JP2018505644A - 電気駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車の電気駆動装置であって、電気機械（３）を含み、該電気機械（３）は、１分間当たり少なくとも２００００回転の公称回転数を有する高速型の電気機械として構成されていて、高速ロータ（８）を有し、該高速ロータは、運動エネルギを蓄えるためのはずみ質量体として使用可能であり；入力エレメント（１３）と作動エレメント（１４）と出力エレメント（１５）とを備えた重畳伝動装置（４）を含み、入力エレメント（１３）は電気機械（３）によって駆動軸線（Ａ９）周りに回転駆動可能であり、作動エレメント（１４）は作動軸線（Ａ１４）周りに回転可能であり、出力エレメント（１５）は作動エレメント（１４）と入力エレメント（１３）とに駆動結合されており；ステータ（２６）とロータ（２７）とを備えた電磁式の作動装置（５）を含み、ロータ（２７）は作動エレメント（１４）に相対回動不能に結合されており、ステータ（２６）とロータ（２７）との間で周方向に作用する磁力により、ロータ（２７）に作動モーメントが伝達可能であり、磁力は可変に調節可能である、自動車用の電気駆動装置に関する。

Description

本発明は、自動車の駆動軸を駆動する電気駆動装置ならびに電気駆動装置を駆動する方法に関する。通常、電気駆動装置は電気モータと、下流側に配置された変速伝動装置とを含み、変速伝動装置は、導入された回転運動を増速側から減速側へ変速する。変速伝動装置は、下流側に配置された差動伝動装置（ディファレンシャルギヤ）に駆動結合されており、この差動伝動装置は、入力されたトルクを、１つの車軸の複数の車両ホイールを駆動するために２つのハーフシャフトに分配する。

このような電気駆動装置は、自動車用の単独の駆動源として使用され得るか、または内燃機関に対して付加的に設けられていてもよい。この場合、電気駆動装置と内燃機関とは、それぞれ単独で自動車を駆動し得るか、または一緒に重畳されて自動車を駆動し得る。２つの駆動源を備えたこのような駆動コンセプトは、「ハイブリッドドライブ」とも呼ばれる。

独国特許出願公開第１０２００９０４５８６９号明細書に基づき、第１の電気モータと、第２の電気モータと、コンバータと、遊星伝動装置の形の分岐伝動装置とを備えた駆動システムが公知である。コンバータは、可変の回転数および／または可変のトルクを発生させるために第２の電気モータを制御する。遊星伝動装置は、遊星キャリヤを介して結合されている３つの遊星車と、１つの太陽車と、１つのリング車とを含む。リング車は第１の入力軸を形成しており、この第１の入力軸は第１の電気モータと連結されている。太陽車は第２の入力軸を形成しており、この第２の入力軸は第２の電気モータと連結されている。遊星キャリヤは、出力軸を形成している。リング車に結合された第１の電気モータは、同期モータとして形成されており、この同期モータは、電源網交流電圧によって直接に給電されるので、この同期モータは一定の回転数で回転する。第１の同期モータの回転数は、たとえば１分間当たり一定３０００回転で駆動される。第２の同期モータは、たとえば１分間当たり−６０００〜＋６０００回転の回転数領域に合わせて設計されていることが望ましい。

英国特許出願公開第２３６３１７３号明細書に基づき、第１の電気モータと第２の電気モータと２つの遊星ユニットとを備えた伝動装置が公知である。内燃機関の形の一次駆動装置が設けられており、この一次駆動装置は、はずみ車を駆動する。このはずみ車は第１の遊星ユニットの遊星キャリヤに結合されており、この遊星キャリヤは第２の遊星ユニットのリング車に結合されている。第１の遊星ユニットのリング車は、第１の電気モータに結合されている。第２の遊星ユニットの太陽車は、第２の電気モータに結合されている。第２の遊星ユニットの遊星キャリヤは、出力軸に結合されている。したがって、この伝動装置は、４つの接続エレメントを有しており、すなわち外部で駆動されるはずみ車と、第１の電気モータに結合された第１のリング車と、第２の電気モータに結合された第２の太陽車と、第２の遊星キャリヤとを有している。スイッチトリラクタンスモータとして形成されている第２の電気モータの回転数は、１分間当たり最大１６０００回転で駆動される。

