DE4404791C1 - Baueinheit aus einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Generator - Google Patents
Baueinheit aus einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen GeneratorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine aus einem Verbrennungsmotor und einem
elektrischen Generator bestehende Baueinheit gemäß dem Gattungsbegriff
des Patentanspruchs 1. Eine solche ist bekannt durch DE 85 30 067.5 U1,
wobei dort der Generator nicht als Motor laufen kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist mit dem Begriff Generator nicht die übliche, im Vergleich zur Nennleistung des Verbrennungsmotors nur
eine kleine Leistung aufweisende Lichtmaschine gemeint; vielmehr handelt
es sich hierbei um ein Stromerzeugungsaggregat, das - als Alternative zu
einem konventionellen Antriebsstrang - die elektrische Antriebsenergie
für zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehene elektrische Fahrmotoren
liefern soll und daher eine Nennleistung in der Größenordnung des
Verbrennungsmotors aufweist (vollelektrische Leistungsübertragung).
Durch die DE-PS 8 33 979 ist eine ähnliche Baueinheit
bekannt, bei der der Rotor als Außenläufer ausgebildet ist,
aber kein eigentliches Generatorgehäuse vorgesehen ist, weil dort
der Ständer an das Gehäuse der Brennkraftmaschine angeschlossen
ist.
Ein solches Antriebssystem für Straßenfahrzeuge ist beispielsweise aus
der DE 41 33 013 A1 und auch aus VDI-Berichte 878 (1991), Seite 611-622,
bekannt. Der Rotor des elektrischen Generators zur Stromerzeugung ist
dabei unmittelbar fest an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors
angeflanscht, also starr angekoppelt. Eine separate Lagerung des Rotors
im Gehäuse des Generators ist bei einer solchen
Verbrennungsmotor/Generator-Einheit nicht vorgesehen. Wegen der von der
Kurbelwelle im Betrieb ausgehenden Laufunruhe, die sich insbesondere in
leichten Verbiegungen der Kurbelwelle gegenüber der geometrisch idealen
Drehachse, in Verlagerungen der Drehachse infolge des Verschleißes von
Kurbelwellenlagern und in axialen Verschiebungen äußert, muß der
zwischen dem Stator und dem Rotor des Generators bestehende Luftspalt
ausreichend groß bemessen sein, um einen einwandfreien Betrieb
(Generatorbetrieb oder Motorbetrieb; letzteres im Falle des Einsatzes
des Generators auch als Anlasser für den Verbrennungsmotor) zu
gewährleisten. Eine Vergrößerung des Luftspalts ist jedoch unerwünscht,
da dies mit entsprechenden Verlusten im Wirkungsgrad des Generators
verbunden ist. Hinzu kommt das Problem, daß die Montage der gesamten
Baueinheit, insbesondere wenn der Rotor als Außenläufer mit Erregung durch
leistungsfähige Permanentmagnete (z. B. auf der Basis der Werkstoffe
FeNdB oder SmCo) versehen ist, schwierig und aufwendig ist, wenn erst -
nach dem Anflanschen des Rotors an die Kurbelwelle das Generatorgehäuse
mit dem darin befindlichen Stator angeschraubt werden muß. Dies
erfordert eine sehr genaue Justierung, die bei Permanenterregung
praktisch nicht ohne spezielle Vorrichtungen erreicht werden kann. Somit
ergeben sich bei der Endmontage Probleme im Hinblick auf den
erforderlichen Arbeitsaufwand und auf die Einhaltung der gestellten
Qualitätsanforderungen, die einer wirtschaftlichen Serienfertigung im
Wege stehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine konstruktive Form für die
Baueinheit von Verbrennungsmotor und Generator vorzuschlagen, die ein
hohes Qualitätsniveau sicherstellt und gleichzeitig auch die
Herstellkosten senkt.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß für eine gattungsgemäße
Baueinheit mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2
bis 16 angegeben.
