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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Hybridantriebe, insbesondere Lüfterantriebe, mit einem Viskosekupplungsmechanismus und einem Elektromotor.
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HINTERGRUND
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Mit immer strenger werdenden staatlichen Auflagen bezüglich Kraftstoffökonomie und Emissionen wird mehr Druck auf Fahrzeughersteller ausgeübt, neue Technologien zu finden, die Kraftstoffökonomie erhöhen und Emissionen aus Verbrennungsmotoren auf ein Minimum reduzieren. Die Elektrifizierung des Fahrzeugantriebsstrangs ist die führende neue Emissions- und Kraftstoffökonomietechnologie. Durch Elektrifizierung werden ausgeklügelte Steueroptionen für Antriebsstrangkomponenten ermöglicht, die herkömmlicherweise direkt mit der Motordrehzahl verbunden sind. Des Weiteren werden durch Hybridisierung neue Kraftstoffeinspartechniken, wie zum Beispiel Start-Stopp-Technologie, eingeführt.
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Diese Antriebsstrangtechnologieänderungen erfordern fortschrittliche Wärmemanagementsysteme. Motor- und Getriebereibung, FEAD-Verluste, Motorerwärmung, Wärmestau bei Abstellen, Motorverbrennungswirkungsgrad, Motorzuverlässigkeit, Innenraumkomfort, Batteriewirkungsgrad, Elektromotorwirkungsgrad, Wechselrichterwirkungsgrad und viele andere Parameter werden durch das Wärmemanagement von Motor und Antriebsstrang direkt oder indirekt beeinflusst. Des Weiteren ermöglicht Elektrifizierung die Ausführung von komplexen Steuersystemen, bei denen einzelne Antriebsstrangkomponenten einzeln gesteuert werden können, insbesondere in Hinblick auf Wärmemanagement.
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Eines der Gebiete, auf denen Wärmemanagementsysteme produktiv sein können, betrifft Systeme zum Antrieb von Kühllüftern. Kühllüfter werden schon seit langem in Fahrzeugmotorsystemen verwendet, um Luft durch einen Kühler zu leiten und so das Motorkühlmittel innerhalb akzeptabler Temperaturgrenzen zu halten. Die Antriebe für diese Lüfter sind ein Zusatzaggregat für den Motor und verbrauchen Energie vom Motor, wodurch die Leistung und der Benzinverbrauch des Motors und des Fahrzeugs beeinträchtigt werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Lüfterantriebssystems, das eine Verbesserung gegenüber bestehenden Lüfterantriebssystemen, insbesondere bezüglich erhöhter Kraftstoffökonomie und Verringerung von unerwünschten Emissionen, darstellt. Weiterhin besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Hybridlüfterantriebssytems, das sowohl elektrischen als auch mechanischen Betrieb des Lüfterantriebs gestattet.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen Hybridlüfterantriebssysteme mit sowohl mechanischer Steuerung als auch elektrischer Steuerung. Die Lüfterantriebe verwenden vorzugsweise einen elektronisch gesteuerten Viskosekupplungsmechanismus zur variablen Steuerung der Drehzahl des mechanischen Lüfters. Der elektrische Antrieb arbeitet vorzugsweise mit einem Elektromotor, insbesondere einem bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor). Eine Ausführungsform der Erfindung enthält einen riemenscheibengetriebenen, elektronisch gesteuerten Viskosekupplungsmechanismus und einen Innenrotor-BLDC-Motor. Eine zweite Ausführungsform der Erfindung umfasst einen motorkurbelmontierten, elektronisch gesteuerten Viskosekupplungsmechanismus mit einem angebundenen BLDC-Motor. Eine dritte Ausführungsform der Erfindung umfasst einen motorblockmontierten, elektronisch gesteuerten Viskosekupplungsmechanismus mit einem integrierten Außenrotor-BLDC-Motor.
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Weitere Vorzüge, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bei Betrachtung mit den angehängten Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem riemenscheibengetriebenen Viskosekupplungsmechanismus mit einem BLDC-Motor dar.
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2 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem kurbelmontierten Viskosekupplungsmechanismus mit einem BLDC-Motor dar.
