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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorzug und die Priorität gegenüber der am 24. Juni 2009 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 51/220,081, die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Hybridfahrzeugmotorantriebssystem und insbesondere eine Motoranordnung zum Reduzieren von Drehmomentwelligkeit in einem Motorantriebssystem mit mehreren Motoren auf einer gemeinsamen Welle.
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BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDS DER TECHNIK
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Hybridelektrofahrzeuge (HEV – Hybrid Electric Vehicles) und vollelektrische Fahrzeuge (FEV – Full Electric Vehicles) verwenden Motoren zum Umwandeln von elektrischer Energie in kinetische Energie. Wohingegen HEVs einen Verbrennungsmotor und einen oder mehrere Elektromotoren vereinigen, verwenden FEVs ausschließlich Elektromotoren. Die Motoren sind in der Regel Teil eines Motorantriebssystems. Die Motorantriebssysteme können zwei oder mehr auf einer gemeinsamen Welle verbundene Motoren enthalten. Diese Motoren weisen in der Regel ein bekanntes Ausmaß an Drehmomentwelligkeit auf (unrundes Drehmoment, das durch den Rotor verursacht wird, wenn er sich bei Motorantrieben mit variabler Drehzahl von einer Position zu einer anderen bewegt), wohingegen das abgegebene Drehmoment mit einer Frequenz und Größe fluktuiert, die von dem Motordesign und der Betriebsbedingung abhängen. Zu Motordesign und Betriebsbedingungen, die die Drehmomentwelligkeit beeinflussen, zählen das Magnetdesign, die Anzahl der Schlitze, die Anzahl der Pole, Luftspaltflussdichteharmonische oder dergleichen. Diese Drehmomentwelligkeit kann von dem oder den Fahrzeuginsassen bemerkt werden und ist unerwünscht, weil sie die Bequemlichkeit und den Genuss der Insassen und/oder die Fahrzeugleistung reduzieren kann. Es wird bevorzugt, den Effekt zu minimieren oder zu eliminieren, um die Bequemlichkeit der Insassen heraufzusetzen und die Fahrzeugleistung zu verbessern. Zu herkömmlichen Techniken zum Minimieren von Drehmomentwelligkeit zählen das Modifizieren des Magnetdesigns und/oder des Wicklungslayouts des Motorantriebssystems. Diese herkömmlichen Techniken können jedoch teuer, ineffektiv und/oder ineffizient sein.
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Dementsprechend besteht in der Technik ein Bedarf an einem Motorantriebssystem, das Drehmomentwelligkeit auf kosteneffektivere und effizientere Weise miniert oder eliminiert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeugmotorantriebssystem mit einem ersten Motor und einem zweiten Motor, die durch eine gemeinsame Welle verbunden sind, wobei die Welle in betrieblicher Ineingriffnahme mit einem ersten und zweiten Rad steht. Der erste Motor ist an das erste Ende des drehbaren Wellenglieds gekoppelt, und der zweite Motor ist an das zweite Ende des drehbaren Wellenglieds gekoppelt. Der erste Motor und der zweite Motor sind voneinander um 90 elektrische Grad außer Phase montiert, um die Drehmomentwelligkeit zu minimieren.
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Ein Vorteil der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass das Motorantriebssystem eine Motoranordnung aufweist, die die Drehmomentwelligkeit kosteneffektiver und effizienter minimiert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres, wenn selbige nach der Lektüre der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Perspektivansicht eines Hybridfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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2 ist eine Draufsicht auf das Fahrzeug von 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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3 ist ein Schemadiagramm eines Motorantriebssystems mit zwei an eine gemeinsame Welle gekoppelten Motoren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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4 ist eine schematische Ansicht der Ausrichtung eines ersten und zweiten Motors während der Installation auf einer gemeinsamen Welle gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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5 ist eine grafische Darstellung, die die Drehmomentwelligkeit in zwei verschiedenen Motoranordnungen vergleicht.
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6 ist eine grafische Darstellung, die das relative Drehmoment gegenüber dem Rotorwinkel zwischen einem ersten Motor, einem zweiten Motor und einem kombinierten ersten und zweiten Motor vergleicht.