独国特許出願公開第１１２０１０００５７３８号明細書に相当する国際公開第２０１２／００７０３０号に基づき、１つの電気モータと１つの伝動ユニットとを含む、自動車用の電気駆動装置が公知である。伝動ユニットは、遊星伝動装置と差動伝動装置とを有し、この遊星伝動装置と差動伝動装置とは、互いに対して同軸に配置されている。遊星伝動装置は、互いに異なる変速比を有する２つの遊星車段を有しており、これらの遊星車段は、それぞれ１つの太陽車と複数の遊星車と１つのリング車とを有している。遊星車段の太陽車は、電気モータによって駆動される。遊星車は、遊星キャリヤを介して差動ケージに結合されている。リング車は、カップリングアセンブリによって選択的に、定位置固定のハウジングに対して制動され得るので、これにより種々異なる変速比が実現され得る。

独国特許出願公開第１０２０１３２０６６５０号明細書に基づき、自動車用の電気的な駆動ユニットが公知である。この駆動ユニットは、ロータと、ステータと、第１の遊星車セットと、第２の遊星車セットと、カップリングブレーキを備えた係合機構とを含む。カップリングブレーキはディスクカップリング、磁気粉カップリング、磁気レオロジ流体を有するカップリングまたはバンドブレーキであってもよい。

独国特許出願公開第１０２０１１１００５９６号明細書に基づき、入力軸と、出力軸と、これら両軸の間に接続された遊星車セットとを備えたトルク伝達装置が公知である。遊星車セットは、入力軸に結合された遊星キャリヤと、複数の遊星車と、出力軸に結合された太陽車とを有する。

米国特許第２０７１９４３号明細書に基づき、自動車のパワートレーン用の電磁式のカップリングが公知である。このカップリングを用いて、入力軸と出力軸とが、互いに穏やかに連結され得る。

仏国特許出願公開２９９７０４７号明細書に基づき、１つの遊星伝動装置と２つの電気モータとを備えた自動車用の電気駆動装置が公知である。遊星伝動装置は、太陽車と遊星キャリヤと複数の遊星車とリング車とを有する。第１の電気モータは太陽車に駆動結合されており、第２の電気モータはリング車に駆動結合されている。太陽車はホイールリムに固く結合されており、このホイールリムは第１のブレーキ装置によってハウジングに対して制動可能である。第２のブレーキ装置が、リング車の外側のリング面を含み、これによりリング車はハウジングに対して制動される。

電気駆動装置は、極めて低い速度および極めて高い速度においては、比較的低い効率しか有しない。低い車両速度では、高いモータ電流が印加されるが、この場合、電気モータの出力トルクは極めて低い。高い速度では、電気モータの損失が増大し、これにより効率は低下する。

最近では、より高い回転数を有する電気モータ、より高い車両速度で電気モータをホイールから遮断するための遮断システムを備えた電気駆動装置ならびに可変調節可能な速度（マルチスピード機能）を有する電気駆動装置を求める傾向が強まっている。現在の電気駆動装置は、時として、モータ公称トルクの２倍よりも高いトルクに合わせて設計されており、これにより、パワートレーンの高い剛性と相まった高いモータ慣性により生ぜしめられる、パワートレーンにおける高いトルクピークに耐えられるようになる。

この背景に基づき、本発明の根底を成す課題は、高い効率を有しかつ穏やかな切換可能性を可能にする電気駆動装置を提案することである。さらに、本発明の課題は、エネルギ効率の良い駆動が可能になるような、このような電気駆動装置を制御する方法を提案することにある。