Anhand des in der einzigen Figur als axialer Längsschnitt einer
Verbrennungsmotor/Generator-Einheit dargestellten Ausführungsbeispiels
wird die Erfindung nachfolgend näher beschrieben.
Das Schnittbild deutet an seinem rechten Rand den Verbrennungsmotor
lediglich mit dem Anschlußbereich seines Motorgehäuses 1 und der
Kurbelwelle 2 an. Der elektrische Generator 3 weist ein Generatorgehäuse
5, einen Rotor 4 (Außenläufer) und einen mit dem Teil 5b des
Statorgehäuses 5 fest verbundenen innenliegenden Stator mit
Statorwicklungen 9 auf. Der Rotor 4 ist mit einer Vielzahl von
abwechselnd gepolten Permanentmagneten 4c mit hoher magnetischer
Feldstärke bestückt. Anstelle eines permanenterregten Außenläufers
könnte im Prinzip auch ein Rotor mit elektromagnetischer Erregung
vorgesehen sein. Die Kommutierung des Stroms in den Statorwicklungen 9
wird im vorliegenden Fall nicht elektromechanisch, sondern durch eine
nichtdargestellte Leistungselektronik vorgenommen. Es ist auch
möglich, wenngleich weniger bevorzugt, den Generator als
Innenläufermaschine auszubilden, wobei das Gehäuse des Generators
entsprechend modifiziert werden müßte.
Das Generatorgehäuse 5 ist fest an das Motorgehäuse 1 angeschraubt,
allerdings nicht unmittelbar, sondern über einen an das Motorgehäuse 1
angeschraubten Zwischenflansch 15, der anschlußseitig das Ende der
Kurbelwelle 2 nach links hin überragt. Dieser Zwischenflansch 15 ist
deswegen vorteilhaft, weil er eine entsprechende Verlängerung des
Generatorgehäuses 5 nach rechts oder alternativ des Motorgehäuses 1 nach
links erspart. Hierdurch ist es möglich, die Anschlußseite des
Verbrennungsmotors, der auch für Fahrzeuge mit herkömmlichem
mechanischen Antriebsstrang eingesetzt werden soll (Anflanschung der
Getriebeglocke), ebenso unverändert zu lassen wie die Anschlußseite des
Generatorgehäuses 5, welches baugleich ausgeführt ist wie das Gehäuse
eines entsprechenden Elektromotors für den Antrieb der Fahrzeugräder.
Genauer gesagt handelt es sich bei diesem Generatorgehäuse 5 um die eine
Hälfte eines Gehäuses eines spiegelsymmetrisch gestalteten Doppelmotors
(Tandemmotor), wie er in der oben erwähnten Veröffentlichung
VDI-Berichte beschrieben ist. Die Anwendung eines solchen kostengünstig
herstellbaren Zwischenflansches 15 ermöglicht daher sowohl für das
Generatorgehäuse 5 als auch für das Motorgehäuse 1 die Weiterverwendung
üblicher Serienteile und trägt somit zu einer deutlichen
Kostenverminderung, besonders im Falle relativ kleiner
Serienstückzahlen bei. Dagegen dürfte bei Großserienproduktion eine
einteilige Ausführung des Generatorgehäuses im Regelfall
kostengünstiger sein.
Das Generatorgehäuse 5 weist eine von links nach rechts sich in den
durch die Statorwicklungen 9 umschlossenen Bauraum 10 hinein
erstreckende Einstülpung 5a auf. Die Permanentmagnete 4c des Rotors 4
sind an einem vorzugsweise als relativ dünnwandiges, radkörperartiges
Teil (beispielsweise aus Blech) gefertigten Rotorträger 4a befestigt. Im
Bereich der Drehachse des Rotors 4 ist der Rotorträger 4a fest verbunden
mit einer Rotornabe 4b, die sich von der Ebene der rechten Stirnseite
des Rotorträgers 4a nach links in den Bauraum 10 oder, besser gesagt, in
eine entsprechende Öffnung der Einstülpung 5a hinein erstreckt. Die
Einstülpung 5a reicht bis nahe an die Stirnseite des Rotorträgers 4a
heran.
