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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein von einem Antriebsaggregat angetriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Getriebeeinheit und wenigstens einer als Motor und/oder Generator betreibbaren elektrischen Maschine nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug weist üblicherweise wenigstens eine elektrische Maschine auf, welche z. B. das Antriebsaggregat selbst sein kann.
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Elektromotoren als Antriebsmotoren, welche von einer Batterie oder einer bordeigenen Brennstoffzelle mit elektrischer Energie gespeist werden, werden vor allem im Hinblick auf eine Verringerung der Schadstoffemissionen zunehmend anstelle von Verbrennungsmotoren eingesetzt, da sie in ihrer Bauart kompakt sind, mit ihrem großen Drehzahlbereich ein komfortables und fast geräuschloses Fahren ermöglichen und emissionslos arbeiten.
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Neben rein elektrischen Antriebssystemen sind auch teilelektrische Fahrzeugantriebe bekannt, welche in der Praxis auch als „Hybrid-Antriebe” bezeichnet werden. Diese teilelektrischen Antriebssysteme weisen als Antriebsaggregat hauptsächlich einen Verbrennungsmotor auf, der eine große Leistungsfähigkeit und Reichweite des Kraftfahrzeuges ermöglicht. Ergänzende Elektromotoren bieten hingegen die Vorteile der Elektroantriebe, wie z. B. eine Bremsenergienutzung und ein emissionsfreies Fahren, wobei Reichweite und Leistung eingeschränkt sind.
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Eine solche teilelektrische Lösung ist z. B. aus der deutschen Publikation VDI-Berichte 1346 (1997), P. Teneberge: „Stufenlose Fahrzeuggetriebe mit elektrischer Leistungsverzweigung”, 83–114, bekannt. Darin wird ein elektrisch leistungsverzweigtes Hybrid-Getriebe mit zwei Elektromaschinen, die als leistungsübertragende Antriebselemente in einem mechanischen Getriebe integriert sind, beschrieben. Diese bekannte Lösung bietet eine weitgehende Systemintegration des elektrischen Antriebs in den verbrennungsmotorischen Antriebsstrang, wobei die elektrischen Maschinen auch zusätzliche Aufgaben wie die eines Anlassers oder eines Bordnetzgenerators übernehmen können.
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Nachteilig ist bei diesem Antriebssystem mit zwei separaten Elektromaschinen jedoch, daß die konstruktive Ausführung sehr aufwendig und kostenintensiv ist. Zudem werden für eine Starter-/Generatorfunktion zwei Elektromaschinen eingesetzt, welche für diese Aufgabe erheblich überdimensioniert sind.
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Des weiteren sind aus der Praxis Antriebssysteme mit einer zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe angeordneten elektrischen Maschine bekannt, welche eine Starter- und Anlasserfunktion für einen Verbrennungsmotor aufweist und zusätzlich als Generator betreibbar ist.
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Eine derartige Lösung ist in der Publikation „European Automotive Design”, Ausgabe April 1998, Seite 24, beschrieben. Hierbei wird ein Elektromotor direkt mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Über den Elektromotor, welcher als Stellglied zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe installiert ist, kann die Starterfunktion und die Generatorfunktion dargestellt werden, wobei sich die Auslegung des Elektromotors im Wesentlichen nach der Startleistung richtet.
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Zusammen mit einer Leistungselektronik und einem Startkondensator als Speichermedium ersetzt dieser bekannte Elektromotor einen herkömmlichen Starter, die Lichtmaschine und das Schwungrad des Kraftfahrzeuges und steuert als Generator die elektrische Energieversorgung.
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Nachteilhafterweise wird jedoch die Antriebseinheit durch die elektrische Maschine, welche in einem Zwischengehäuse angeordnet ist, verlängert. Dies trifft um so mehr zu, als in Zukunft vor allem im Hinblick auf einen Einsatz einer Start-Stop-Automatik, mittels der der Verbrennungsmotor bei Fahrzeugstillstand aus Gründen der Treibstoffeinsparung abgeschaltet wird, immer kürzere Startzeiten bei gleichzeitiger Geräuscharmut erforderlich werden. Das bedeutet eine Erhöhung der Starterleistung und eine Vergrößerung der Elektromotoren.