上記課題を解決するための手段は、自動車用の電気駆動装置であって、
自動車の駆動軸を駆動するための電気機械を含み、この電気機械は、１分間当たり少なくとも２００００回転の公称回転数を有する高速型の電気機械として構成されていて、高速ロータを有し、この高速ロータは、運動エネルギを蓄えるためのはずみ質量体として使用可能であり、
入力エレメントと作動エレメントと出力エレメントとを備えた重畳伝動装置（Ueberlagerungsgetriebe）を含み、入力エレメントは、前記電気機械によって駆動軸線周りに回転駆動可能であり、作動エレメントは、作動軸線周りに回転可能であり、出力エレメントは、作動エレメントと入力エレメントとに駆動結合されており、
作動エレメントの回転数を調節するための電磁式の作動装置を含み、この電磁式の作動装置は、１つの定位置固定の構成部分に結合されたステータと、作動エレメントに相対回動不能に結合されたロータとを有し、ロータとステータとは、互いに非接触式に配置されており、電磁式の作動装置は、ステータとロータとの間で周方向に作用する磁力によってロータに作動モーメントを伝達するように構成されており、前記磁力は可変に調節可能である、自動車用の電気駆動装置にある。

重畳伝動装置の各エレメントは、トルクを伝達するために互いに駆動結合されている。この場合、「回転駆動可能である」または「駆動結合されている」という表現は、この場合それぞれ、駆動する側のエレメントと、これによって回転駆動される側のエレメントとの間に１つまたは複数の別の構成部分が、出力経路内で中間接続されていてもよい可能性をも包含するものとする。

この電気駆動装置の利点としては、この電気駆動装置が、磁力を非接触式に伝達する電磁式の作動装置の使用に基づき、小さなコースト損失しか有さず、ひいては高い効率を有することが挙げられる。さらに、この電気駆動装置は、作動装置の構成により、過剰負荷防止手段を提供する。電気駆動装置のパワートレーン内の全トルクが、作動装置の、調節された応力を上回ると、ロータはステータに対して相対的に回転する。こうして、パワートレーン内のトルクピークが摩耗なしに補償され得る。別の利点としては、電気駆動装置のパワートレーンの回転数もしくはトルクが、高速型の電気機械の入力回転数もしくは入力トルクを変えることなしに可変に調節もしくは制御され得るように電磁式の作動装置を制御することができることが挙げられる。これによって、電気駆動装置のための一次的な駆動源として働く高速型の電気機械は、特に高い効率を有する特性線領域で作動することができる。

一次的な駆動源を高速型の電気機械の形態に構成することには、次のような利点がある。すなわち、この高速型の電気機械は、特に大きな量の運動エネルギを蓄えることができ、この運動エネルギは次いで機械的なエネルギの形で再びシステム内に導入され得るか、または電気的なエネルギに変換されて、バッテリ内に蓄えられ得る。全体的には、この電気駆動装置は、高い効率の利点と、長い寿命の利点と、コンパクトな構造の利点とを併せ持つ。

運動エネルギは、回転する高速ロータの回転エネルギの形で存在する。この場合、電気機械の蓄え容量は高速ロータの回転数および質量慣性に関連している。必要とされる蓄え容量に応じて、場合によっては付加質量体が設けられていてもよい。この付加質量体は、直接に、または間接的に駆動軸を介して、高速ロータに固く結合されているので、付加質量体は、この高速ロータと一緒に回転する。この場合には、高速ロータと付加質量体とが、一緒になって、運動エネルギを蓄えるためのはずみ質量体を形成する。１態様によれば、高速型の電気機械は、高速ロータが、少なくとも５０キロジュール、特に少なくとも１００キロジュールの運動エネルギを蓄えることができるように構成されていてもよい。これによって、蓄え容量が単独にロータによってのみ規定される可能性、つまり付加質量体が設けられていない可能性またはロータが、接続された付加質量体と一緒に上記蓄え容量を有する可能性も一緒に包含されるものとする。

