DE102022118051A1

DE102022118051A1 - Electric drive train for a motor vehicle and motor vehicle

Info

Publication number: DE102022118051A1
Application number: DE102022118051.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Schmidt; Markus Lang
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2024-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsstrang (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Traktionsmaschine (12), welche einen Stator (20) und einen Rotor (26) als Aktivteile sowie eine Rotorwelle (32) aufweist, deren Rotationsachse (28) in Einbaulage senkrecht oder schräg auf einer durch die Fahrzeuglängsrichtung (x) und die Fahrzeugquerrichtung (y) des Kraftfahrzeugs aufgespannten Ebene steht, und mit einem Differentialgetriebe (14), über welches die von der Traktionsmaschine (12) bereitgestellte Antriebskraft auf Räder des Kraftfahrzeugs übertragen werden kann.The invention relates to an electric drive train (10) for a motor vehicle, with an electric traction machine (12), which has a stator (20) and a rotor (26) as active parts and a rotor shaft (32), the axis of rotation (28) of which is in the installed position stands vertically or obliquely on a plane spanned by the vehicle longitudinal direction (x) and the vehicle transverse direction (y) of the motor vehicle, and with a differential gear (14), via which the driving force provided by the traction machine (12) can be transmitted to the wheels of the motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang.The invention relates to an electric drive train for a motor vehicle and a motor vehicle with an electric drive train.

Die DE 10 2012 220 970 B4 offenbart einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug zur Versorgung von angetriebenen Rädern mit einem Antriebsdrehmoment. Dieser Antriebsstrang umfasst einen Elektromotor sowie eine Schnittstelle zu einem Alternativmotor zur Einkopplung eines Alternativdrehmoments. Eine Antriebswelle des Alternativmotors ist senkrecht zu der Abtriebsachse angeordnet. Die Abtriebsachse ist durch Abtriebswellen definiert. Die Abtriebswellen sind mit angetriebenen Rädern des Fahrzeugs gekoppelt. Das Fahrzeug kann alternativ durch den Elektromotor oder den Alternativmotor oder durch diese gemeinsam angetrieben werden. Ein Drehmomentfluss des Elektrodrehmoments und des Alternativdrehmoments des Alternativmotors wird in einem Planetenträger als Eingang einer Differentialeinrichtung zusammengeführt. Die Differentialeinrichtung ist dazu eingerichtet, das umgesetzte Elektrodrehmoment auf zwei Abtriebswellen zu verteilen.The DE 10 2012 220 970 B4 discloses a drive train for a vehicle for supplying driven wheels with drive torque. This drive train includes an electric motor and an interface to an alternative motor for coupling in an alternative torque. A drive shaft of the alternative motor is arranged perpendicular to the output axis. The output axis is defined by output shafts. The output shafts are coupled to the vehicle's driven wheels. The vehicle can alternatively be driven by the electric motor or the alternative motor or by these together. A torque flow of the electric torque and the alternative torque of the alternative motor is combined in a planetary carrier as an input of a differential device. The differential device is set up to distribute the converted electrical torque between two output shafts.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gewichts- und bauraumoptimale Antriebstopologie zu schaffen.The object of the present invention is to create a drive topology that is optimal in terms of weight and installation space.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.This object is achieved according to the invention by the subjects of the independent claims. Further possible embodiments of the invention are disclosed in the subclaims, the description and the figures. Features, advantages and possible configurations set out in the description for one of the subject matter of the independent claims are at least analogous to the features, advantages and possible embodiments of the respective subject matter of the other independent claims and any possible combination of the subject matter of the independent claims, if applicable in conjunction with one or more of the subclaims.

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Traktionsmaschine. Mittels der elektrischen Traktionsmaschine kann das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden. Die elektrische Traktionsmaschine kann beispielsweise mit elektrischer Energie von einer Batterie des Kraftfahrzeugs versorgt werden. Die Traktionsmaschine weist als Aktivteile einen Stator und einen Rotor sowie eine Rotorwelle auf. Der Rotor sitzt drehfest auf der Rotorwelle und ist dazu eingerichtet, gemeinsam mit der Rotorwelle um eine Rotationsachse relativ zu dem Stator gedreht zu werden. Um einen Bauraum im Kraftfahrzeug besonders gut nutzen zu können, ist es vorgesehen, dass die Rotationsachse der Rotorwelle in Einbaulage der elektrischen Traktionsmaschine in dem Kraftfahrzeug senkrecht oder schräg auf einer durch die Fahrzeuglängsrichtung und die Fahrzeugquerrichtung des Kraftfahrzeugs aufgespannten Ebene steht. Das bedeutet, dass die Rotationsachse der Rotorwelle beziehungsweise des Rotors in Einbaulage zumindest im Wesentlichen in Fahrzeughochrichtung verläuft. Die Rotorwelle ist somit in Einbaulage vertikal im Kraftfahrzeug ausgerichtet.The invention relates to an electric drive train for a motor vehicle with an electric traction machine. The motor vehicle can be driven electrically using the electric traction machine. The electric traction machine can, for example, be supplied with electrical energy from a battery of the motor vehicle. The traction machine has a stator and a rotor as well as a rotor shaft as active parts. The rotor sits non-rotatably on the rotor shaft and is designed to be rotated together with the rotor shaft about an axis of rotation relative to the stator. In order to be able to make particularly good use of the installation space in the motor vehicle, it is provided that the axis of rotation of the rotor shaft in the installed position of the electric traction machine in the motor vehicle is vertical or oblique on a plane spanned by the vehicle's longitudinal direction and the vehicle's transverse direction of the motor vehicle. This means that the axis of rotation of the rotor shaft or of the rotor runs at least essentially in the vertical direction of the vehicle in the installed position. The rotor shaft is thus aligned vertically in the motor vehicle in the installed position.