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3 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer riemenscheibengetriebenen Viskosekupplung mit einem Außenrotor-BLDC-Motor dar.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zum besseren Verständnis der Grundzüge der vorliegenden Erfindung soll nunmehr auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen Bezug genommen werden, und für ihre Beschreibung werden spezielle Formulierungen verwendet. Es versteht sich aber, dass dadurch keine Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung beabsichtigt ist. Die Erfindung umfasst jegliche Alternativen und andere Modifikationen der dargestellten Vorrichtungen und beschriebenen Verfahren und weitere Anwendungen der Grundzüge der Erfindung, die für einen Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise auf der Hand liegen würden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Hybridlüfterantriebssysteme zur Verwaltung von Wärmeaspekten von Motoren und Fahrzeugen. Die Lüfterantriebssysteme werden in erster Linie zum Aufrechterhalten der Temperatur des Kühlmittels in bestimmten Bereichen in den Fahrzeugmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren, verwendet. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung umfassen mechanisch angetriebene Lüfterantriebssysteme in Kombination mit elektrisch angetriebenen Lüfterantriebssystemen.
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Obgleich drei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unten beschrieben werden, soll die Erfindung nicht auf diese drei Ausführungsformen beschränkt werden. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst auch andere Ausführungsformen von Hybridlüfterantriebssystemen, die ein Kupplungsglied und einen elektronischen Motor, insbesondere einen BLDC-Motor, verwenden, die innerhalb des Fachkönnens von Fachleuten bei Betrachtung der vorliegenden Ausführungsformen liegen.
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Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird in 1 gezeigt und allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Diese Ausführungsform umfasst eine riemenscheibengetriebene elektronische Viskosekupplung mit einem integrierten bürstenlosen DC-(BLDC-)Motor. Das System 10 wird zum Antrieb eines Kühllüfters 12 verwendet. Das System 10 enthält eine Viskosekupplung 14 und einen BLDC-Motor 16, die beide an einer Halterung oder einem Gehäuse 20 befestigt oder darin enthalten sind. Die Viskosekupplung 14 ist in einem Viskosekupplungsgehäuse 22 angeordnet. Das Gehäuse 22 ist an einem Riemenscheibenglied 24 befestigt, das zur Befestigung an einem serpentinenförmigen Nebenaggregatriemenglied ausgeführt ist, das in der Regel vorne am Fahrzeugmotor positioniert ist. Das Riemenscheibenglied 24 und das Viskosekupplungsgehäuse 22 sind durch Lager 26 am Gehäuse oder Halterungsglied 20 befestigt, das stationär ist. Die Halterung oder das Gehäuse 20 sind in der Regel vorne am Fahrzeugmotor befestigt.
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Das Viskosekupplungsgehäuse 22 und das Riemenscheibenglied 24 drehen sich mit der Eingangsriemenscheibengeschwindigkeit. Das Lüfterglied 12 ist an einem Längswellenglied 30 angebracht, das durch ein Paar Lager 32 und 34 an der Halterung oder am Gehäuse 20 angebracht ist. Wenn die Viskosekupplung aktiviert ist, treibt die Kupplung das Lüfterglied 12 mit der Solldrehzahl an, die erforderlich ist, das Kühlmittel im Motor innerhalb eines angemessenen Temperaturbereichs zu halten. Ein Freilauflager 40 ist um das Wellenglied 30 positioniert und wird dazu verwendet, der Viskosekupplung eine Drehung nur in einer Richtung zu gestatten.
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Der Elektromotor 16 ist um das Wellenglied 30 herum mit einem Freilauflager 42 verbunden. Der Elektromotor enthält ein Statorglied 44 und Rotorglied 45. Der Elektromotor kann eine beliebige Art von Elektromotor sein, wie zum Beispiel ein Schrittmotor oder ein anderer Elektromotor, ist aber vorzugsweise ein bürstenloser DC-(BLDC-)Motor.
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Die Freilauflager 40 und 42 können eine beliebige Art von herkömmlichen Freilauflagern sein, wie zum Beispiel Klemmkörperlager oder Rollenlager.
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Das Viskosekupplungsglied, oftmals als e-Viskosekupplung bezeichnet, kann ein beliebiger der heute bekannten elektronischen Viskosekupplungsmechanismen sein. Zum Beispiel könnten die Viskosekupplungsmechanismen die in den
US-PS 7 083 032 ,
7 178 656 oder
7 249 644 gezeigten sein.
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Durch die Energiequelle 52 wird elektrische Energie für die Viskosekupplung und den Elektromotor bereitgestellt.
