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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Hybridantrieb, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
der wenigstens einen Elektromotor sowie ein Überlagerungsgetriebe enthält, die
koaxial zueinander angeordnet sind, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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In
der
DE 195 39 571
C2 ist ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug beschrieben,
der einen Verbrennungsmotor sowie einen Elektromotor enthält, deren Antriebsleistung über ein
Automatikgetriebe auf eine Antriebsachse des Fahrzeugs übertragbar
ist. Der Elektromotor enthält
einen drehfest mit einer ersten Antriebswelle verbundenen Primärrotor und
einen unabhängig
vom Primärrotor
drehbaren Sekundärrotor,
der drehfest mit einer zweiten Antriebswelle verbunden ist. Die
beiden Antriebswellen weisen eine gemeinsame Drehachse auf. Der
Verbrennungsmotor und das Automatikgetriebe sind koaxial zur Drehachse
angeordnet. Der Primärrotor
und der Sekundärrotor
des Elektromotors sind zur Ausbildung einer Überbrückungskupplung zueinander axial
beweglich angeordnet. Das Öffnen
der Überbrückungskupplung erfolgt
durch elektrische Erregung und das Schließen durch Nichterregung des
Sekundärrotors.
Bei Erregung des Sekundärrotors
wird dieser axial gegen die Kraft eines Federelements verlagert.
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Bei
einem gleichzeitigen Betrieb des Verbrennungsmotors und des Elektromotors
muss der Elektromotor zusätzlich
die Leistung des Verbrennungsmotors übertragen können.
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In
der
DE 196 06 771
A1 ist ein Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge beschrieben,
der einen Verbrennungsmotor sowie ein mit dem Verbrennungsmotor über eine
Kupplung verbundenes, aus Elektromotoren und einem Überlagerungsgetriebe
kombiniertes stufenloses Getriebe enthält. Einer der Elektromotoren
steht mit einer Reaktionswelle in Antriebsverbindung und der andere
Elektromotor steht mit der Eingangswelle oder der Abtriebswelle
des Überlagerungsgetriebes
in Antriebsverbindung. Zwischen der Reaktionswelle und dem Überlagerungsgetriebe
ist ein zweistufiges Übersetzungsgetriebe
angeordnet, das zwei Antriebswellen aufweist. Das Überlagerungsgetriebe
ist in ein erstes und ein zweites Überlagerungsgetriebe unterschiedlicher Übersetzung unterteilt,
die jeweils mit einer der beiden Ausgangswellen des Übersetzungsgetriebes
verbunden sind. Der Verbrennungsmotor, die Elektromotoren sowie die
verschiedenen Getriebe sind koaxial angeordnet. Die Anordnung erhöht die nutzbare
Getriebespreizung und vermindert die übertragene elektrische Leistung.
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In
der
DE 100 21 025
A1 ist ein Getriebe für Hybridfahrzeuge
beschrieben, das zwei Planetengetriebe aufweist, deren Hohlräder mittels
eines Zahnkranzes mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden
sind. Jedes Planetengetriebe ist mit jeweils einem Elektromotor
und jeweils einer Getriebewelle gekoppelt, auf denen Eingangszahnräder für verschiedene
Getriebeübersetzungen
angeordnet sind. Zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads bei konstantem
Fahrbetrieb ist eine Überbrückung des Elektromotors
und/oder der Planetengetriebe vorgesehen. Hierzu kann beispielsweise
ein Zahnradpaar verwendet werden, das die Eingangswelle und eine Getriebewelle
miteinander verbindet. Beschrieben sind mehrere Ausführungsbeispiele,
in denen der Verbrennungsmotor, der wenigstens eine Elektromotor
sowie die beiden Planetengetriebe koaxial angeordnet sind.