Der elektrische Antriebsstrang umfasst des Weiteren ein Differentialgetriebe, über welches die von der Traktionsmaschine bereitgestellte Antriebskraft auf Räder des Kraftfahrzeugs übertragen werden kann. Durch die vertikale Ausrichtung der Rotationsachse in Einbaulage kann die von der Traktionsmaschine bereitgestellte Antriebskraft über besonders wenige Umlenkungen auf das Differentialgetriebe übertragen werden. Hierdurch kann der elektrische Antriebsstrang besonders kompakt und durch seinen Aufbau mit besonders wenigen Komponenten besonders gewichtsarm ausgestaltet werden. Bei dem Differentialgetriebe handelt es sich um ein Umlaufrädergetriebe mit einem Antrieb und zwei Abtrieben und somit um ein Verteilgetriebe.The electric drive train further includes a differential gear, via which the driving force provided by the traction machine can be transmitted to the wheels of the motor vehicle. Due to the vertical alignment of the axis of rotation in the installed position, the driving force provided by the traction machine can be transmitted to the differential gear via a particularly small number of deflections. As a result, the electric drive train can be designed to be particularly compact and particularly lightweight due to its structure with particularly few components. The differential gear is a planetary gear gear with one drive and two outputs and therefore a distribution gear.

In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist eine einstufige Übersetzung eines von der Traktionsmaschine bereitgestellten Drehmoments auf das Differentialgetriebe vorgesehen. Ein mehrmaliges Übersetzen des von der Traktionsmaschine bereitgestellten Drehmoments bis zur Antriebswelle des Differentialgetriebes ist somit nicht vorgesehen. Aufgrund der einstufigen Übersetzung werden für die Übersetzung des von der Traktionsmaschine bereitgestellten Drehmoments auf das Differentialgetriebe lediglich besonders wenige Komponenten und infolgedessen besonders wenige Lagerstellen für diese Komponenten benötigt. Somit kann der elektrische Antriebsstrang besonders gewichtsarm und kompakt aufgrund der besonders wenigen Komponenten ausgebildet werden. Insbesondere kann die lediglich einstufige Übersetzung vorgesehen sein, wenn das von der Traktionsmaschine bereitgestellte Drehmoment besonders groß ist und somit bereits besonders nah an ein gewünschtes Drehmoment heranreicht.In a possible development of the invention, a single-stage translation of a torque provided by the traction machine to the differential gear is provided. A repeated translation of the torque provided by the traction machine to the drive shaft of the differential gear is therefore not intended. Due to the single-stage transmission, only a particularly few components and, as a result, a particularly few bearing points for these components are required to translate the torque provided by the traction machine to the differential gear. The electric drive train can therefore be designed to be particularly lightweight and compact due to the particularly few components. In particular, the only single-stage translation can be provided if the torque provided by the traction machine is particularly large and therefore already comes particularly close to a desired torque.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass für die einstufige Übersetzung ein Kegelradgetriebe vorgesehen ist, dessen Antriebsseite mit der Rotorwelle und dessen Abtriebsseite mit dem Differentialgetriebe verbunden ist. Dieses Kegelradgetriebe umfasst insbesondere ein Ritzelrad, welches mit der Rotorwelle drehfest verbunden ist, sowie ein Tellerrad, welches mit dem Differentialgetriebe verbunden ist beziehungsweise Teil des Differentialgetriebes ist. Über das Kegelradgetriebe kann die einstufige Übersetzung besonders einfach umgesetzt werden, wobei das von der Rotorwelle bereitgestellte Drehmoment besonders einfach mittels des Kegelradgetriebes umgelenkt werden kann, wobei das Drehmoment insbesondere um 90 Grad umgelenkt wird. Das Kegelradgetriebe und das Differentialgetriebe können gemeinsam ein Kegelraddifferentialgetriebe bilden. Über das Kegelradgetriebe ist die einstufige Übersetzung besonders einfach mit einer einfachen Umlenkung umsetzbar.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that a bevel gear is provided for the single-stage transmission, the drive side of which is connected to the rotor shaft and the output side of which is connected to the differential gear. This bevel gear includes in particular a pinion wheel, which is connected to the rotor shaft in a rotationally fixed manner, and a ring gear, which is connected to the differential gear or is part of the differential gear. The single-stage transmission can be implemented particularly easily using the bevel gear the torque provided by the rotor shaft can be redirected particularly easily by means of the bevel gear, the torque being redirected in particular by 90 degrees. The bevel gear and the differential gear can together form a bevel gear differential. Using the bevel gear, the single-stage transmission can be implemented particularly easily with a simple deflection.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Differentialgetriebe in Fahrzeughochrichtung unterhalb der Traktionsmaschine angeordnet ist. Hierdurch ist die elektrische Traktionsmaschine oberhalb von Abtriebswellen des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei diese Abtriebswellen an den jeweiligen Abtriebsachsen des Differentialgetriebes angeordnet sind. Infolgedessen ist die elektrische Traktionsmaschine oberhalb der die Räder antreibenden und mit den Rädern verbundenen Abtriebswellen angeordnet. Das bedeutet, dass ein tiefster Punkt des elektrischen Antriebsstrangs nicht von der elektrischen Traktionsmaschine gebildet wird, wodurch die elektrische Traktionsmaschine besonders gut vor Beschädigungen durch Krafteinwirkung von unten geschützt ist.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that the differential gear is arranged below the traction machine in the vertical direction of the vehicle. As a result, the electric traction machine is arranged above the output shafts of the motor vehicle, these output shafts being arranged on the respective output axles of the differential gear. As a result, the electric traction machine is arranged above the output shafts that drive the wheels and are connected to the wheels. This means that a lowest point of the electric drive train is not formed by the electric traction machine, which means that the electric traction machine is particularly well protected from damage caused by force from below.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass unterhalb der Traktionsmaschine ein Inverter angeordnet ist, welcher elektrisch mit der Traktionsmaschine verbunden ist. Bei dem Inverter handelt es sich um einen Wechselrichter, welcher dazu eingerichtet ist, Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln. Das bedeutet, dass der Inverter dazu eingerichtet ist, Gleichspannung von der Batterie des Kraftfahrzeugs in Wechselspannung umzuwandeln und die Wechselspannung für die elektrische Traktionsmaschine, insbesondere für den Stator der elektrischen Traktionsmaschine, bereitzustellen. Insbesondere ist der Inverter unmittelbar unterhalb der elektrischen Traktionsmaschine angeordnet, wodurch jeweilige Leitungen von dem Inverter zu dem Stator der elektrischen Traktionsmaschine besonders kurz ausgebildet sein können. Aufgrund dieser Ausgestaltung der Leitungen mit besonders kurzer Länge kann die elektrische Energie von dem Inverter mit besonders geringen Verlusten zum Stator übertragen werden. Weiterhin wird besonders wenig Kabelmaterial benötigt, um die elektrische Energie zu dem Stator zu übertragen, wodurch der elektrische Antriebsstrang besonders kompakt und gewichtsarm ausgebildet werden kann.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that an inverter, which is electrically connected to the traction machine, is arranged below the traction machine. The inverter is an inverter that is designed to convert direct voltage into alternating voltage. This means that the inverter is set up to convert direct voltage from the battery of the motor vehicle into alternating voltage and to provide the alternating voltage for the electric traction machine, in particular for the stator of the electric traction machine. In particular, the inverter is arranged directly below the electric traction machine, whereby respective lines from the inverter to the stator of the electric traction machine can be made particularly short. Due to this design of the lines with a particularly short length, the electrical energy can be transmitted from the inverter to the stator with particularly low losses. Furthermore, particularly little cable material is required to transmit the electrical energy to the stator, whereby the electrical drive train can be designed to be particularly compact and lightweight.