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BESCHREIBUNG
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Allgemein auf die Figuren und insbesondere auf die 1 und 2 bezugnehmend, wird ein Hybridfahrzeug 10 dargestellt. Bei diesem Beispiel ist das Fahrzeug 10 ein Plug-in-Hybridfahrzeug, das mit Benzin und elektrisch angetrieben wird. Bei dem Fahrzeug 10 kann es sich um einen Personenkraftwagen, einen Lastwagen oder eine andere Art von Fahrzeug mit einem Motorantriebssystem 12 handeln. Das Fahrzeug 10 enthält außerdem einen Antriebsstrang 14, der den Betrieb des Fahrzeugs 10 steuert. Bei diesem Beispiel ist der Antriebsstrang 14 ein Plug-in-Hybrid und enthält auch einen Elektromotor 16 und einen Motorcontroller 18. Das Fahrzeug 10 kann auch einen benzinbetriebenen Verbrennungsmotor 20 enthalten, der den Elektromotor 16 ergänzt, wenn dies unter bestimmten Betriebsbedingungen erforderlich ist, und eine Batterie 22. Der Verbrennungsmotor kann mit einem anderen Kraftstoff wie etwa Diesel, Methan, Propan, Wasserstoff oder dergleichen betrieben werden. Es werden verschiedene Arten von Verbrennungsmotoren in Betracht gezogen, wie etwa ein Vierzylinder-Benzinverbrennungsmotor oder dergleichen. Die Wahl der Verbrennungsmotoren hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich Fahrzeuggröße, Gewicht, Batteriekapazität oder dergleichen. Der Motor 16 kann eine elektrische Maschine wie etwa ein Elektromotor sein. Zu Beispielen eines Elektromotoren zählen ein 12 V-Hochgeschwindigkeitselektromotor, ein in Reihe gewickelter Gleichstromelektromotor, ein Gleichstromelektromotor mit Permanentmagnet, ein Phasenwechselstromreduktionsmotor oder dergleichen.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Diagramm eines Motorantriebssystems 12 für das Fahrzeug 10 gezeigt. Das Motorantriebssystem 12 enthält verschiedene Komponenten, die in einer betrieblichen Ineingriffnahme miteinander gekoppelt sind, wie etwa einen ersten Motor 24, einen zweiten Motor 26, eine Kraftübertragung oder ein Getriebe 28 (wie etwa eine einstufige oder mehrstufige Kraftübertragung oder dergleichen) mit einem Zahnrad (oder mehreren Zahnrädern) oder einem Differential 30 und einer Welle (einer gemeinsamen drehbaren Welle oder Antriebswelle) 34 mit einem Zahnrad 36. Das Motorantriebssystem enthält außerdem eine oder mehrere Achsen, Wellen oder dergleichen, die die verschiedenen Komponenten des Motorantriebssystems 12 zusammenschalten.
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Die gemeinsame Welle 34 enthält ein erstes Ende 36, das mit dem ersten Motor 24 wirkverbunden ist, und ein zweites Ende 38, das mit dem zweiten Motor 26 wirkverbunden ist. Ein Beispiel für eine Verbindung ist eine Drehverbindung oder dergleichen. Die gemeinsame Welle 16 ist auch mit der Kraftübertragung 28 verbunden und kann auch zusätzliche Zahnräder wie etwa ein Zahnritzel, einen Planetenradsatz oder dergleichen enthalten. Die Kraftübertragung oder das Getriebe 28 und das Differential 30 sind zwischen dem ersten Motor 24 und dem zweiten Motor 26 angeordnet. Das Wellenzahnrad (Zahnritzel) 36 enthält mehrere Zähne 40 und ist an dem zweiten Ende der Welle 38 angeordnet. Das Wellenzahnrad 36 kann konzentrisch an der Welle 34 montiert und damit integriert sein. Die Zähne des Wellenzahnrads 40 stehen in kämmender Eingriffnahme mit dem Kraftübertragungszahnrad oder Differential 30. Bei dieser Konfiguration gibt es eine Eingabe von neunzig Grad in das Differential 30, wobei der erste Motor 24, der zweite Motor 26, die Kraftübertragung 28, das Differential 30 und die gemeinsame Welle in einer Linie miteinander und seitlich relativ zu der Breite des Fahrzeugs 10 montiert sind.