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In der
DE 44 30 650 A1 ist ebenfalls ein als Motoranlasser-Vorrichtung ausgeführtes Antriebssystem angegeben, das einen Generator/Motor aufweist, der zwischen einer Brennkraftmaschine und einer Getriebeeinheit mit einer Kurbelwelle gekoppelt angeordnet ist. Zur Integration des Generators/Motors ist auch hier in Richtung der Kurbelwelle bzw. in axialer Richtung der Antriebsachse zusätzlicher Bauraum notwendig.
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Die
US5103127A offenbart einen ebenfalls zwischen einer Verbrennungsmaschine und einer Getriebeeinheit angeordneten Starter/Generator, wobei der Rotor an einer Außenseite eines Eingangsgehäuses eines Drehmomentenwandlers und der Stator an einer Innenseite des Drehmomentenwandlergehäuses befestigt ist.
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Die
US3258620A lehrt, wie für einen Induktionsgenerator mit einem Rotor mit voneinander beabstandeten Polen mittels einer zylinderförmigen Hülle Luftspalt-reibungsverluste verringert werden können, wobei die Hülle aus einem Material mit hoher Zugfestigkeit und geringer magnetischer Permeabilität geformt ist.
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Die
DE19617134A1 offenbart eine Anordnung eines ringförmigen Dauermagneten als Steuermagnet auf einer Welle eines Motors. Die
DE19617134A1 lehrt, dass ein durch Erwärmung hervorgerufenes Reißen des Magneten sich dadurch verhindern lässt, dass der Dauermagnet in ein aus amagnetischen Material bestehendes, mit einer Welle verbundenes Ringteil eingesetzt wird, wobei der Dauermagnet an seinem Außenumfang fest an dem Ringteil anliegt und an seinem Innenumfang die Welle mit dem Spiel umschließt.
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Die
DE8221167U1 offenbart eine in die Kupplung integrierte elektrische Maschine für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges.
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In der
DE 44 30 650 A1 ist ebenfalls ein als Motoranlasser-Vorrichtung ausgeführtes Antriebssystem angegeben, das einen Generator/Motor aufweist, der zwischen einer Brennkraftmaschine und einer Getriebeeinheit mit einer Kurbelwelle gekoppelt angeordnet ist. Zur Integration des Generators/Motors ist auch hier in Richtung der Kurbelwelle bzw. in axialer Richtung der Antriebsachse zusätzlicher Bauraum notwendig.
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Zwar ist der Einsatz eines kleineren Elektromotors als Starter möglich, wenn zwischen dem Elektromotor und der Kurbelwelle ein Zwischengetriebe mit Schaltvorgängen oder Freilaufschaltungen installiert wird. Damit erreicht die Einheit aus Elektromotor und Zwischengetriebe aber nachteilhafterweise eine Baugröße, welche den Vorteil des kleineren Elektromotors zum Teil wieder kompensiert. Problematisch ist auch die aufwendige Konstruktion mit schwieriger Schmierölführung und erheblicher Bauteilvielzahl.
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In jedem Fall kann die separate, als Starter- und Generatorersatz vorgesehene und zwischen Antriebsmotor und Getriebe angeordnete elektrische Maschine nicht oder nur mit großem Aufwand mit Funktionen des Getriebes oder des Antriebsmotors kombiniert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, in das eine als Motor und/oder Generator betreibbare und multifunktional einsetzbare, rotierende elektrische Maschine mit möglichst geringem Bauraumbedarf integriert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Antriebssystem gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem, bei dem die Aktivteile der elektrischen Maschine ohne eigenes Gehäuse innerhalb eines Gehäuses des Antriebsaggregates und/oder der Getriebeeinheit angeordnet sind und mit deren Bauteilen eine strukturelle Einheit bilden, wird die Trennung zwischen rein elektrotechnischen Komponenten und rein mechanischen Komponenten des Antriebssystems gleichsam aufgehoben.
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Statt einer Anordnung als eigenständiger Baukörper mit eigenem Gehäuse, welcher mit mechanischen Bauteilen z. B. des Getriebes oder des Antriebsaggregates verbunden ist, können erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise sich ohnehin drehende Bauteile, welche mit der Antriebsstrangwelle verbunden sind oder parallel zu dieser mitdrehend angeordnet sind, den Rotor der elektrischen Maschine bilden.
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Dies hat zudem den Vorteil, daß Drehzahl und Lage des Rotors bekannt sind, wenn die Drehzahl des den Rotor bildenden Funktionsbauteiles direkt oder über andere, mit diesem Bauteil in Verbindung stehende Elemente abgegriffen wird.
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Genauso können vorhandene stehende Bauteile als Stator genützt werden, indem sie mit geringem Aufwand mit Aktivteilen der elektrischen Maschine zu einer strukturellen Einheit verbunden werden.