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In
der
EP 0 791 495 A2 ist
ein Hybridantrieb für
ein Kraftfahrzeug beschrieben, der einen Verbrennungsmotor, einen
ersten Elektromotor sowie ein Überlage rungsgetriebe
enthält,
die koaxial angeordnet sind. Der erste Elektromotor umschließt zumindest
teilweise das Planetengetriebe. Zwischen dem Planetengetriebe und
dem Verbrennungsmotor ist ein zweiter Elektromotor angeordnet, der
als Generator betrieben wird. Das Überlagerungsgetriebe ist als Planetengetriebe
realisiert, wobei der Verbrennungsmotor über eine erste Antriebswelle
mit dem Planetenträger,
der erste Elektromotor über
eine zweite Antriebswelle mit dem Hohlrad und der zweite Elektromotor
indirekt über
eine Abtriebswelle mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Hybridantrieb,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeug anzugeben.
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Die
Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch
angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Hybridantrieb
sieht wenigstens einen ersten Elektromotor sowie ein Überlagerungsgetriebe
vor, die koaxial angeordnet sind. Ein Verbrennungsmotor ist über eine
erste Antriebswelle und der erste Elektromotor über eine zweite Antriebswelle
mit dem Überlagerungsgetriebe verbunden.
Ein erster Rotor des ersten Elektromotors ist drehfest mit der ersten
Antriebswelle verbunden.
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Die
koaxiale Anordnung des ersten Elektromotors und des Überlagerungsgetriebes
führt zu
einer kompakten Bauform des Hybridantriebs. Die drehfeste Verbindung
des ersten Rotors des ersten Elektromotors mit der ersten Antriebswelle,
die der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors entspricht, minimiert
die erforderliche Anzahl von Bauteilen zur Realisierung des erfindungsgemäßen Hybridantriebs,
der dadurch nicht nur besonders einfach und kostengünstig hergestellt
werden kann, sondern auch einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Der
erfindungsgemäße Hybridantrieb
ermöglicht
die Bereitstellung einer stufenlosen Drehzahl an der Abtriebswelle
des Überlagerungsgetriebes,
die beispiels weise mit einem bekannten Getriebe eines Kraftfahrzeugs
verbunden werden kann.
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Der
wenigstens eine erste Elektromotor kann sowohl als Antriebsmotor
als auch als Generator betrieben werden, sodass der erfindungsgemäße Hybridantrieb
eine Rückspeisung
einer Bremsenergie in eine Batterie ermöglicht.
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Die
Drehmomentaufteilung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem wenigstens
einen Elektromotor kann durch das Übersetzungsverhältnis des Überlagerungsgetriebes
festgelegt werden. Das Übersetzungsverhältnis legt
weiterhin das Drehzahlverhältnis
zwischen den Antrieben fest.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hybridantriebs
ergeben sich aus abhängigen
Ansprüchen.
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Eine
erste Ausgestaltung sieht vor, dass der Elektromotor zwischen dem
Verbrennungsmotor und dem Überlagerungsgetriebe
angeordnet ist. Mit dieser Maßnahme
wird erreicht, dass nach der Abtriebswelle des Überlagerungsgetriebes kein
weiterer Antrieb angeordnet werden muss, sodass die Abtriebswelle
des Überlagerungsgetriebes
unmittelbar mit weiteren Bauteilen, wie beispielsweise einem Handschalt-
oder Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs, verbunden werden kann.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass wenigstens ein zweiter Elektromotor
die erste Antriebswelle umschließt. Bei dieser Ausgestaltung
wird für
den zweiten Elektromotor keine zusätzliche Antriebswelle benötigt. Der
erste Rotor des zweiten Elektromotors wirkt mit einem zweiten Rotor
zusammen, der beispielsweise an einem Antriebsgehäuse angeordnet ist.