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Der erste und zweite Motor 24, 26 sind derart auf der gemeinsamen Welle 34 montiert, dass die elektrischen Phasen des ersten und zweiten Motors 24, 26 voneinander versetzt sind, um dadurch die Größe der Drehmomentwelligkeit zu reduzieren. Zum Versetzen des ersten und zweiten Motors 24, 26 sind die Motoren 24, 26 voneinander um ein bestimmtes Ausmaß außer Phase, wie etwa neunzig elektrische Grad, 180 elektrische Grad oder dergleichen, montiert. Beispielsweise kann sich der zweite Motor um den gleichen axialen Pfad drehen, auf dem die beiden Motoren 24, 26 montiert sind, wie in 4 gezeigt. Wenngleich zwei Motoren 24, 26 offenbart sind, kann in dem Motorantriebssystem 12 eine größere Anzahl von Motoren enthalten sein, und die Motoren können voneinander auf vorbestimmte Weise versetzt sein. Das ideale Ausmaß des Versatzes hängt von der Anzahl der Pole und der Anzahl der Motoren auf der gemeinsamen Welle 34 ab.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird die Ausrichtung des ersten und zweiten Motors 24, 26 relativ zueinander während der Installation auf der gemeinsamen Welle 34 gezeigt. Der erste Motor 24 und der zweite Motor 26 enthalten verschiedene Komponenten einschließlich einem Stator 42 und einem Rotor 44, der sich um den Stator 42 dreht. Der Stator 42 oder die stationäre Komponente der Motoren 24, 26 enthält mehrere Drahtspulen (A, B, C) 46, die auf vorbestimmte Weise angeordnet sind, wie etwa um den Umfang des Stators äquidistant relativ zueinander oder dergleichen. Der Rotor 44 oder die nichtstationäre Komponente der Motoren 24, 26 enthält mehrere Magnete 46 mit Polen, die auf vorbestimmte Weise angeordnet sind, wie etwa abwechselnde Nordpole (N) und Südpole (S), und interagiert drehbar mit dem Stator. Der Rotor dreht sich, weil die Drähte und das Magnetfeld des Motors so angeordnet sind, dass um die Rotorachse herum ein Drehmoment entsteht. Das Versetzen des ersten Motors 24 und des zweiten Motors 26, wie oben gezeigt und erörtert, mildert den durch den ersten Motor 24 und den zweiten Motor 26 erzeugten Drehmomentwelligkeitseffekt.
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Die elektrische Phase bezieht sich auf den elektrischen Phasenwinkel der Spannung, wobei elektrische Grade = Pole/2* (mechanische Grade). Beispielsweise stellen 12 Pole einen akzeptablen Wert für eine elektrische Maschine wie etwa einen Elektromotor dar. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass, damit die beiden Motoren 24, 26 um neunzig elektrische Grad außer Phase sind, einer der Motoren (z. B. der zweite Motor 26) mit einem vorbestimmten Wert wie etwa 15 Grad für eine 12-Pol-Maschine wie etwa einen Elektromotor von dem anderen Motor (z. B. dem ersten Motor 24) verdreht (versetzt) sein sollte.