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Der Betrieb der Kupplung und des Motors wird durch die elektronische Steuerung 54 des Fahrzeugs gesteuert. Sensoren 56 führen der elektronischen Steuerung Eingaben zu. Die Sensoren geben in der Regel die Temperatur des Kühlmittels im Motor ein. Die elektronische Steuerung 54 sendet elektrische Signale an den Elektromotor 58 zur Steuerung seines Betriebs, und zum Solenoid 59, der den Betrieb der Viskosekupplung steuert.
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Wie gezeigt, werden Freilaufkupplungen/-lager verwendet, um den BLDC-Rotor und den Viskosekupplungsrotor mit der Hauptwelle 30, an der der Lüfter befestigt ist, zu verbinden. Dadurch kann die Lüfterwelle den Viskosekupplungsrotor bei elektrischem Antrieb überholen und ebenso den BLDC-Rotor bei mechanischem Antrieb überholen.
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Die Verbindung über eine Viskosekupplung ist vorzugsweise eine gemeinhin für Fahrzeugkühllüfter verwendete, bei der Drehmoment durch das Scheren eines viskosen Fluids in einem verschachtelten Labyrinthbereich von dem Eingangsglied auf das Ausgangsglied übertragen wird. Das Ausmaß an Kupplungseingriff wird durch Regeln der Menge des viskosen Fluids im Scherbereich elektronisch gesteuert. Elektronische Fluidregelung wird durch ein beliebiges der Verfahren erreicht, die derzeit in bekannten Viskoselüfterantrieben eingesetzt werden, würde aber vorzugsweise durch Verwendung einer Förderpumpentechnologie mit variabler Fluidreibung gesteuert werden.
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Ein bevorzugtes Förderpumpensystem mit variabler Fluidreibung verwendet eine Pitot-Fluidpumpe zum Bewegen von Fluid aus dem Reservoir in den Labyrinthbereich. Diese werden zum Beispiel in den
US-PS 7 178 656 und
7 249 644 beschrieben. Die gepumpte Fluidmenge wird durch Regeln der Differentialgeschwindigkeit zwischen dem drehenden Reservoir und dem Pitot-Rohr
50 gesteuert, die wiederum den Geschwindigkeitsdruck des Fluids vor der Pitot-Pumpe steuert. Die Differentialgeschwindigkeit zwischen dem Reservoir und der Pumpe wird mit einer integrierten Wirbelstrombremsvorrichtung elektronisch gesteuert. Des Weiteren gewährleistet die Pumpenausführung eine stabilere rückkopplungslose Steuerung als herkömmliche elektronische Viskosesteuerungsverfahren. Dadurch kann die Vorrichtung eine bessere Lüfterdrehzahlsteuerleistung erzielen als herkömmliche elektronische Viskoselüfterantriebe.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Hybridlüfterantriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform enthält einen motorkurbelmontierten, elektronisch gesteuerten Viskosekupplungsmechanismus mit einem angebundenen BLDC-Motor und wird in 2 allgemein mit der Bezugszahl 60 bezeichnet. Diese Ausführungsform ähnelt insofern der oben unter Bezugnahme auf 1 besprochenen Ausführungsform, als sie zwei Grundantriebsmodi aufweist, wobei der erste Antriebsmodus ein mechanischer Antrieb ist, der unter Verwendung einer elektronisch gesteuerten Viskosefluidkupplung erreicht wird, und ein zweiter Antriebsmodus ein elektrischer Direktantrieb über einen Elektromotor, insbesondere einen BLDC-Motor, ist. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht darin, dass die in 2 gezeigte Ausführungsform 60 für kurbelmontierte Anwendungen konfiguriert ist.
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Wie die oben in 1 beschriebene Ausführungsform enthält die in 2 gezeigte Ausführungsform 60 wieder einen Viskoseantriebsmechanismus 62 und einen Elektromotormechanismus 64, die beide auf einer mittleren Welle 66 angebracht sind, die an der Motorkurbelwelle befestigt ist. Ein Kühllüfter (nicht gezeigt) ist am vorderen Ende (das heißt auf der linken Seite der in 2 gezeigten Ausführungsform) angebracht, um Kühlmittel im Kühler zu kühlen.