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Die elektrische Maschine kann so mit äußerst geringem Raumbedarf in das Antriebsaggregat oder das Getriebe integriert werden, wobei deren Bauteile als Stator oder Rotor, welcher drehrichtungsabhängig oder drehrichtungsunabhängig direkt und/oder über mechanische Übersetzungen an die Antriebsstrangwelle gekoppelt und ein Innenläufer oder ein Außenläufer sein kann, selbst zu Bestandteilen der elektrischen Maschine werden. Bauteile des Getriebes, des Antriebsaggregates und der elektrischen Maschine können somit auch gleichzeitig Aufgaben bzw. Funktionen der anderen Komponenten wahrnehmen.
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Vorteilhafterweise erfordert die erfindungsgemäße Lösung keine vollständig neue Konstruktion des Antriebsaggregates oder des Getriebes, da sich die elektrische Maschine auch problemlos z. B. in einem abgedichteten, ölhaltigen Bereich bereits vorhandener Getriebetypen integrieren läßt.
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Die Nutzung der elektrischen Maschine kann vielfältig sein. So kann sie z. B. als Fahrantrieb oder Nebenantrieb dienen, eine Lastschaltung eines Automatgetriebes unterstützen, als Startermotor und Generator für das Bordnetz des Fahrzeuges fungieren und der Bremsenergierückgewinnung dienen, wobei auch mehrere Funktionen miteinander kombiniert werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, daß die elektrische Maschine eine Starter- und Generatoreinheit darstellt, welche eine Starterfunktion für das als Verbrennungsmotor ausgebildete Antriebsaggregat und eine Generatorfunktion hat.
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Durch die Nutzung der im Getriebe oder Antriebsaggregat eingebauten elektrischen Maschine als Starter- und Generatoreinheit, welche den Verbrennungsmotor auf seine Startdrehzahl bzw. Leerlaufdrehzahl bringt, wird das Antriebssystem vorteilhafterweise in seiner Baulänge reduziert, wodurch dessen platzsparende Integration in ein Fahrzeug erleichtert wird.
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Die Starter- und Generatoreinheit beansprucht wenig Bauraum, da ein eigenes Gehäuse und auch ein kostenintensives Zwischengetriebe, welches zudem Probleme der Geräuschentwicklung bei der Übersetzung und Schwingungsprobleme durch Freiläufe aufwirft, entfallen.
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Des weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung je nach Auslegung der elektrischen Maschine eine Beschleunigung des Verbrennungsmotors mit einstellbarer Dynamik und eine optimale Auslegung der elektrischen Maschine als Generator.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, daß die elektrische Maschine das mit einer elektrischen Energiequelle verbundene Antriebsaggregat des Fahrzeuges darstellt, welches zusammen mit der Getriebeeinheit in deren Gehäuse angeordnet ist.
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Dadurch, daß die in dem Getriebe integrierte elektrische Maschine selbst das Antriebsaggregat des Fahrzeugs ist, wird das „Getriebe” zu einem äußerst kompakten hybriden Antrieb mit multifunktionalen elektro-mechanischen Bauteilen, dessen Energie z. B. von einer bordeigenen Brennstoffzelle, welche beispielsweise Wasserstoff, Methanol oder Erdgas als Energieträger nutzt, geliefert wird.
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Wenn mit dieser als Antriebsaggregat fungierenden, in der Getriebeeinheit integrierten elektrischen Maschine die Funktionen weiterer elektrischer Maschinen mit unterstützenden Antriebsaufgaben oder zusätzlichen Aufgaben, wie z. B. der Starter- und Generator-Einheit, verbunden werden, ist bei entsprechender Auslegung für ein Fahrzeug nur noch eine einzige elektrische Maschine nötig, welche Bauteile mit drehmomentübertragenden Funktionsbauteilen der Getriebeeinheit teilt.
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In ihrem mechanischen Aufbau und ihrer Betriebsart kann die elektrische Maschine in vorteilhafter Weise als permanentmagnetisch erregte Synchron- oder Gleichstrommaschine ausgebildet sein, welche als Aktivteile, die den Strom bzw. den magnetischen Fluß leiten, bekannterweise Wicklungen, ein Statorblechpaket oder ein Rotorblechpaket mit geschichtetem Elektroblech aufweisen kann.
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Alternativ kann der Aufbau der elektrischen Maschine auch als Asynchronmaschine oder geschalteter Reluktanzmotor vorgesehen sein.