Die Rotornabe 4b ist innerhalb der Ausstülpung 5a (vorzugsweise nahe dem
Rotorträger 4a) drehbar gelagert. Im dargestellten Beispiel ist die
Lagerung 11 als zweireihiges Wälzlager, und zwar als Kugellager
ausgeführt. Durch entsprechende Anschlagbunde und Sicherheitsringe
bildet es ein axiales Festlager. Um eine exakte koaxiale Ausrichtung
gegenüber der Kurbelwelle 2 zu gewährleisten, ist in der Rotornabe 4b
und in der Kurbelwelle 2 koaxial zur Drehachse jeweils eine
Zentrierbohrung 18 bzw. 8 angebracht, in die ein entsprechend geformter
Zentrierzapfen 7 eingelassen ist. Da der Zentrierzapfen 7 in der
Rotornabe 4b verbleibt, bewirkt er eine dauerhafte Ausrichtung der
Drehachse des Rotors 4. Daher könnte die Lagerung 11 auch als
einreihiges Wälzlager ausgeführt werden. In manchen Fällen läßt sich die
Lagerung 11 darüber hinaus auch als Loslager gestalten.
Neben einer an sich nicht nötigen und bisher nicht üblichen separaten
Lagerung des Rotors 4 innerhalb des Statorgehäuses 5 sieht die Erfindung
vor, daß die Ankopplung des Rotors 4 an die Kurbelwelle 2 zur
Drehmomentübertragung nicht direkt, sondern über eine insbesondere in
axialer Richtung elastisch verformbare Drehmomentübertragungsscheibe 6,
wie sie etwa unter dem Begriff "Flexplate" an sich bereits bekannt ist,
erfolgt. Die Flexplate 6 ist im Ausführungsbeispiel im wesentlichen als
ebene kreisförmige Scheibe ausgebildet, die fest an die Stirnseite
(Abtriebsende) der Kurbelwelle 2 angeschraubt ist. Umfangsseitig ist sie
über einen fest mit dem Rotorträger 4a verbundenen Anschlußkörper 12
verschraubt. Für den Fall, daß der Generator 3 nicht als Anlasser für
den Verbrennungsmotor verwendet werden kann, bietet es sich an, den
Zahnkranz 13 für den (nicht dargestellten) Anlasser außen an dem
Anschlußkörper 12 vorzusehen. Selbstverständlich wäre es auch möglich,
den Rotorträger 4a unmittelbar so auszubilden, daß die Flexplate 6 daran
angeschraubt werden könnte. Dies hätte aber den Nachteil, daß als
Rotorträger 4a nicht mehr dasselbe Funktionsteil verwendet werden
könnte, wie es für einen im wesentlichen baugleichen Elektromotor
bereits vorhanden ist.
Da es während des Generatorbetriebs zu unvermeidbaren
Wirkungsgradverlusten kommt, die sich in einer unerwünschten Erwärmung
des Generators 3 äußern, ist es notwendig, eine Zwangskühlung vorzusehen.
Mit den Bezugszeichen 17 und 16 sind daher ein Kühlmittelvorlauf bzw.
ein Kühlmittelrücklauf einer Flüssigkeitskühlung bezeichnet, deren
Zwangsumlauf durch eine Kühlmittelpumpe 14 gewährleistet wird. Mit
großem Vorteil wird für diese Kühlmittelpumpe 14 der freie innere Teil
der in den Bauraum 10 hineinragenden Einstülpung 5a des
Generatorgehäuses 5 genutzt, da auf diese Weise ein direkter Antrieb
über die Kurbelwelle 2 erfolgen kann. Die Kühlmittelumwälzung erfolgt
zwangsläufig immer dann, wenn der Verbrennungsmotor (und damit
selbstverständlich auch der Generator 3) läuft. Zu diesem Zweck ist die
Rotornabe 4b an ihrem linken freien Ende drehfest mit der vorzugsweise
als Hohlwelle ausgeführten Antriebswelle der Kühlmittelpumpe 14
verbunden. Aus Montagegründen wird eine steckbare formschlüssige
Verbindung der Wellen bevorzugt.