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Der Viskosekupplungsmechanismus 62 weist ein Rotorglied 70, ein Viskosefluidreservoir 72 und eine Differentialgeschwindigkeits-Fluidreibungsverstell-Pitot-Pumpe 74 auf. Das Viskosekupplungsrotorglied 70 ist durch ein Freilauflager 76 auf der mittleren Welle 66 angebracht. Der Elektromotorstator 92 und der Rotor 93 sind in einem Rotorträger 94 positioniert. Ebenso ist der Elektromotor 64 am stationären Gehäuse 78 angebracht. Zusätzliche herkömmliche Lagerglieder 82 und 84 werden zur Montage des gesamten Mechanismus am Montageglied oder an der Halterung 66 verwendet. Nadellager 95 und 96 werden verwendet, um dazu beizutragen, dass sich die Komponenten bezüglich einander drehen können.
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Die Freilauflager und die elektronischen Energieversorgungs- und Steuersysteme sind vorzugsweise die gleichen wie die oben unter Bezugnahme auf 1 offenbarten.
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Bei dieser Ausführungsform ist das Wellenglied 66 direkt an der Motorkurbelwelle oder an einer motorgetriebenen Riemenscheibe befestigt. Im mechanischen Antriebsmodus wird Drehmoment von der Eingangswelle durch das Freilauflager 76 auf die Viskosekupplungsscheibe und anschließend durch das Scheren eines viskosen Fluids in dem Labyrinthbereich auf das Ausgangsgehäuse 88 übertragen. Der Lüfter ist direkt an dem Ausgangsgehäuse befestigt, wie oben erwähnt.
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Variable Geschwindigkeitsregelung für die Viskosekupplung wird durch Steuerung der Fluidmenge in dem Labyrinthbereich erreicht. Dies ist bei heute bekannten Viskosekupplungen gebräuchlich. Die Förderpumpenrate wird durch elektronisches Verstellen der Differentialgeschwindigkeit zwischen dem Fluidreservoir und dem Förderpumpen-Pitot-Rohr 74 gesteuert.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform enthält weiterhin eine Hysteresebremse 90 zur Steuerung der Differentialgeschwindigkeit zwischen dem Fluidreservoir und dem Förderpumpen-Pitot. Das Pitot-Rohr dreht sich um das Lager 89. Eine Spule 91 wird verwendet, um dem Pitot-Rohr Widerstand hinzuzufügen. Die Hysteresebremse verwendet die Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds, das in gezahnten Schlitzen konzentriert ist, durch die sich ein Glockenläufer erstreckt, der an dem Förderpumpen-Pitot befestigt ist. Bei Drehung des Glockenläufers induzieren die magnetischen Pole Wirbelströme in dem Glockenläufer, die Magnetfelder erzeugen, die der Drehung entgegenwirken, um ein Widerstandsmoment zu erzeugen, das proportional zu dem an die Spule angelegten Strom ist. Ohne Energie dreht sich der Rotor 70 mit Lüfterdrehzahl. Wenn an die Spule in der Hysteresebremse 90 Energie angelegt wird, beaufschlagt sie das Pitot-Rohr und die Differentialgeschwindigkeit zwischen dem Pitot-Rohr und dem Lüfter mit Widerstand. Dadurch kann Fluid zu dem Pitot-Rohr in die Arbeitskammer gepumpt werden.
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Das Motorgehäuse 78 ist an dem Verbrennungsmotor angebunden 98, so dass es sich auf ähnliche Weise zu den meisten elektronisch gesteuerten Viskoselüfterantrieben nicht dreht. Die Anbindung 98 ist nachgiebig mit zum Beispiel einem Kautschukunterlegscheibenglied 99. Wenn die Vorrichtung im elektrischen Antriebsmodus arbeitet, dreht der elektronische Motor, vorzugsweise ein BLDC-Motor, den Rotor 92, der dann Drehmoment durch das Freilauflager 80 auf das Kupplungsgehäuse überträgt.
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Die Hysteresebremse 90, die zur Steuerung der Differentialgeschwindigkeit der Förderpumpe verwendet wird, erfordert keine Permanentmagneten. Dadurch wird die Herstellung des Systems kostengünstiger.
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Da das Fluidreservoir und die Viskosekupplung an dem Ausgangsglied befestigt sind, steht bei niedrigen Lüftergeschwindigkeiten möglicherweise nicht genügend Differentialgeschwindigkeit zur Verfügung, um das Fluid durch die Förderpumpe zu pumpen und den Antrieb einzurücken. In solchen Situationen wird der BLDC-Motor dazu verwendet, das Ausgangsgehäuse bis zu einer Drehzahl zu drehen, bei der die Förderpumpe effizient betrieben werden kann.