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Unabhängig von der Anordnung und der Funktion(en) der elektrischen Maschine kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß eine der elektrischen Maschine zugeordnete Leistungselektronik und Signalelektronik, welche außerhalb oder teilweise oder vorzugsweise vollständig innerhalb des Gehäuses des Antriebsaggregates oder der Getriebeeinheit angeordnet sein kann, mit wenigstens einer anderen Elektronik, wie z. B. der Getriebeelektronik oder der Motronik, zusammengefaßt ist, wodurch eine weitere Einsparung von Bauteilen erzielt wird.
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Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsaggregat und einer Getriebeeinheit, in die eine als Motor und Generator betreibbare elektrischen Maschine integriert ist;
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Getriebeeinheit eines Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug im Längsschnitt, in die eine elektrische Maschine mit Rotor und Stator erfindungsgemäß integriert ist; und
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zu dem in 2 dargestellten Rotor und Stator.
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Bezug nehmend auf 1 ist äußerst schematisiert ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsaggregat 1, welches als Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse 2 ausgebildet ist, und einer Getriebeeinheit 3, welche in einem Gehäuse 4 mit einem nur angedeuteten hydrodynamischen Drehmomentwandler 5 angeordnet ist, dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 und die Getriebeeinheit 3 sind über eine Antriebsstrangwelle 6 verbindbar, welche in einem dem Verbrennungsmotor 1 zugewandten Bereich eine Motorausgangswelle 6A und im Bereich der Getriebeeinheit 3 eine Getriebewelle 6B darstellt.
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In der Getriebeeinheit 3 ist eine elektrische Maschine 7 ohne eigenes Gehäuse integriert, welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als elektrischer Motor mit Starterfunktion und als elektrischer Generator vorgesehen ist.
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Die elektrische Maschine 7 weist einen Rotor 8 und einen Stator 9 auf, die gleichzeitig mechanische Bauteile der Getriebeeinheit 3 sind, wobei der Rotor 8 mit einem in der 1 parallel zu der Getriebewelle 6B angeordneten und mit dieser mitdrehenden Bauteil 10 eine strukturelle Einheit bildet und ein stehendes Funktionsbauteil 11 der Getriebeeinheit 3 zusätzlich als Stator 9 bzw. Statorelement ausgebildet ist.
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In einer hiervon abweichenden Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, daß das Gehäuse 4 der Getriebeeinheit 3 im Bereich des Rotors 8 den Stator oder ein Statorelement bildet.
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Wie in der 1 prinzipmäßig dargestellt, ist eine der elektrischen Maschine 7 zugeordnete Leistungselektronik 12 und Signalelektronik 13 gemeinsam angeordnet und in eine Getriebeelektronik 14 integriert, welche in der dargestellten Ausführung außerhalb des Gehäuses 4 der Getriebeeinheit 3 angeordnet ist.
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Alternativ können die Leistungselektronik 12 und die Signalelektronik 13 selbstverständlich auch separat von einander und von der Getriebeelektronik 14 angeordnet sein oder zusammen mit der Getriebeelektronik 14 auch innerhalb des Gehäuses 4 der Getriebeeinheit 3 plaziert sein, wobei dann ein Kühlmedium der elektrischen Maschine 7 auch zur Kühlung der Leistungselektronik 12 verwendet werden kann.
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Bezug nehmend auf 2 ist eine nicht vollständig wiedergegebene, von der in der 1 gezeigten Ausführung abweichende Getriebeeinheit 3' eines Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem einen hydrodynamischen Wandler 5' aufweisenden Automatgetriebe dargestellt, in dessen Gehäuse 4' eine elektrische Maschine 7' integriert ist, welche die selben Aufgaben wie die in 1 gezeigte elektrische Maschine 7 hat.
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Die elektrische Maschine 7' ist eine permantmagnetisch erregte Gleichstrommaschine, welche ebenfalls einen Rotor 8' und einen Stator 9' aufweist. Der Rotor 8' ist mit Permanentmagneten 15 als Aktivteile ausgebildet, welche auf einem ein Trägerblech darstellenden, mit einer Antriebsstrangwelle bzw. Getriebewelle 6' rotierenden Funktionsbauteil 10' der Getriebeeinheit 3' aufgeklebt sind. Der Rotor 8' bildet somit eine strukturelle Einheit mit dem Trägerblech 10', welches mit seinem gesamten Querschnitt zu einem magnetisch aktiven, flußführenden Bauteil wird, ohne daß ein geschichtetes Magnetblech bzw. ein typisches Elektromotorenmaterial hierfür erforderlich ist.