１態様では、作動装置によって形成される磁力の大きさが、可変に調節可能もしくは制御可能である。これによって特に、磁力がゼロに調節可能であるので、ロータがステータに対して、力を加えられることなしに回転し得ること、さらに、磁力が、最大作動モーメントがロータに導入される最大値に調節可能であり、また無段式にゼロと最大値との間の各中間値に調節可能であること、が一緒に包含されるものとする。最大値は、ロータがステータに対して制動されて、重畳伝動装置の入力エレメントとは反対の方向に回転するように、ロータがステータに対して相対回動不能に保持されるように、またはロータがステータに対して相対的に駆動されて、重畳伝動装置の入力エレメントと同じ方向に回転するように、設定されていてもよい。ロータがステータに対して相対回動不能に保持される調節では、高速型の電気機械によって導入されたトルクが、作動装置によって周方向で支持され、かつ完全に出力エレメントに伝達される。ステータとロータとの間に作用する磁力が、無段式に調節可能もしくは制御可能であることにより、作動エレメントへ伝達可能な作動モーメントもしくは作動エレメントの回転数の無段式の調節が達成される。こうして、電磁式の作動装置を用いて、磁力の相応する制御によって出力エレメントの回転数が制御され得る。

重畳伝動装置は、少なくとも３つの接続エレメント、すなわち一次的な駆動源からトルクを導入するための入力エレメント、自動車の駆動軸にトルクを伝達するための出力エレメントおよびパワートレーン内のトルクもしくは回転数を制御するための作動エレメントを有する。これら３つの接続エレメントのうち、２つの接続エレメントは互いに独立して回転可能である。すなわち、この伝動装置は２つの自由度を有する。その結果、３つの接続エレメントのうちの２つの接続エレメントの互いに独立した回転運動を互いに重畳させることができる。それゆえに、この伝動装置は「重畳伝動装置」と呼ばれる。具体的には、重畳伝動装置の作動エレメントは作動装置に作用結合されている。作動装置は、作動エレメントの回転運動への相応する作用により、パワートレーンの回転数もしくはトルクの可変の制御を可能にする。

１態様では、高速型の電気機械が、シールされた、乾燥した第１の収容室内に配置されていてもよい。このことは特に、高速型の電気機械が潤滑剤内で作動するものではないことを意味している。こうして、摩擦損失が小さく保持され得る。好ましくは、この第１の収容室内の内圧が、周辺圧よりも低く設定されていて、特に１００ミリバールよりも低い。択一的にまたは補足的に、電磁式の作動装置は、シールされかつ少なくとも部分的に潤滑剤で充てんされた第２の収容室内に配置されていてもよい。これにより、電磁式の作動装置の良好な潤滑が達成される。高速型の電気機械が乾式に作動し、かつ電磁式の作動装置が湿式に作動する場合、両収容室は、相応するシール手段によって互いにシールされている。両収容室は、電気駆動装置の１つの共通のハウジングに設けられた、互いに流体的に分離された室であってもよい。

作動装置は、特に電磁式のカップリングまたは電気機械を有していてもよい。両構成において、作動装置は、作動エレメントに作用するトルクもしくは制動モーメントが可変に制御可能になるように形成されている。特に作動装置は、作動エレメントおよびこの作動エレメントに結合されたロータが、自由に回転し得るように、すなわちトルクを加えられることなく回転するように、または定位置固定の構成部分に対して相対的に回転方向で支持されるように、すなわち相対回動不能に保持されるように、または作動エレメントが定位置固定の構成部分に対して部分的に制動されるようなそれぞれ任意の中間位置に調節可能になるように、制御され得る。電気駆動装置のサイズ比は、作動装置のステータが、回転軸線に対して同軸に配置されている重畳伝動装置の最大の入力車の外径よりも大きく形成されていてもよい最大外径を有するように設定されていてもよい。別の具体化事例では、作動装置のステータが、重畳伝動装置の最大の入力車の最大外径よりも大きく形成されている最小内径を有していてもよい。この構成により、ステータは比較的大きな直径の個所に位置しているので、作動装置内の制動力は比較的小さい。