In diesem Fall wird der zweite Rotor zu einem Stator. Der zweite
Elektromotor ermöglicht
einen dualen Betrieb, bei welchem beispielsweise der erste Elektromotor
als Antriebsmotor und der zweite Elektromotor als Generator betrieben
wird.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Elektromotor in einer
Ausnehmung der ersten Antriebswelle angeordnet ist. Durch die Anordnung
des er sten Elektromotors in der Ausnehmung der ersten Antriebswelle,
die der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors entspricht, wird ein
besonders kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Hybridantriebs möglich. Insbesondere
kann gemäß einer Weiterbildung
dieser Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die erste Antriebswelle
eine Aufweitung aufweist, welche die Realisierung des wenigstens
einen ersten Elektromotors mit der erforderlichen Größe zum Bereitstellen
des geforderten Drehmoments ermöglicht.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Überlagerungsgetriebe als Planetengetriebe
realisiert ist. Gemäß einer
Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die erste Antriebswelle
mit dem Hohlrad und die zweite Antriebswelle mit dem Sonnenrad des
Planetengetriebes verbunden ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es,
dass die zweite Antriebswelle des ersten Elektromotors innerhalb
der ersten Antriebswelle des Verbrennungsmotors geführt und
direkt mit dem Sonnenrad verbunden werden kann.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Rotor des ersten Elektromotors
als Läufer
und ein zweiter Rotor des ersten Elektromotors als Erreger ausgebildet
ist. Aufgrund der drehfesten Verbindung des ersten Rotors des ersten
Elektromotors mit der ersten Antriebswelle weist der erste Elektromotor
im Antriebs- und Bremsbetrieb bezogen auf ein Antriebsgehäuse nur
drehende Bauteile auf, sodass die Bauteile anstelle als Stator und
Rotor mit erstem und zweitem Rotor bezeichnet werden.
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Eine
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hybridantriebs
sieht eine Kupplung zum Verbinden der ersten Antriebswelle mit der
zweiten Antriebswelle zur Überbrückung des
Elektromotors vor. Bei betätigter
Kupplung kann an der zweiten Antriebswelle auch bei einem Defekt
insbesondere des ersten Elektromotors ein Drehmoment bereitgestellt
werden.
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Eine
andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hybridantriebs sieht vor,
dass der wenigstens eine erste Elektromotor in radialer Richtung mehrere
erste Rotoren aufweist, die mit einer entsprechenden Anzahl von
zweiten Rotoren zusammenwirken. Die Weiterbildung ermöglicht die
Erhöhung
der für
den magne tischen Fluss zur Verfügung stehenden
Fläche
zwischen den beiden Rotoren sowie eine entsprechende Erhöhung des
Volumens, mit der bei einer geforderten hohen Antriebsleistung einer
magnetischen Sättigung
des Materials entgegengewirkt werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hybridantriebs
ergeben sich aus weiteren abhängigen
Ansprüchen
und aus der folgenden Beschreibung.
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Zeichnung
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1 zeigt
ein vereinfachtes Schnittbild durch einen erfindungsgemäßen Hybridantrieb
und
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2 zeigt
ein vereinfachtes Schnittbild durch einen Elektromotor des Hybridantriebs.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
einen Verbrennungsmotor 10, der über eine erste Antriebswelle 11 mit
einem Hohlrad 12 eines Planetengetriebes 13 verbunden
ist. Die Antriebswelle 11 enthält eine Ausnehmung 14,
auf deren Innenseite ein erster Rotor 15 eines ersten Elektromotors 16 angeordnet
ist. Ein zweiter Rotor 17 des ersten Elektromotors 16 ist über eine
zweite Antriebswelle 18 mit dem Sonnenrad 19 des
Planetengetriebes 13 verbunden.
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Die
zweite Antriebswelle 18 ist innerhalb der ersten Antriebswelle 11 mit
einem ersten bis dritten Antriebswellenlager 20, 21, 22 gelagert.
Der erste Elektromotor 16 ist über eine Kupplung 23 mit
der ersten Antriebswelle 11 verbindbar.
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Auf
der Außenseite
der Antriebswelle 11 ist ein erster Rotor 24 eines
zweiten Elektromotors 25 angeordnet, der mit einem zweiten
Rotor 26 zusammenwirkt, der an einem Antriebsgehäuse 27 angeordnet
ist.