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Diese Anordnung des Motorantriebsystems 12 reduziert die Drehmomentwelligkeit, indem ein Motor (z. B. der zweite Motor 26) geringfügig so verdreht (versetzt) ist, dass, wenn der andere Motor (z. B. der erste Motor 24) bei der Welligkeit eine Spitze aufweist (hoher Teil der Welligkeit), der andere Motor ein Drehmomenttal (niedriger Teil der Welligkeit) aufweist, wodurch der Drehmomentwelligkeitseffekt minimiert wird. Während im Idealfall die Drehmomentwelligkeit in der Motordesignphase minimiert wird, kann dies nicht immer bewerkstelligt werden. Die Anordnung des Motorantriebssystems 12 der vorliegenden Offenbarung reduziert die Auswirkung eines Motors mit hoher Drehmomentwelligkeit in Situationen, wenn mehr als ein Motor mit einer gemeinsamen Welle verbunden ist. Zudem sorgt die Anordnung des Motorantriebssystems 12 der vorliegenden Offenbarung für größere Vielseitigkeit, mehr Optionen und mehr Flexibilität im Hinblick auf Motorwahl und reduziert auch die Kosten zum Vermarkten des Fahrzeugs, des Motors oder dergleichen.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf 5 und 6 wird jeweils ein Diagramm, das Drehmomentwelligkeit oder das relative Drehmoment 110 (y-Achse) über dem Rotorwinkel 112 (x-Achse) zwischen einer herkömmlichen Motoranordnung 114 und der versetzten Motoranordnung der vorliegenden Offenbarung 116 vergleicht, und ein Diagramm, das das relative Drehmoment über 110 dem Rotorwinkel 112 zwischen einem ersten Motor 118, einem zweiten Motor 120 und einem kombinierten ersten und zweiten Motor 122 vergleicht, gezeigt. Die Drehmomentwelligkeit einer herkömmlichen Antriebseinheit (d. h. herkömmliche Anordnung), bei der die Motoren derart betrieben werden, dass ihre elektrischen Phasen perfekt ausgerichtet sind (nicht versetzt) ist relativ hoch, wie bei 124 in 5 gezeigt. Im Gegensatz dazu ist die Drehmomentwelligkeit des Motorantriebssystems 12 der vorliegenden Offenbarung (d. h. versetzte Anordnung), bei dem die Motoren 24, 26 derart betrieben werden, dass ihre elektrischen Phasen voneinander versetzt sind, relativ niedrig, wie bei 126 in 5 gezeigt. Wie gezeigt, kann durch Implementieren des Motorantriebssystems 12 der vorliegenden Offenbarung bei der Drehmomentwelligkeitsgröße eine signifikante Reduktion erzielt werden.
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Bei herkömmlichen Antriebseinheiten befinden sich die elektrischen Phasen üblicherweise am gleichen Ort relativ zu der mechanischen Position (das heißt, die elektrischen Phasen sind perfekt ausgerichtet). Dies bedeutet, dass zwei Motoren, die von dem gleichen Fließband kommen, so hergestellt sind, dass ihre Pole genau gleich angeordnet sind. Dies bedeutet, dass, falls die Motoren an einer gemeinsamen Welle befestigt werden und auf die gleiche Weise montiert werden, die Drehmomentwelligkeit von jedem Motor mit der des anderen zusammenfallen würde. Falls jedoch einer der Motoren (z. B. der zweite Motor 26) verdreht wird (beispielsweise könnten seine Montagelöcher derart angeordnet sein, dass der Motor 26 (für eine 12-Pol-Maschine) um 15 mechanische Grad verdreht ist), würde dies bewirken, dass die Drehmomentwelligkeiten um 90 Grad außer Phase sind, so dass die Drehmomentspitze des ersten Motors 24 dem Drehmomenttal des zweiten Motors 26 und umgekehrt entsprechen würde (d. h. elektrische Phasen versetzt), wie in der vorliegenden Offenbarung offenbart. Alternativ kann der Rotor 44 axial gedreht werden, so dass der Rotor 44 nach der Installation auf der gemeinsamen Welle 34 wie gewünscht phasenverschoben sein wird, wie bei 128 in 6 gezeigt.
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Es wird angemerkt, dass unter Einsatz der obigen beschriebenen Konfiguration/Anordnung als ihrer Basis, verschiedene Variationen in Betracht gezogen werden können. Dies beinhaltet unter anderem Motoren, die unter Verwendung von Zahnrädern, Kettenantrieben oder einem beliebigen anderen Verfahren mechanisch verbunden sind, wobei die relative Drehposition zwischen zwei oder mehr Motoren abhängig ist. Dies beinhaltet auch Motoren, die mechanisch periodisch getrennt werden, aber derart gesteuert werden können, dass bei einer Wiedereingriffnahme der Motoren die Motoren für eine kleinste Drehmomentwelligkeit phasenverschoben (versetzt) sind.
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Angesichts der obigen Lehren sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Offenbarung möglich. Deshalb kann die vorliegende Offenbarung innerhalb des Schutzbereichs des beigefügten Anspruchs auf andere Weise als spezifisch beschrieben praktiziert werden.