電磁式のカップリングを備えた作動装置の構成では、特に、作動装置のステータが、全周にわたって分配された複数のステータポールを有し、ロータが、全周にわたって分配された複数のロータポールを有し、この場合、ステータポールの数と、ロータポールの数とは等しくてもよい。ロータは、軟鉄または電磁鋼板のような磁性材料から成っていてもよい。ステータは、通電によってロータに作用する磁界を発生させる電磁コイルを有する。

電磁コイルは、電子制御ユニットによって制御される。この場合、カップリングモーメントは、電磁コイルを通って流れる電流の制御によって可変に調節可能である。電磁式のカップリングの応答特性は、磁界の形成に相応して、極めて迅速である。具体的には、ロータの回転数は電磁コイルの電流のパルス化により調節され、この場合、電流の相応する制御によって、カップリングの穏やかな接続・遮断と、カップリングモーメントの精密な制御可能性とが実現可能である。電磁コイルの遮断された状態、つまり通電されていない状態では、ロータはステータに対して自由に回転し得る。この場合、電磁式のカップリングのコーストトルクは極めて低く、つまりコーストトルクは、ロータとステータとの間の半径方向ギャップ内での空気摩擦もしくはオイル摩擦によってしか生ぜしめられない。接続された状態については、ロータがステータに対して相対的に静止するようにコイル電流を調節することができるので、重畳伝動装置に導入されたトルクが支持される。もちろん、コイル電流は、接続された状態と遮断された状態との間のそれぞれ任意の中間値にも調節され得る。こうして、ステータに対するロータのスリップ、ひいては電気駆動装置の駆動モーメントが、必要に応じて制御され得る。それどころか、ロータが、コイル電流の相応するパルス化によって小規模にステータに対して駆動されることも考えられる。こうして、電磁式のカップリングによって、付加的なトルクが重畳伝動装置に導入され得るか、もしくは出力エレメントの回転数が制御され得る。全体的に重畳伝動装置に導入されるトルクが、調節されたコイル電流を上回ると、ロータはステータに対して相対的に回転する。この場合には、電磁式のカップリングが、摩耗を受けることなしに、トルク制限カップリングとしても働く。

電磁式のカップリングのステータは、磁性材料から成る第１のリング部分と第２のリング部分とを有していてもよい。第１のリング部分と第２のリング部分との間には、電磁コイルが軸方向で収容されている。ステータポールは、ステータに設けられた内側の歯列構造の歯により形成されていてもよく、ロータポールは、ロータに設けられた外側の歯列構造の歯により形成されていてもよい。この場合、ステータポールの歯先と、ロータポールの歯先との間には、半径方向ギャップが形成されている。ステータポールの数と、ロータポールの数とは、好ましくは等しい。この場合、ポールの数が大きくなればなるほど、カップリングモーメントもしくは制動モーメントも、ますます大きくなることが云える。

電磁式のカップリングは、リラクタンスモータと同様に機能する。リラクタンスモータとは、ロータにおけるトルクがリラクタンス力（磁気抵抗力）によってのみ形成されることにより特徴付けられている。リラクタンスモータのロータは、突極型のポールを有し、高透磁性の軟磁性材料、たとえば電磁鋼板から成っている。リラクタンスモータは、長い寿命を有するので有利である。なぜならば、リラクタンスモータは、スリップリングやブラシなどの摩耗し易い構成部分なしで十分となるからである。

二次的な電気機械を備えた作動装置の構成では、特に、二次的な電気機械が、ジェネレータ運転またはモータ運転において電子制御ユニットによって制御可能である。二次的な電気機械は、低速型の電気機械として構成されていてもよく、この低速型の電気機械は、特に１分間当たり１００００回転よりも少ない比較的低い公称回転数を有するが、しかし比較的高い公称トルクを有する（ロースピード／ハイトルク機械）。「比較的高い公称トルク」とは、特に、二次的な電気機械の公称トルクが、一次的な電気機械の公称トルクよりも大きいこと、好ましくは一次的な電気機械の公称トルクの２倍よりも大きいこと、をも意味するものとする。