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Die
erste Antriebswelle 11 ist mit einem vierten, fünften und
sechsten Antriebswellenlager 28, 29, 30 gegen
das Antriebsgehäuse 27 abgestützt.
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Die
Planetenräder 31, 32 sind
mit ersten bis vierten Planetenlagern 33, 34, 35, 36 auf
einem Planetenträger 37 gelagert,
der mit einer ersten Abtriebswelle 38 verbunden ist. Innerhalb
der ersten Abtriebswelle 38 ist eine mit dem Sonnenrad 19 verbundene
zweite Abtriebswelle 39 mit einem siebten und achten Antriebswellenlager 40, 41 gelagert.
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2 zeigt
einen alternativen Aufbau des ersten Elektromotors 16.
Diejenigen in 2 gezeigten Teile, die mit den
in 1 gezeigten Teilen übereinstimmen, tragen dieselben
Bezugszeichen. Die erste Antriebswelle 11 weist einen ersten
Rotorträger 50 und
die zweite Antriebswelle 18 einen zweiten Rotorträger 51 auf.
Am ersten Rotorträger 50 ist
ein dritter Rotor 52 angeordnet, der mit einem am zweiten
Rotorträger 51 angeordneten
vierten Rotor 53 zusammenwirkt. Am ersten Rotorträger 50 ist
weiterhin ein fünfter
Rotor 54 angeordnet, der mit einem an der zweiten Antriebswelle 18 angeordneten
sechsten Rotor 55 zusammenwirkt.
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Der
erfindungsgemäße Hybridantrieb
arbeitet folgendermaßen:
Das Planetengetriebe 13 ist allgemein ein Überlagerungsgetriebe,
das mit der ersten Antriebswelle 11 und mit der zweiten
Antriebswelle 18 verbunden ist, wobei die beiden Antriebswellen 11, 18 sowohl
beliebige Drehzahlen als auch beide Drehrichtungen aufweisen können. Ein überschüssiges Drehmoment
wird an der ersten Abtriebswelle 38 des Überlagerungsgetriebes 13 bereitgestellt,
das zum Antrieb eines nicht näher
gezeigten Kraftfahrzeugs herangezogen werden kann. Die erste Abtriebswelle 38 ist
vorzugsweise mit einem weiteren, nicht näher gezeigten Getriebe verbunden,
um einen weiten Übersetzungsbereich
abdecken zu können.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Überlagerungsgetriebe
als Planetengetriebe 13 realisiert. Im Folgenden wird lediglich
auf das Planetengetriebe 13 Bezug genommen. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel
wird das vom Verbrennungsmotor 10 bereitgestellte Drehmoment über die
erste Antriebswelle 11 auf das Hohlrad 12 des
Planetengetriebes 13 und das vom ersten Elektromotor 16 bereitgestellte
Drehmoment über
die zweite Antriebswelle 18 auf das Sonnenrad 19 des
Planetengetriebes 13 übertragen.
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Eine
kompakte Bauform des Hybridantriebs wird bereits dadurch erhalten,
dass sowohl der erste Elektromotor 16 als auch das Planetengetriebe 13 koaxial
angeordnet sind. Weiterhin ist zweckmäßigerweise die erste Antriebswelle 11 mit
dem Verbrennungsmotor 10 koaxial zum ersten Elektromotor 16 und
zum Planetengetriebe 13 angeordnet. Eine kompakte Bauform
und ein hoher gesamter Wirkungsgrad des Hybridantriebs werden weiterhin
dadurch erhalten, dass ein Rotor des Elektromotors mit der ersten
Antriebswelle 11 drehfest verbunden ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der erste Rotor 15 des ersten Elektromotors 16 mit
der ersten Antriebswelle 11 verbunden. Weiterhin ist der
erste Rotor 24 des zweiten Elektromotors 25 drehfest
mit der ersten Antriebswelle 11 verbunden.