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Die Anbindung 98 wirkt dem Lüfterdrehmoment während des elektrischen Antriebsmodus entgegen. Des Weiteren kann die Anbindung dazu verwendet werden, die Stromkabel zu dem BLDC-Motor, der Förderpumpenbremsspule und den Sensoren zu befördern.
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Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 3 gezeigt und allgemein mit der Bezugszahl 100 bezeichnet. Diese Ausführungsform ist ein motorblockmontierter elektronisch gesteuerter Viskosekupplungsmechanismus mit einem integrierten Außenrotor-BLDC-Motor.
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Dieses System 100 enthält eine stationäre Halterung 102, einen Außenrotor-BLDC-Motor 104, einen Viskosekupplungsmechanismus 106 und ein mittleres Wellenglied 108. Ein Lüfteradapterglied 110 ist an dem Ende des Wellenglieds 108 angebracht. Der Viskosekupplungsmechanismus enthält ein Gehäuse 120 und einen Innenrotor 122. Der Rotor ist durch ein Freilauflager 124 an dem Wellenglied 108 befestigt. Des Weiteren hat die Viskosekupplung eine Differentialgeschwindigkeits-Pitot-Pumpe 130. Das Außengehäuse 140 hat ein Riemenscheibenglied 142, das darin zur Befestigung an dem serpentinenförmigen Antriebsriemenglied für den Motor eingebaut ist. Ein ”Schalen”-Gehäuseglied 150 ist um den Außen-BLDC-Rotor und Motor herum positioniert. Der BLDC-Rotor 160 ist in der Rotortragschale 150 positioniert. Das Glied 160 weist des Weiteren einen Stator auf, der durch einen Luftspalt von dem Rotor getrennt ist.
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Diese dritte Ausführungsform enthält des Weiteren eine Hysteresebremse 170 zusammen mit einer Hysteresebremsenspule 172. Herkömmliche Lagerglieder 114 und 116 werden dazu verwendet, die Komponenten an dem mittleren Wellenglied 108 zu befestigen. Nadellager 180, 182 werden des Weiteren dazu verwendet, die Welle und die Riemenscheibe abzustützen. Die Freilauflager, die Energieversorgung und die elektronische Steuerung ähneln vorzugsweise den oben unter Bezugnahme auf die 1 und 2 besprochenen Ausführungsformen.
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Wie die oben besprochenen ersten beiden Ausführungsformen weist die in 3 gezeigte Ausführungsform zwei verschiedene Betriebsmodi auf. Im mechanischen Betriebsmodus wird das Riemenscheibenglied durch den FEAD angetrieben und überträgt Drehmoment auf das Viskosekupplungsgehäuse. Dann wird das Drehmoment durch Viskosescherung in dem Labyrinthbereich gezielt auf die Kupplung übertragen. Das Kupplungsmoment wird durch ein Freilauflager auf die Ausgangswelle übertragen. Auf die gleiche Weise wie oben mit Bezug auf die in 2 gezeigte Ausführungsform angeführt, wird durch die Pitot-Pumpe und die Hysteresebremse eine verstellbare Geschwindigkeitssteuerung der Viskosekupplung erreicht. In einem elektrischen Betriebsmodus überträgt der Außenrotor-BLDC-Motor Drehmoment direkt auf die Ausgangswelle.
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Die Rotortragschale besteht aus einem nicht magnetischen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl, so dass der durch die Spule erzeugte Magnetfluss über die Hysteresebremsenpole durch die Rotortragschale geleitet wird, um den Magnetkreis zu schließen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform zu der in 3 gezeigten Ausführungsform wird die Hysteresebremse weggelassen, und das Förderpumpen-Pitot ist über ein Freilauflager direkt an der Rotortragschale befestigt. Der BLDC-Motor wird dazu verwendet, das zur Erzeugung der Differentialgeschwindigkeit, die von der Förderpumpe benötigt wird, um die Fluidfüllung für die Viskosekupplung zu regeln, benötigte Bremsmoment bereitzustellen. Diese Alternative erfordert auch das Hinzufügen von Hochleistungs-Bremswiderständen in der Steuerung.
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Obgleich die Erfindung bezüglich bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich, dass sie nicht darauf beschränkt sein soll, da Änderungen und Modifikationen daran durchgeführt werden können, die im vollen Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche angeführt, liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7083032 [0018]
- US 7178656 [0018, 0023]
- US 7249644 [0018, 0023]