ジェネレータ運転において、二次的な電気機械は、高速型の電気機械の過剰な機械的なエネルギを電流に変換することができる。二次的な電気機械によってジェネレータ運転中に形成される電流は、第１の可能性ではバッテリに蓄えられ、第２の可能性では高速型の電気機械に供給されて、この高速型の電気機械を駆動することができる。二次的な電気機械は、択一的にはモータ運転において制御可能であり、この場合、ステータは電気的なエネルギによって駆動され、これにより重畳伝動装置の作動エレメントにトルクが導入される。電気的なエネルギは、バッテリから取り出されるか、または高速型の電気機械によって供給され得る。モータ運転における制御の際には、低速型の電気機械により形成されたトルクもしくは回転数と、高速型の電気機械により形成されたトルクもしくは回転数とが互いに重畳されて、一緒になって出力エレメントへ伝達される。この場合、低速型の電気機械は、高速型の電気機械が最大効率の領域で作動するように運転され得ると好都合である。

二次的な電気機械は、好ましくは誘導機械、すなわち非同期機械の形態に構成されている。択一的には、二次的な電気機械は、一相電気機械、二相電気機械または三相電気機械、たとえば永久磁石機械（ＰＭ）またはスイッチトリラクタンス機械（Switched Reluctance Machine,ＳＲＭ）として構成されていてもよい。

上で挙げた全ての態様については、高速型の電気機械と、重畳伝動装置の作動エレメントとが、回転軸線に対して同軸に配置されていることが考えられる。この場合、もちろん、自動車内の構成スペース事情に応じて、別の配置形式も考えられる。

高速型の電気機械は、好ましくは三相電気機械として構成されていて、特に永久磁石同期機械（ＰＭＳＭ）、非同期機械（ＡＳＭ）またはスイッチトリラクタンス機械（Switched Reluctance Machine,ＳＲＭ）として構成されている。この電気機械は、定位置固定のステータと、ステータ内で回転可能な高速ロータとを有し、この高速ロータは重畳伝動装置の入力エレメントに駆動結合されている。高速型の電気機械は、形成された回転数および／または形成されたトルクが可変に調節され得るように構成されている。高速型の電気機械は、主力を提供し、かつ電気駆動装置の回転方向を決定する。それに対して、作動装置のステータは一般に高速型の電気機械の回転運動に従い、この場合、制御装置は、同時に電気駆動装置の回転数およびトルクの制御を可能にする。この意味では、前記配置形式は、無段変速比を有する伝動装置（Continuously Variable Transmission,ＣＶＴ）のように機能する。

重畳伝動装置は、１つの太陽車と、複数の遊星車と、１つの遊星キャリヤと、１つのリング車とを有する遊星伝動装置の形態に構成されていてもよい。この場合、特に、太陽車は入力エレメントに結合されているか、または入力エレメントを形成しており、リング車は作動エレメントに結合されているか、または作動エレメントを形成しており、遊星キャリヤは出力エレメントに結合されているか、または出力エレメントを形成していることが考えられる。もちろん、原理的には別の対応関係も可能であり、たとえばリング車が出力エレメントに結合されていて、遊星キャリヤが作動エレメントに結合されていることも考えられる。

リング車と作動エレメントとは、一体に製造されているか、または互いに固く結合されていてもよい。このことは、汎用の形状結合式の結合、つまり形状同士の係合に基づいた結合、たとえばねじ結合または軸−ハブ結合（スプライン結合）、力結合式の結合、たとえば締まり嵌め、材料結合式の結合、たとえば溶接または上記手段の組合せによって行われ得る。電磁式の作動装置のロータは、作動エレメントの外面に取り付けられていてもよい。