Die Montage der Baueinheit kann in folgender Weise vorgenommen werden.
Zunächst werden der Zwischenflansch 15 an das Motorgehäuse 1 und mittels
eines entsprechenden Anschlußflansches die Flexplate 6 an die Stirnseite
der Kurbelwelle 2 angeschraubt. Der Generator 3 ist bereits als separat
vormontierte Baueinheit verfügbar, d. h. daß der Rotor 4 bereits seine
endgültige Lage im Generatorgehäuse 5 eingenommen hat. Nach Einsetzen
des Zentrierzapfens 7, der auch unmittelbarer Bestandteil der Rotornabe
4b oder der Kurbelwelle 2 sein könnte, in die Zentrierbohrung 18 oder 8
wird der Generator 3 über den Zentrierzapfen 7 exakt koaxial zur
Kurbelwelle 2 ausgerichtet und mit Schrauben am Zwischenflansch 15
befestigt. Auf diese Weise erübrigen sich aufwendigere Vorkehrungen zur
Zentrierung am Motorgehäuse 1 bzw. am Zwischenflansch 15. Der
Zentrierbolzen 7 verbleibt als verlorene Montagehilfe im Generator 3. Um
die Flexplate 6 an den Anschlußkörper 12 anschrauben zu können, weist
der Zwischenflansch 15 und/oder das Motorgehäuse 1 eine (nicht
dargestellte) Öffnung auf, durch die die Befestigungsschrauben von außen
zugänglich sind. Wenn die Rotornabe 4b insgesamt als Hohlwelle
ausgeführt würde und der Innendurchmesser von rechts nach links hin
nicht abnehmen würde, könnte der Zentrierzapfen 8 (bei entsprechend
komplementärer Formgebung seiner Außenkontur) nach Montage des
Generators 3 auch aus den Zentrierbohrungen 8, 13 wieder herausgezogen
und erneut verwendet werden. In diesem Fall wäre es aber notwendig, den
Einbau der Kühlmittelpumpe 14, sofern eine solche vorgesehen ist, erst
danach vorzunehmen.
Die Vormontage des Generators 3 läuft in der Weise ab, daß zunächst das
Kugellager 11 in die entsprechende Bohrung der Einstülpung 5a des
Generatorgehäuses 5 eingesetzt und durch einen Sicherungsring axial
festgelegt wird. Anschließend wird der aus Rotornabe 4b, Rotorträger 4a
und Permanentmagneten 4c bestehende Rotor 4 von der rechten Seite in das
Lager 11 eingepreßt und anschließend von der linken Seite her über einen
auf der Rotornabe 4b sitzenden Sicherungsring auch zur linken Seite hin
axial festgelegt. Danach kann die Kühlmittelpumpe 14 eingebaut werden.
Überraschenderweise kann durch die Erfindung nicht nur die erwünschte
Vereinfachung und Erhöhung der Qualität bei der Endmontage der
Baueinheit erreicht werden, sondern es wird trotz des Aufwandes für die
zusätzlich erforderliche separate Lagerung des Rotors 4 im
Generatorgehäuse 5 und das zusätzliche Bauelement "Flexplate 6" eine
Reduktion der Herstellkosten möglich. Dies ist dadurch bedingt, daß die
Toleranz des Luftspalts zwischen den Permanentmagneten und den Polen der
Statorwicklungen 9 deutlich enger als beim bisherigen Stand der Technik
gehalten werden kann. Hierdurch ergibt sich eine beträchtliche
Leistungssteigerung des Generators 3, die ihrerseits eine entsprechende
Verringerung des bei sonst gleicher Leistung erforderlichen
Materialaufwandes an dem kostenintensiven hochwertigen Material für die
Permanentmagneten erlaubt. Trotz des auf der einen Seite deutlich
höheren Aufwandes ergibt sich insgesamt eine kostengünstigere Lösung,
bei der vor allem auch eine wesentlich geringere Fehlerquote in der
Montage erreicht wird.