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Der
erste Elektromotor 16 wird hauptsächlich als Antriebselektromotor
eingesetzt, während
der zweite Elektromotor 25 hauptsächlich als Generator betrieben
wird. Prinzipiell ist es möglich,
die Elektromotoren 16, 25 unabhängig voneinander
als Antriebsmotoren oder als Generatoren zu betreiben.
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Die
wesentlichen Teile der Elektromotoren 16, 25 werden
jeweils als Rotoren bezeichnet. Beide Teile des ersten Elektromotors 16 können bezogen auf
das Antriebsgehäuse 27 eine
Drehbewegung ausführen.
Der erste Rotor 15 des ersten Elektromotors 16 ist
beispielsweise als herkömmlicher
Rotor und der zweite Rotor 17 des ersten Elektromotors 16 als
herkömmlicher
Stator ausgebildet. Der zweite Rotor 17 kann im einfachsten
Fall mit Permanentmagneten realisiert werden. Vorzugsweise wird
eine Erreger wicklung vorgesehen, welche die Vorgabe eines variablen
magnetischen Flusses ermöglicht.
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Der
erste Rotor 24 des zweiten Elektromotors 25 führt ebenfalls
stets eine Drehbewegung bezogen auf das Antriebsgehäuse 27 aus.
Der zweite Rotor 26 des zweiten Elektromotors 25 ist
im gezeigten Ausführungsbeispiel
fest mit dem Antriebsgehäuse 27 verbunden.
Der zweite Rotor 26 wird dennoch aus Gründen der Einheitlichkeit als
Rotor bezeichnet. Der erste Rotor 24 des zweiten Elektromotors 25 kann
ebenfalls im einfachsten Fall mit Permanentmagneten realisiert werden.
Vorzugsweise wird auch hier eine Erregerwicklung vorgesehen, welche
die Vorgabe eines variablen magnetischen Flusses ermöglicht.
Die erforderlichen Stromzuführungen
zu den Rotoren 15, 17, 24, 26 der
Elektromotoren 16, 25 erfolgen beispielsweise über Schleifringe,
die nicht näher
dargestellt sind.
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Die
mit dem ersten bis dritten Antriebswellenlager 20, 21, 22 in
der ersten Antriebswelle 11 gelagerte zweite Antriebswelle 18 kann
gegenüber
der ersten Antriebswelle 11 eine beliebige relative Drehzahl
sowie Drehrichtung aufweisen. Bei einem feststehenden Planetenträger 37 tritt
zwischen den beiden Antriebswellen 11, 18 ein
Drehzahlverhältnis
auf, welches durch das Übersetzungsverhältnis des
Planetengetriebes 13 gegeben ist.
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Während des
Hybridantrieb-Betriebs können folgende
Fälle auftreten.
Bei einer beispielsweise rechts drehenden ersten Antriebswelle 11 mit
einer Drehzahl von 2000 U/min und einer links drehenden zweiten
Antriebswelle 18 von 8000 U/min steht die erste Abtriebswelle 38.
Bei einer beispielsweise rechts drehenden ersten Antriebswelle 11 mit
einer Drehzahl von 2000 U/min und einer ebenfalls rechts drehenden
zweiten Antriebswelle 18 mit einer Drehzahl von ebenfalls
2000 U/min weist die erste Abtriebswelle 38 eine Drehzahl
von 2000 U/min auf. Bei einer beispielsweise rechts drehenden ersten
Antriebswelle 11 mit einer Drehzahl von 2000 U/min und einer
rechts drehenden zweiten Antriebswelle 18 mit einer Drehzahl
von 3000 U/min weist die erste Abtriebswelle 38 eine Drehzahl
von 4000 U/min auf. Durch eine entsprechende Steuerung des ersten Elektromotors 16 kann
die Drehzahl der ersten Abtriebswelle 38 kontinuierlich
von null bis zur maximalen Drehzahl verändert werden.
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Die
vom Verbrennungsmotor 10 und von den Elektromotoren 16, 25 bereitzustellenden
Drehmomente und die Leistungen verhalten sich wie das Übersetzungsverhältnis des
Planetengetriebes 13. Wenn beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von
1:4 angenommen wird, muss die zweite Antriebswelle 18 der
Elektromotoren 16, 25 bei einer vorgegebenen gesamten
Antriebsleistung von beispielsweise 100 KW nur 25 KW aufbringen.