重畳伝動装置は、歯車伝動装置として構成されていてもよい。すなわち、太陽車、遊星車およびリング車は、歯車として形成されていて、かつ互いに歯列係合して噛み合っている。択一的には、重畳伝動装置は転動体伝動装置として構成されていてもよい。すなわち、伝動装置の個々のエレメントの間でのトルク伝達は、力結合式の結合を介して行われる。太陽車、遊星車およびリング車はこの場合、互いに対して転動する回転対称的な転動体として形成されている。具体的には、太陽車と遊星車とは、それぞれ円筒状の外面を有し、これらの外面は、互いに力結合式に、つまり互いに力が伝達されるように、結合されているか、もしくは摩擦結合式に結合されている。リング車は、円筒状の内面を有し、この内面は遊星車の外面と摩擦接触している。さらに、転動体伝動装置の機能様式は、相応する歯車伝動装置の機能様式に等しいが、ただし、唯一の相違点としては、トルクが、形状結合式の結合により伝達される代わりに、力結合式の結合により伝達されることが挙げられる。このような転動体伝動装置は、トラクションドライブとも呼ばれ、このような伝動装置は低い運転ノイズによりすぐれている。

１態様では、電磁式の作動装置のステータと、高速型の電気機械のステータとが、少なくとも部分的に半径方向で重なり合っていてもよい。こうして、コンパクトな構造が達成される。特に、遊星伝動装置は作動装置よりも半径方向内側に配置されていてもよく、この場合、作動装置のロータと遊星車とは、軸方向で重なり合って配置されていてもよい。

上で挙げた課題の解決手段は、さらに、前記態様のうちの１つまたは複数の態様により形成されていてもよい、上で述べた電気駆動装置を制御する方法であって、
高速ロータが１分間当たり少なくとも２００００回転の回転数で回転するように高速型の電気機械を制御するステップと、
作動エレメントの可変の回転数を発生させるために電磁式の作動装置をモータ運転で制御するステップであって、高速型の電気機械の回転数と、作動エレメントの可変の回転数とが、出力エレメントを駆動するために互いに重畳されるステップと、
を有し
作動エレメントの可変の回転数を、電磁式の作動装置によって、出力エレメントが目標回転数で回転するように調節する、
電気駆動装置を制御する方法にある。

ある方法実施態様では、
高速ロータの過剰の運動エネルギが少なくとも部分的に電気的なエネルギに変換されるように電磁式の作動装置をジェネレータ運転で制御するステップと、
電気的なエネルギをバッテリ内に蓄えるステップと、
が設定されていてもよい。

運動エネルギは、単独で高速ロータによってのみ発生され得るか、または場合によっては高速ロータと、この高速ロータに結合された付加質量体とが相まって発生され得る。

以下に、好適な実施形態を図面につき詳しく説明する。

本発明による電気駆動装置の第１実施形態を示す半割縦断面図である。 図１に示した電気駆動装置の電磁式の作動装置を軸方向で見た図である。 図２に示した電磁式の作動装置を、断面線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って断面した縦断面図である。 図２に示した電磁式の作動装置のステータを示す斜視図である。 図２に示した電磁式の作動装置のロータを示す斜視図である。 電磁式の作動装置の変化形を軸方向で見た図である。 図６に示した電磁式の作動装置を、断面線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿って断面した縦断面図である。 図６に示した電磁式の作動装置のステータを示す斜視図である。 本発明による電気駆動装置の第２実施形態を示す半割縦断面図である。 本発明による電気駆動装置の第３実施形態を示す半割縦断面図である。 図１、図９または図１０に示した電気駆動装置の概略図である。 図１１に示した本発明による電気駆動装置を備えたパワートレーンアセンブリを示す概略図である。

以下において、図１〜図５を一緒に説明する。図１には、自動車を駆動するための本発明による電気駆動装置２の第１実施形態が半割縦断面図で示されている。この電気駆動装置２は電気機械３と、この電気機械３に駆動結合されている重畳伝動装置４と、電気駆動装置２の回転数を制御するための電磁式の作動装置５とを含む。この作動装置５は、図２〜図５に詳しく図示されている。電気機械３と重畳伝動装置４と作動装置５とは、ハウジング６内に収容されている。このハウジング６は複数の部分から形成されていてもよい。

