steckerbuchse
- 7
- Stecker
- 8
- Zuleitung
- 9
- Batterie-Modul
- 10
- Aktuator
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Innenmantelfläche
- 13, 13a, 13b
- Zweite Schnittstelle
- 14a, 14b
- Abtriebswelle
- 15a, 15b
- Gehäusedeckel
- 16
- Erste Schnittstelle
- 17
- Fixierbleche
- 18
- Schrauben