Claims (16)
1. Baueinheit aus einem Verbrennungsmotor mit einem Motorgehäuse (1)
und einer Kurbelwelle (2) für den Drehmomentabtrieb und aus einem
elektrischen Generator/Motor (3), dessen Generatorgehäuse (5) fest
mit dem Motorgehäuse (1) und dessen Rotor (4) koaxial drehfest mit
der Kurbelwelle (2) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine elastisch verformbare Drehmomentübertragungsscheibe
(Flexplate 6) vorgesehen ist, die fest an das Abtriebsende der
Kurbelwelle (2) angeflanscht ist und umfangsseitig mit dem Rotor
(4) fest verbunden ist, und daß der Rotor (4) im Generatorgehäuse
(5) drehbar gelagert ist.
2. Baueinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (4) als Außenläufer ausgebildet ist.
3. Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (4) mit Permanentmagneten (4c) bestückt ist.
4. Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (4) einen vorzugsweise dünnwandigen, radkörperartigen
Rotorträger (4a) und eine Rotornabe (4b) aufweist.
5. Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Generatorgehäuse (5) eine in den von den Statorwicklungen
(9) des Generators (3) umschlossenen Bauraum (10) hineinragende
Einstülpung (5a) aufweist, die von der dem Rotorträger (4a)
gegenüberliegenden Stirnseite des Generatorgehäuses (5) ausgeht.
6. Baueinheit nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstülpung (5a) bis nahe an den Rotorträger (4a)
heranreicht.
7. Baueinheit nach den Ansprüchen 5 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagerung (11) des Rotors (4) in der Einstülpung (5a) im
Nahbereich des Rotorträgers (4a) angeordnet ist.
8. Baueinheit nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagerung (11) als Festlager ausgebildet ist.
9. Baueinheit nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagerung (11) als zweireihiges Wälzlager, insbesondere als
zweireihiges Kugellager ausgebildet ist.
10. Baueinheit nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagerung (11) als einreihiges Wälzlager ausgebildet ist.
11. Baueinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehmomentübertragungsscheibe (6) über einen an dem
Rotorträger (4a) fest angehefteten Anschlußkörper (12) mit dem
Rotor (4) verschraubt ist.
12. Baueinheit nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschlußkörper (12) ringförmig ausgebildet ist und an
seiner Außenseite einen Anlasserzahnkranz (13) aufweist.
13. Baueinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Innenseite der Einstülpung (5a) eine Kühlmittelpumpe
(14) angeordnet ist, deren Antriebswelle hohl ausgebildet ist und
die mit dem freien Ende der Rotornabe (4b) drehfest, vorzugsweise
durch eine formschlüssige Steckverbindung verbunden ist.
14. Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Generatorgehäuse (5) über einen Zwischenflansch (15) mit
dem Motorgehäuse (1) verschraubt ist.
15. Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Kurbelwelle (2) und/oder in der Rotornabe (4b)
Zentrierbohrungen (8, 18) zur Aufnahme eines entsprechenden
Zentrierzapfens (7) angebracht sind.
16. Baueinheit nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zentrierbohrung (18) in der Rotornabe (4b) als durchgehende
Bohrung ausgeführt ist zum Herausnehmen des Zentrierzapfens (7)
nach Durchführung der Montage des Rotors (4).
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Owner name: MANNESMANN SACHS AG, 97422 SCHWEINFURT, DE |
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