In diesem Zusammenhang kann es in einer möglichen Weiterbildung vorgesehen sein, dass der Inverter das Differentialgetriebe zumindest über einen Bereich des Umfangs des Differentialgetriebes umschließt. Mit anderen Worten umschließt der Inverter das Differentialgetriebe radial betrachtet ausgehend von der Rotationsachse der Rotorwelle zumindest über den Bereich des Umfangs des Differentialgetriebes. Somit ist das Differentialgetriebe der tiefste Punkt des elektrischen Antriebsstrangs, sodass eine Beschädigungsgefahr für den Inverter und die elektrische Traktionsmaschine beispielsweise durch Fahrbahnunebenheiten oder durch Poller besonders gering ist.In this context, it can be provided in a possible further development that the inverter encloses the differential gear at least over a region of the circumference of the differential gear. In other words, the inverter surrounds the differential gear, viewed radially from the axis of rotation of the rotor shaft, at least over the area of the circumference of the differential gear. The differential gear is therefore the lowest point of the electric drive train, so that the risk of damage to the inverter and the electric traction machine, for example due to uneven road surfaces or bollards, is particularly low.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine AC-Schnittstelle des Inverters an dessen Oberseite angeordnet ist und den Stator in Fahrzeughochrichtung bereichsweise nach unten überdeckend angeordnet ist. Das bedeutet, dass die AC-Schnittstelle des Inverters unmittelbar unterhalb des Stators, insbesondere unmittelbar unterhalb einer mit der AC-Schnittstelle zu verbindenden Eingangsschnittstelle des Stators, angeordnet ist, wodurch die AC-Schnittstelle mit der Eingangsschnittstelle des Stators über eine besonders kurze Leitung und insbesondere ohne Umlenkung verbunden werden kann. Hierdurch können elektrische Verluste im elektrischen Antriebsstrang besonders gering gehalten werden, sowie der elektrische Antriebsstrang besonders kompakt und gewichtsarm bereitgestellt werden.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that an AC interface of the inverter is arranged on the top side and is arranged to cover the stator downwards in areas in the vertical direction of the vehicle. This means that the AC interface of the inverter is arranged directly below the stator, in particular directly below an input interface of the stator that is to be connected to the AC interface, whereby the AC interface is connected to the input interface of the stator via a particularly short line and in particular can be connected without deflection. As a result, electrical losses in the electric drive train can be kept particularly low, and the electric drive train can be made particularly compact and lightweight.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Durchmesser der Traktionsmaschine größer ist als eine Länge der Aktivteile der Traktionsmaschine. Mit anderen Worten ist die elektrische Traktionsmaschine breiter als hoch, wobei die Höhe der Traktionsmaschine durch die Länge der Aktivteile vorgegeben ist. Somit ist der Durchmesser der Traktionsmaschine größer als die Länge des Rotors sowie als die Länge des Stators, wobei sowohl die Länge des Rotors als auch die Länge des Stators in Erstreckungsrichtung der Rotationsachse verläuft und somit in Einbaulage in Fahrzeughochrichtung verläuft. Durch diese Gestaltung der elektrischen Traktionsmaschine mit dem besonders großen Durchmesser kann die elektrische Traktionsmaschine ein besonders großes Drehmoment bereitstellen. Dadurch, dass die elektrische Traktionsmaschine bereits ein besonders großes Drehmoment bereitstellt, reicht die einstufige Übersetzung auf das Differentialgetriebe aus und ein mehrmaliges Übersetzen der Antriebskraft zum Einstellen des Drehmoments ist nicht notwendig. Infolgedessen können die mehreren Übersetzungsstufen, für welche jeweils Wellen und Lagerstellen vorzusehen sind, entfallen, wodurch der elektrische Antriebsstrang besonders kompakt und somit bauraumarm und gewichtsarm ausgebildet ist.In a further possible embodiment of the invention it is provided that the diameter of the traction machine is larger than a length of the active parts of the traction machine. In other words, the electric traction machine is wider than it is high, with the height of the traction machine being determined by the length of the active parts. The diameter of the traction machine is therefore larger than the length of the rotor and than the length of the stator, with both the length of the rotor and the length of the stator running in the extension direction of the rotation axis and thus running in the vertical direction of the vehicle in the installed position. This design of the electric traction machine with the particularly large diameter allows the electric traction machine to provide a particularly large torque. Because the electric traction machine already provides a particularly large torque, the single-stage transmission to the differential gear is sufficient and multiple transmission of the driving force to adjust the torque is not necessary. As a result, the multiple transmission stages, for which shafts and bearing points must be provided, can be omitted, as a result of which the electric drive train is particularly compact and therefore takes up little space and is lightweight.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Traktionsmaschine als Radialflussmaschine ausgebildet ist. Bei einer Radialflussmaschine dreht sich der Rotor relativ zu dem feststehenden Stator, der insbesondere mit elektromagnetischen Spulen ausgestaltet ist. Insbesondere ist der Rotor radial außen vom Stator umgeben. Zwischen dem Rotor und dem Stator befindet sich ein schmaler Luftspalt. Spulen des Stators fungieren als magnetische Wechselpole, die mit einem Magnetfeld von Rotorspulen beziehungsweise von Permanentmagneten des Rotors interagieren und eine Drehung des Rotors erzeugen. Die Richtung des elektromagnetischen Flusses bewegt sich hierbei entlang ausgehend von der Rotationsachse des Rotors radial nach außen, also senkrecht zur Rotationsachse.In a further possible embodiment of the invention it is provided that the traction machine is designed as a radial flow machine. In a radial flux machine, the rotor rotates relative to the stationary stator, which is designed in particular with electromagnetic coils. In particular, the rotor is surrounded radially on the outside by the stator. There is a narrow air gap between the rotor and the stator. Coils of the stator act as magnetic alternating poles that interact with a magnetic field of rotor coils or permanent magnets of the rotor and generate rotation of the rotor. The direction of the electromagnetic flux moves radially outwards from the axis of rotation of the rotor, i.e. perpendicular to the axis of rotation.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug, mit einem elektrischen Antriebsstrang, wie er bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrang beschrieben worden ist. Über den elektrischen Antriebsstrang ist das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie aus einer Batterie des Kraftfahrzeugs antreibbar. Aufgrund der besonders kompakten Ausgestaltung des elektrischen Antriebsstrangs kann der zur Verfügung stehende Bauraum in dem Kraftfahrzeug besonders gut genutzt werden.The invention further relates to a motor vehicle with an electric drive train, as has already been described in connection with the electric drive train according to the invention. The motor vehicle can be driven via the electric drive train with electrical energy from a battery of the motor vehicle. Due to the particularly compact design of the electric drive train, the available installation space in the motor vehicle can be used particularly well.

Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention can emerge from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features shown below in the description of the figures and/or in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without the scope of the invention to leave.

Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Perspektivansicht eines elektrischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Traktionsmaschine, einem Differentialgetriebe sowie einem Inverter;
2 eine schematische Schnittansicht eines ersten Querschnitts des elektrischen Antriebsstrangs; und
3 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Querschnitts der elektrischen Maschine, welcher senkrecht zu dem in 2 gezeigten ersten Querschnitt geschnitten ist.

The drawing shows in:

1 a schematic perspective view of an electric drive train of a motor vehicle with an electric traction machine, a differential gear and an inverter;
2 a schematic sectional view of a first cross section of the electric powertrain; and
3 a schematic sectional view of a second cross section of the electrical machine, which is perpendicular to that in 2 shown first cross section is cut.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

In 1 ist ein Ausschnitt eines elektrischen Antriebsstrangs 10 eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Der elektrische Antriebsstrang 10 umfasst eine elektrische Traktionsmaschine 12, ein Differentialgetriebe 14 sowie einen Inverter 16. Zusätzlich umfasst der elektrische Antriebsstrang 10 vorliegend ein Kegelradgetriebe 18, welches in den 2 und 3 besonders gut erkannt werden kann. Der elektrische Antriebsstrang 10 des Kraftfahrzeugs kann darüber hinaus noch weitere Komponenten umfassen, welche in den Fig. nicht gezeigt oder nicht mit einem Bezugszeichen versehen sind.In 1 a section of an electric drive train 10 of a motor vehicle is shown. The electric drive train 10 includes an electric traction machine 12, a differential gear 14 and an inverter 16. In addition, the electric drive train 10 in the present case includes a bevel gear 18, which is in the 2 and 3 can be recognized particularly well. The electric drive train 10 of the motor vehicle can also include further components which are not shown in the figures or are not provided with a reference number.