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Das Trägerblech 10' des Rotors 8' kann abweichend von der in 2 gezeigten Ausführung selbstverständlich auch ein Funktionsbauteil des hydrodynamischen Wandlers 5' oder einer Kupplung sein.
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Der Stator 9', welcher hier als separates Bauteil 11' ausgeführt ist, aber in einer alternativen Ausführung auch gleichzeitig ein stehendes Funktionsbauteil der Getriebeeinheit 3' sein kann, umfaßt als Aktivelemente einen Wickelkopf 16 und ein Eisenjoch 17 und weist eine symmetrische Geometrie mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Seine Außenkontur ist an die ihn umgebenden Bauteile der Getriebeeinheit 3', hier an die Form des Gehäuses 4', angepaßt.
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Der Rotor 8' und der Stator 9' sind durch einen Luftspalt 18, welcher parallel zu einer Mittelachse der den Rotor 8' bzw. das Trägerblech 10' antreibenden Getriebewelle 6' verläuft, voneinander getrennt.
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Im Bereich des Luftspaltes 18 sind der Rotor 8' und wahlweise auch der Stator 9' jeweils mit einem glatten Überzug 19, 20 zur Minimierung von Reibungsverlusten in dem Luftspalt 18 ausgebildet. Der Überzug 19, 20 stellt dabei eine nichtmagnetische, aufgeschrumpft Manschette aus Edelstahl dar, welche bei dem Rotor 8' gleichzeitig als eine Ablösesicherung für die Permanentmagnete 15 dient.
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Hiervon abweichend kann der Überzug 19, 20 auch aus anderen geeigneten Materialien wie z. B. kohlefaserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein.
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In der 3 ist stilisiert eine Abwandlung des in der 2 gezeigten Rotors 8' und des Stators 9' wiedergegeben. Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist zur optimalen Raumausnutzung und Integration der elektrischen Maschine ein winkeliges Trägerblech 10'' mit Permanentmagneten 15' als Aktivteile einer elektrischen Maschine zu einem Rotor 8'' ausgebildet. Dieser ist durch einen Luftspalt 18', der stufenförmig zu einer Mittelachse der den Rotor 8'' antreibenden Antriebsstrangwelle angeordnet ist, von einem Stator 9'' getrennt, welcher hier aus Vollmaterial ausgebildet ist und einen unsymmetrischen, an die Geometrie der ihn umgebenden Bauteile angepaßten Querschnitt aufweist.
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Das in 3 dargestellte Beispiel zeigt, daß die Form des Rotors und Stators in weiteren Ausführungen nahezu beliebig gewählt werden kann, so daß sich die unterschiedlichsten Bauteile mit mechanischen Getriebeaufgaben zusätzlich als Rotor oder Stator eignen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsaggregat, Verbrennungsmotor
- 2
- Gehäuse des Antriebsaggregats
- 3
- Getriebeeinheit
- 3'
- Getriebeeinheit
- 4
- Gehäuse der Getriebeeinheit
- 4'
- Gehäuse der Getriebeeinheit
- 5
- hydrodynamischer Wandler
- 5'
- hydrodynamischer Wandler
- 6
- Antriebsstrangwelle
- 6'
- Antriebsstrangwelle, Getriebewelle
- 6A
- Motorausgangswelle
- 6B
- Getriebewelle
- 7
- elektrische Maschine
- 7'
- elektrische Maschine
- 8
- Rotor
- 8'
- Rotor
- 8''
- Rotor
- 9
- Stator
- 9'
- Stator
- 9''
- Stator
- 10
- drehendes Bauteil
- 10'
- drehendes Bauteil, Trägerblech
- 10''
- drehendes Bauteil, Trägerblech
- 11
- stehendes mechanisches Funktionsbauteil
- 11'
- stehendes mechanisches Funktionsbauteil
- 12
- Leistungselektronik
- 13
- Signalelektronik
- 14
- Getriebeelektronik
- 15
- Aktivteil des Rotors, Permanentmagnet
- 15'
- Aktivteil des Rotors, Permanentmagnet
- 16
- Aktivteil des Stators, Wickelkopf
- 17
- Aktivteil des Stators, Eisenjoch
- 18
- Luftspalt
- 18'
- Luftspalt
- 19
- Überzug Rotor, Manschette
- 20
- Überzug Stator