Da sich die Drehzahlen wie das Übersetzungsverhältnis des
Planetengetriebes 13 verhalten, würde beispielsweise bei einem
Stillstand der ersten Abtriebswelle 38 und einer Drehzahl
der ersten Antriebswelle 11 des Verbrennungsmotors 10 von
beispielsweise 4000 U/min die zweite Abtriebswelle 18 der
Elektromotoren 16, 25 eine Drehzahl von 16.000
U/min aufweisen.
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Der
zweite Elektromotor 25 wird beispielsweise als Generator
betrieben. In diesem Betriebszustand kann der zweite Elektromotor 25 den
Erregerstrom des ersten Elektromotors 16 bereitstellen.
Weiterhin kann durch den Generatorbetrieb ein Bremsmoment aufgebracht
werden. Der im Generatorbetrieb bereitgestellte Strom kann zum Laden
einer nicht näher
gezeigten Batterie herangezogen werden.
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Bei
einem Ausfall der Elektromotoren 16, 25 kann die
erste Antriebswelle 11 des Verbrennungsmotors 10 mittels
der Kupplung 23 unmittelbar mit der zweiten Antriebswelle 18 drehfest
verbunden werden. Weiterhin kann die Kupplung 42 vorgesehen sein,
welche die erste Antriebswelle 11 des Verbrennungsmotors 10 mit
dem Antriebsgehäuse 27 drehfest
verbindet. Bei geschlossener Kupplung 42 kann sich die
Antriebswelle 11 nicht mehr drehen. Dieser Betriebszustand
ist vorgesehen, wenn das Antriebsmoment allein von wenigstens einem
der Elektromotoren 16, 25 aufgebracht werden soll.
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Die
zweite Abtriebswelle 39, die mit dem Sonnenrad 19 des
Planetengetriebes 13 verbunden ist, welche mit dem siebten
und achten Antriebswellenlager 40, 41 innerhalb
der ersten Abtriebswelle 38 gelagert ist, kann zu einem
Antreiben eines nicht näher
gezeigten Aggregats herangezogen werden.
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Eine
hohe Leistungsdichte der Elektromotoren 16, 25 wird
erzielt, wenn die Luftspalte zwischen den Rotoren 15, 17; 24, 26 möglichst
gering sind. Weiterhin sollte eine möglichst große Fläche für den magnetischen Fluss zur
Verfügung
stehen, um die eingesetzten Materialien nicht bis an die magnetische
Sättigungsgrenze
zu belasten.
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In 2 ist
eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung wenigstens des ersten
Elektromotors 16 gezeigt. Der erste Elektromotor 16 weist
mehrere Rotorpaare 10, 17; 52, 53; 54, 55 auf.
Die zusätzlichen Rotoren
sind an den Rotorträgern 50, 51 angeordnet. Die
erste Antriebswelle 11 enthält beispielsweise den ersten
Rotorträger 50 und
die zweite Antriebswelle 18 enthält beispielsweise den zweiten
Rotorträger 51.
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Der
mit der ersten Antriebswelle 11 drehfest verbundene erste
Rotor 15 wirkt mit dem am zweiten Rotorträger 51 angeordneten
zweiten Rotor 17 zusammen. Der am ersten Rotorträger 50 angeordnete dritte
Rotor 52 wirkt mit dem am zweiten Rotorträger 51 angeordneten
vierten Rotor 53 zusammen. Der am ersten Rotorträger 50 angeordnete
fünfte
Rotor 54 wirkt mit dem sechsten Rotor 55 zusammen,
welcher mit der zweiten Antriebswelle 18 drehfest verbunden
ist. Ebenso wie der erste Elektromotor 16 kann auch der
zweite Elektromotor 25 weitere Rotorpaare aufweisen.