In 1 sind die elektrische Traktionsmaschine 12, das Differentialgetriebe 14 sowie der Inverter 16 jeweils von einem Gehäuse umgeben dargestellt. In den jeweiligen Schnittansichten in den 2 und 3 sind die Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs 10 besser erkennbar. Hierbei ist der elektrische Antriebsstrang 10 in 2 in Fahrzeugquerrichtung y geschnitten dargestellt und der elektrische Antriebsstrang 10 in 3 in Fahrzeuglängsrichtung x geschnitten dargestellt. Bei der elektrischen Traktionsmaschine 12 handelt es sich vorliegend um eine Radialflussmaschine mit einem Stator 20, welcher ein Statorblechpaket 22 und eine Statorwicklung 24 umfasst. Der Stator 20 umschließt einen Rotor 26 der elektrischen Traktionsmaschine 12 umfangsseitig und somit radial nach außen. Hierbei bezieht sich die radiale Richtung auf die Rotationsachse 28 des Rotors 26. Der Rotor 26 umfasst ein Rotorblechpaket 30, welches drehfest mit einer Rotorwelle 32 der Traktionsmaschine 12 verbunden ist. Die Rotorwelle 32 ist gemeinsam mit dem Rotorblechpaket 30 um die Rotationsachse 28 drehbar. Die elektrische Traktionsmaschine 12 umfasst weiterhin ein Gehäuseteil 34 sowie ein B-Lagerschild 36, welche gemeinsam den Stator 20 sowie den Rotor 26 umschließen. Das bedeutet, dass das Gehäuseteil 34 und das B-Lagerschild 36 gemeinsam ein Volumen umschließen, in welchem der Stator 20 und der Rotor 26 angeordnet sind.In 1 the electric traction machine 12, the differential gear 14 and the inverter 16 are each shown surrounded by a housing. In the respective sectional views in the 2 and 3 the components of the electric drive train 10 are easier to recognize. Here the electric drive train is 10 in 2 shown cut in the vehicle transverse direction y and the electric drive train 10 in 3 shown cut in the longitudinal direction x of the vehicle. In the present case, the electric traction machine 12 is a radial flux machine with a stator 20, which includes a stator laminated core 22 and a stator winding 24. The stator 20 surrounds a rotor 26 of the electric traction machine 12 on the circumference and thus radially outwards. Here, the radial direction refers to the axis of rotation 28 of the rotor 26. The rotor 26 comprises a rotor laminated core 30, which is connected in a rotationally fixed manner to a rotor shaft 32 of the traction machine 12. The rotor shaft 32 can be rotated together with the rotor laminated core 30 about the axis of rotation 28. The electric traction machine 12 further includes a housing part 34 and a B end shield 36, which together enclose the stator 20 and the rotor 26. This means that the housing part 34 and the B end shield 36 together enclose a volume in which the stator 20 and the rotor 26 are arranged.

Wie in den 2 und 3 besonders gut erkannt werden kann, verläuft die Rotationsachse 28 des Rotors 26 beziehungsweise der Rotorwelle 32 zumindest im Wesentlichen in Fahrzeughochrichtung z. Das bedeutet, dass die Rotationsachse 28 in Einbaulage vertikal ausgerichtet ist. Somit steht die Rotationsachse 28 senkrecht auf einer durch die Fahrzeuglängsrichtung x und die Fahrzeugquerrichtung y aufgespannten Ebene. Wie weiterhin in den 2 und 3 besonders gut erkannt werden kann, ist eine Länge des Stators 20 beziehungsweise des Rotors 26 als jeweilige Aktivteile in Fahrzeughochrichtung z kürzer als der Durchmesser der elektrischen Traktionsmaschine 12. Vorliegend ist die parallel zur Rotationsachse 28 verlaufende Länge sowohl des Stators 20 als auch des Rotors 26 kürzer als der Radius der elektrischen Traktionsmaschine 12. Der Radius der elektrischen Traktionsmaschine 12 steht senkrecht auf der Rotationsachse 28. Durch diese Ausgestaltung der elektrischen Traktionsmaschine 12 kann die elektrische Traktionsmaschine 12 ein besonders großes Drehmoment für das Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Aufgrund des von der elektrischen Traktionsmaschine 12 bereitgestellten besonders großen Drehmoments kann das Drehmoment über besonders wenige Übersetzungen auf das Differentialgetriebe 14 und somit auf Räder des Kraftfahrzeugs übertragen werden.Like in the 2 and 3 can be recognized particularly well, the axis of rotation 28 of the rotor 26 or the rotor shaft 32 runs at least essentially in the vertical direction of the vehicle, for example. This means that the axis of rotation 28 is aligned vertically in the installed position. The axis of rotation 28 is thus perpendicular to a plane spanned by the vehicle longitudinal direction x and the vehicle transverse direction y. As continues in the 2 and 3 can be recognized particularly well, a length of the stator 20 or the rotor 26 as respective active parts in the vehicle vertical direction z is shorter than the diameter of the electric traction machine 12. In the present case, the length of both the stator 20 and the rotor 26, which runs parallel to the axis of rotation 28, is shorter as the radius of the electric traction machine 12. The radius of the electric traction machine 12 is perpendicular to the axis of rotation 28. This configuration of the electric traction machine 12 allows the electric traction machine 12 to provide a particularly large torque for driving the motor vehicle. Due to the particularly large torque provided by the electric traction machine 12, the torque can be transmitted to the differential gear 14 and thus to the wheels of the motor vehicle via particularly few gear ratios.

Vorliegend ist eine einstufige Übersetzung des von der elektrischen Traktionsmaschine 12 bereitgestellten Drehmoments über das Kegelradgetriebe 18 vorgesehen. Das Kegelradgetriebe 18 umfasst ein Ritzelrad 38, welches drehfest mit der Rotorwelle 32 verbunden ist. Vorliegend ist das Ritzelrad 38 in die Rotorwelle 32 eingesteckt, wodurch das Ritzelrad 38 gemeinsam mit der Rotorwelle 32 im Betrieb um die Rotationsachse 28 rotiert wird. Hierbei verläuft die Rotationsachse 28 mittig durch die Rotorwelle 32 sowie durch das in die Rotorwelle 32 eingesteckte Ritzelrad 38. Zusätzlich zu dem Ritzelrad 38 umfasst das Kegelradgetriebe 18 ein Tellerrad 40, mit welchem das Ritzelrad 38 in Eingriff steht. Das Tellerrad 40 ist wiederum drehfest mit einer Antriebsseite des Differentialgetriebes 14 verbunden, wodurch das Tellerrad 40 die von der elektrischen Traktionsmaschine 12 bereitgestellte Antriebskraft an das Differentialgetriebe 14 weitergibt. Sowohl das Tellerrad 40 als auch das Differentialgetriebe 14 sind in Fahrzeughochrichtung z unterhalb der elektrischen Traktionsmaschine 12 angeordnet.In the present case, a single-stage translation of the torque provided by the electric traction machine 12 via the bevel gear 18 is provided. The bevel gear 18 includes a pinion wheel 38, which is connected to the rotor shaft 32 in a rotationally fixed manner. In the present case, the pinion wheel 38 is inserted into the rotor shaft 32, whereby the pinion wheel 38 is rotated around the axis of rotation 28 together with the rotor shaft 32 during operation. Here, the axis of rotation 28 runs centrally through the rotor shaft 32 and through the pinion wheel 38 inserted into the rotor shaft 32. In addition to the pinion wheel 38, the bevel gear 18 includes a ring gear 40 with which the pinion wheel 38 is in engagement. The ring gear 40 is in turn connected in a rotationally fixed manner to a drive side of the differential gear 14, whereby the ring gear 40 passes on the driving force provided by the electric traction machine 12 to the differential gear 14. Both the ring gear 40 and the differential gear 14 are arranged below the electric traction machine 12 in the vehicle vertical direction z.

Wie weiterhin in den 2 und 3 besonders gut erkannt werden kann, ist unterhalb der elektrischen Traktionsmaschine 12 der Inverter 16 angeordnet, welcher das Tellerrad 40 sowie das Differentialgetriebe 14 zumindest über einen Bereich ihres Umfangs umschließend angeordnet ist. Das bedeutet, dass ein Invertergehäuse 42 des Inverters 16 ein Differentialgetriebegehäuse 44 des Differentialgetriebes 14 zumindest in einem Bereich des Umfangs radial nach außen umschließt. Somit ist das Differentialgetriebegehäuse 44 der tiefste Punkt des elektrischen Antriebsstrangs 10. Der Inverter 16 weist eine AC-Schnittstelle 46 auf, welche dazu eingerichtet ist, Wechselstrom für die elektrische Traktionsmaschine 12 bereitzustellen. Die AC-Schnittstelle 46 ist dazu eingerichtet, mit einer Eingangsschnittstelle 48 des Stators 20 der elektrischen Traktionsmaschine 12 gekoppelt zu werden. Die Eingangsschnittstelle 48 ist wiederum unmittelbar mit der Statorwicklung 24 des Stators 20 verbunden. Die AC-Schnittstelle 46 ist vorliegend in Fahrzeughochrichtung z unterhalb der Eingangsschnittstelle 48 angeordnet und unmittelbar mit der Eingangsschnittstelle 48 verbunden. Hierdurch kann Wechselstrom von dem Inverter 16 ohne Umlenkungen und über einen besonders kurzen Weg für den Stator 20 der elektrischen Traktionsmaschine 12 bereitgestellt werden. Der Inverter 16 weist weiterhin eine HVDC-Schnittstelle 50 auf, über welchen Hochvoltgleichstrom von der Batterie des Kraftfahrzeugs empfangen werden kann. Der Inverter 16 ist dazu eingerichtet, den von der Batterie empfangenen Hochvoltgleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln.As continues in the 2 and 3 can be recognized particularly well, the inverter 16 is arranged below the electric traction machine 12, which is arranged enclosing the ring gear 40 and the differential gear 14 at least over a region of its circumference. This means that an inverter housing 42 of the inverter 16 encloses a differential gear housing 44 of the differential gear 14 radially outwards at least in a region of the circumference. The differential gear housing 44 is therefore the lowest point of the electric drive train 10. The inverter 16 has an AC interface 46, which is designed to provide alternating current for the electric traction machine 12. The AC interface 46 is set up to be coupled to an input interface 48 of the stator 20 of the electric traction machine 12. The input interface 48 is in turn directly connected to the stator winding 24 of the stator 20. In the present case, the AC interface 46 is arranged below the input interface 48 in the vehicle vertical direction z and is connected directly to the input interface 48. As a result, alternating current can be provided by the inverter 16 for the stator 20 of the electric traction machine 12 without deflections and over a particularly short path. The inverter 16 also has an HVDC interface 50, via which high-voltage direct current can be received from the battery of the motor vehicle. The inverter 16 is designed to convert the high-voltage direct current received from the battery into alternating current.

Aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung der elektrischen Traktionsmaschine 12 mit den besonders wenigen Übersetzungsstufen sowie der Anordnung der elektrischen Traktionsmaschine 12 oberhalb des Inverters 16 sowie oberhalb des Differentialgetriebes 14 ist der elektrische Antriebsstrang 10 besonders kompakt ausgestaltet und weist ein besonders geringes Gewicht auf. Insbesondere weist der elektrische Antriebsstrang 10 besonders wenige Lagerstellen auf. Vorliegend umfasst der elektrische Antriebsstrang 10 zwei Differentiallager 52, ein Ritzellager 54 sowie ein Traktionsmaschinenlager 56.Due to the described design of the electric traction machine 12 with the particularly few gear ratios and the arrangement of the electric traction machine 12 above the inverter 16 and above the differential gear 14, the electric drive train 10 is designed to be particularly compact and has a particularly low weight. In particular, the electric drive train 10 has particularly few bearing points. In the present case, the electric drive train 10 includes two differential bearings 52, a pinion bearing 54 and a traction machine bearing 56.

Es besteht die Herausforderung, besonders gewichtsoptimale und bauraumoptimale Antriebstopologien zu schaffen, welche als Traktionsantrieb in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können. Es ist bereits bekannt, horizontal ausgerichtete Traktionsantriebe zu verwenden, bei welchen eine Rotationsachse des Rotors senkrecht zur Fahrzeughochrichtung z ausgerichtet ist. Bei horizontalen Traktionsantrieben liegt eine Abtriebsachse meist parallel zur Antriebsachse und es ist mindestens eine zweistufige Übersetzung erforderlich, um ein gefordertes Drehmoment zu erreichen. Hieraus ergibt sich eine Notwendigkeit vieler Lagerstellen für das Vorsehen der jeweiligen Übersetzungsstufen und damit verbundene Reibungsverluste, sowie eine große Anzahl an resultierenden Stellen für Körperschallanregungen, welche dynamische Steifigkeiten und damit das Gewicht des Traktionsantriebs maßgeblich bestimmen. Zudem ist die Anordnung des Inverters 16 eine große Herausforderung, da dieser meist nur oberhalb der elektrischen Maschine positioniert werden kann und damit einen Bauraum für Stator und Rotor begrenzt.The challenge is to create drive topologies that are particularly weight-optimal and have optimal installation space, which can be used as traction drives in motor vehicles. It is already known to use horizontally aligned traction drives in which a rotation axis of the rotor is aligned perpendicular to the vehicle vertical direction z. In horizontal traction drives, an output axle is usually parallel to the drive axle and at least a two-stage transmission is required to achieve the required torque. This results in the need for many bearing points for the provision of the respective gear ratios and the associated friction losses, as well as a large number of resulting points for structure-borne sound excitations, which significantly determine dynamic stiffness and thus the weight of the traction drive. In addition, the arrangement of the inverter 16 is a major challenge since it can usually only be positioned above the electrical machine and thus limits the installation space for the stator and rotor.

Der in den Fig. gezeigte elektrische Antriebsstrang 10 basiert auf dem Prinzip einer vertikal angeordneten elektrischen Traktionsmaschine 12 mit einer einstufigen Übersetzung auf das Differentialgetriebe 14 für einen Traktionsantrieb des Kraftfahrzeugs. Bei diesem elektrischen Antriebsstrang 10 befindet sich die elektrische Traktionsmaschine 12 an der obersten Stelle und die Rotationsachse 28 des Rotors 26 sowie die Längserstreckungsrichtung des Stators 20 sind vertikal zur Abtriebsachse ausgerichtet. Hierbei ist die elektrische Traktionsmaschine 12 so gestaltet, dass ihr Durchmesser deutlich größer ist als die Länge ihrer Aktivteile. Unterhalb der elektrischen Traktionsmaschine 12 sind das Differentialgetriebe 14 und der Inverter 16 angeordnet.The electric drive train 10 shown in the figures is based on the principle of a vertically arranged electric traction machine 12 with a single-stage transmission on the differential gear 14 for a traction drive of the motor vehicle. In this electric drive train 10, the electric traction machine 12 is located at the top and the axis of rotation 28 of the rotor 26 and the longitudinal direction of the stator 20 are aligned vertically to the output axis. This is the electric traction machine 12 designed so that its diameter is significantly larger than the length of its active parts. The differential gear 14 and the inverter 16 are arranged below the electric traction machine 12.

Die Anordnung des Inverters 16 unterhalb der elektrischen Traktionsmaschine 12 ist bei dieser Konstruktion aufgrund einer besonders kompakten Bauweise der elektrischen Traktionsmaschine 12 sowie des Tatbestands, dass der Inverter 16 nicht das tiefste Bauteil des elektrischen Antriebsstrangs 10 ist, möglich. Der elektrische Antriebsstrang 10 umfasst das Kegelradgetriebe 18 mit dem Ritzelrad 38 und dem Tellerrad 40, wobei das Tellerrad 40 mit auf dem Differentialgetriebe 14 angeordnet ist. Das Ritzelrad 38 und das Differentialgetriebe 14 sind über drei Lagerstellen in dem Differentialgetriebegehäuse 44 gelagert. Der Rotor 26 der elektrischen Traktionsmaschine 12 ist über eine einzige Lagerstelle, vorliegend über das Traktionsmaschinenlager 56, mit dem E-Maschinengehäuse verbunden. Das E-Maschinengehäuse wird durch das Gehäuseteil 34 und das B-Lagerschild 36 gebildet. Der Inverter 16 ist um das Differentialgetriebegehäuse 44 und unterhalb des E-Maschinengehäuses positioniert.The arrangement of the inverter 16 below the electric traction machine 12 is possible in this construction due to a particularly compact design of the electric traction machine 12 and the fact that the inverter 16 is not the deepest component of the electric drive train 10. The electric drive train 10 includes the bevel gear 18 with the pinion gear 38 and the ring gear 40, the ring gear 40 also being arranged on the differential gear 14. The pinion wheel 38 and the differential gear 14 are mounted in the differential gear housing 44 via three bearing points. The rotor 26 of the electric traction machine 12 is connected to the electric machine housing via a single bearing point, in the present case via the traction machine bearing 56. The electric machine housing is formed by the housing part 34 and the B end shield 36. The inverter 16 is positioned around the differential gear housing 44 and below the electric machine housing.

Die beschriebene elektrische Traktionsmaschine 12 ermöglicht einen Effizienzgewinn durch die einstufige Übersetzung und eine geringstmögliche Anzahl an Lagerstellen. Weiterhin wird eine gewichtsoptimale Topologie für den Traktionsantrieb in dem Kraftfahrzeug ermöglicht, welche insbesondere kleiner als 50 Prozent der Gesamtmasse der Tragstrukturen im Vergleich zu konventionellen achsparallelen elektrischen Traktionsantrieben umfassen kann. Die äußerst kompakte Gestaltung des elektrischen Antriebsstrangs 10 führt zu geringen Lagerabständen und damit zu besonders geringen Kräften und Momenten. Die AC-Schnittstelle 46 des Inverters 16 kann kleinstmöglich gestaltet werden, da lediglich ein besonders kurzer Weg von der AC-Schnittstelle 46 zu dem Wickelkopf des Stators 20 besteht und keine Umlenkungen erforderlich sind.The electric traction machine 12 described enables a gain in efficiency through the single-stage translation and the smallest possible number of bearing points. Furthermore, a weight-optimal topology for the traction drive in the motor vehicle is made possible, which in particular can comprise less than 50 percent of the total mass of the support structures compared to conventional axially parallel electric traction drives. The extremely compact design of the electric drive train 10 leads to small bearing distances and thus to particularly low forces and moments. The AC interface 46 of the inverter 16 can be designed to be as small as possible since there is only a particularly short path from the AC interface 46 to the winding head of the stator 20 and no deflections are required.

Der Inverter 16 kann durch seine Zugänglichkeit von unten besonders einfach einem Service unterzogen werden beziehungsweise besonders einfach getauscht werden, falls notwendig. Es ist hierbei kein Gesamtausbau des Antriebs notwendig. Die beschriebene Antriebstopologie ermöglicht, dass der Abtrieb besonders tief gesetzt werden kann und die Winkel der Abtriebswellen zur Abtriebsachse so gewählt werden können, dass sie verlustoptimal sind. Insbesondere können die Winkel der Abtriebswellen durch Einstellen einer Höhe des Differentialgetriebes 14 entlang der Fahrzeughochrichtung z gewählt werden. Für eine Kühlung der elektrischen Traktionsmaschine 12 kann eine besonders klein dimensionierte Pumpe gewählt werden, da ein Durchfluss von Öl durch die elektrische Traktionsmaschine 12 schwerkraftgetrieben erfolgen kann, sodass für das Strömen des Öls durch die elektrische Traktionsmaschine 12 keine zusätzliche Pumpenleistung erforderlich ist. Darüber hinaus kann bei dem beschriebenen elektrischen Antriebsstrang 10 ein Hochvoltanschluss der Batterie des Kraftfahrzeugs besonders einfach von unten an den Inverter 16 über die HVDC-Schnittstelle 50 gesteckt werden.Because it is accessible from below, the inverter 16 can be serviced particularly easily or replaced if necessary. There is no need to completely expand the drive. The drive topology described enables the output to be set particularly low and the angles of the output shafts to the output axis to be selected so that they are optimal in terms of loss. In particular, the angles of the output shafts can be selected by adjusting a height of the differential gear 14 along the vehicle vertical direction z. A particularly small pump can be selected for cooling the electric traction machine 12, since oil can flow through the electric traction machine 12 in a gravity-driven manner, so that no additional pump power is required for the flow of oil through the electric traction machine 12. In addition, in the electric drive train 10 described, a high-voltage connection of the battery of the motor vehicle can be plugged particularly easily from below to the inverter 16 via the HVDC interface 50.

Insgesamt zeigt die Erfindung, wie ein vertikaler Traktionsantrieb geschaffen werden kann.Overall, the invention shows how a vertical traction drive can be created.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010: elektrischer Antriebsstrangelectric powertrain
1212: elektrische Traktionsmaschineelectric traction machine
1414: DifferentialgetriebeDifferential gear
1616: InverterInverters
1818: KegelradgetriebeBevel gears
2020: Statorstator
2222: StatorblechpaketStator lamination package
2424: StatorwicklungStator winding
2626: Rotorrotor
2828: RotationsachseAxis of rotation
3030: RotorblechpaketRotor lamination package
3232: RotorwelleRotor shaft
3434: GehäuseteilHousing part
3636: B-LagerschildB bearing shield
3838: Ritzelradpinion wheel
4040: Tellerradring gear
4242: InvertergehäuseInverter housing
4444: DifferentialgetriebegehäuseDifferential gear housing
4646: AC-SchnittstelleAC interface
4848: EingangsschnittstelleInput interface
5050: HVDC-SchnittstelleHVDC interface
5252: DifferentiallagerDifferential bearing
5454: RitzellagerPinion bearing
5656: TraktionsmaschinenlagerTraction machine bearings

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012220970 B4 [0002]

Claims

Electric drive train (10) for a motor vehicle, with an electric traction machine (12), which has a stator (20) and a rotor (26) as active parts and a rotor shaft (32), the axis of rotation (28) of which is vertical or oblique in the installed position a plane spanned by the vehicle longitudinal direction (x) and the vehicle transverse direction (y) of the motor vehicle, and with a differential gear (14), via which the driving force provided by the traction machine (12) can be transmitted to the wheels of the motor vehicle.

Electric drive train (10) after Claim 1 , characterized in that a single-stage translation of a torque provided by the traction machine (12) to the differential gear (14) is provided.

Electric drive train (10) after Claim 2 , characterized in that a bevel gear (18) is provided for the single-stage transmission, the drive side of which is connected to the rotor shaft (32) and the output side of which is connected to the differential gear (14).

Electric drive train (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the differential gear (14) is arranged below the traction machine (12) in the vehicle vertical direction (z).

Electric drive train (10) according to one of the preceding claims, characterized in that an inverter (16) is arranged below the traction machine (12), which is electrically connected to the traction machine (12).

Electric drive train (10) after Claim 5 , characterized in that the inverter (16) encloses the differential gear (14) at least over a region of the circumference of the differential gear (14).

Electric drive train (10) after Claim 5 or 6 , characterized in that an AC interface (46) of the inverter (16) is arranged on its top and is arranged to cover the stator (20) in areas downwards in the vehicle vertical direction (z).

Electric drive train (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the traction machine (12) is larger than a length of the active parts of the traction machine (12).

Electric drive train (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the traction machine (12) is designed as a radial flux machine.

Motor vehicle, with an electric drive train (10) according to one of the preceding claims.