電気機械３は、一次的な駆動源として用いられ、電気駆動装置２の回転方向を決定する。この場合、作動装置５は、場合によっては二次的な駆動源として作動され得る。これについては、さらに下で詳しく説明する。電気機械３の制御は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって行われる。電流供給のためには、電気機械３がバッテリ（図示しない）に接続され得る。電気機械３は、１分間当たり少なくとも２００００回転（ｒ.ｐ.ｍ）の公称回転数を有していて、この意味では高速型の電気機械として形成されている。また、少なくとも２５０００ｒ.ｐ.ｍの公称回転数も考えられ、この場合、ピーク回転数は、それどころか３００００ｒ.ｐ.ｍを上回るおそれがある。電気機械３はステータ７を有し、このステータ７はハウジング６に固く結合されていて、第１のステータとも呼称され得る。電気機械３はさらに高速ロータ８を有し、この高速ロータ８はトルク伝達のためにモータ軸９に固く結合されている。このモータ軸９は、第１の軸受１１と第２の軸受１２とによって回転軸線Ａ９周りにハウジング６内に回転可能に支持されていて、高速ロータ８によって回転駆動可能である。高速型の電気機械３は乾式作動するように形成されており、すなわち潤滑剤なしに作動されるようになっている。このためには、ハウジング６が、電気機械３のためのシールされた第１の収容室２１を有する。この第１の収容室２１は、好ましくは少なくとも部分的に真空化されている。すなわち、圧力は周辺圧よりも低く形成されているので、高い回転数の場合でも、空気摩擦による摩擦損失ができるだけ少なく抑えられる。たとえば、内圧は１００ミリバールよりも小さくなり得る。

電気機械３によって提供される出力に比べて所要駆動出力が減じられていると、ロータ８は運動エネルギを蓄えるためのはずみ質量体として使用され得る。この場合、電気機械が、高速型の電気機械、つまり高い回転数を有する電気機械として形成されていることに基づき、相応する大きさの量の運動エネルギが蓄え可能となる。提供可能な運動エネルギの量もしくは電気機械３の蓄え容量の量は、高速ロータ８の回転数および質量慣性に関連している。高い蓄え容量のために、高速型の電気機械３は質量慣性および公称回転数に関して特に、高速ロータが少なくとも５０キロジュール（ｋＪ）の運動エネルギを蓄えることができるように形成されている。このエネルギ量は、最大回転数において２０キロジュールよりも小さい運動エネルギしか有しない慣用の電気機械の蓄え容量の２.５倍よりも大きい。電気機械３は、もっと大きな蓄え容量、たとえば１００キロジュールよりも大きな蓄え容量を有することもできる。

高速型の電気機械３は、好ましくは三相電気機械として形成されている。すなわち、高速型の電気機械３は、三相交流を用いて作動される。たとえば、この電気機械は永久磁石同期機械（ＰＭＳＭ）として、非同期機械（ＡＳＭ）として、またはスイッチトリラクタンス機械（Switched Reluctance Machine,ＳＲＭ）として形成されていてもよい。

重畳伝動装置４は、電気機械３に駆動結合されている入力エレメント１３と、作動装置５に作用結合されている作動エレメント１４と、トルク伝達のために自動車（図１１参照）の駆動軸に結合され得る出力エレメント１４とを有する。上で挙げた３つのエレメントのうち、それぞれ２つについては、互いに独立して回転可能であり、すなわち、この伝動装置は２つの自由度を有する。その結果、３つのエレメントのうちの２つのエレメントの互いに独立した回転運動が互いに重畳され得る。この場合、電磁式の作動装置５は、作動エレメント１４の回転運動に対する相応する作用により、出力エレメント１５における回転数およびトルクの可変の制御を可能にするか、もしくは出力エレメント１５に駆動結合された車両パワートレーンの回転数およびトルクの可変の制御を可能にする。パワートレーンにおける各エレメントにそれぞれ加えられる出力Ｐは、各トルクＭおよび各回転数ｎの関数である（Ｐ＝２・π・Ｍ・ｎ）。したがって、作動装置５に加えられるモーメントＭ５は、高速型の電気機械３に加えられるモーメントＭ３と、重畳伝動装置４の全変速比ｉ４とに関連している（Ｍ５＝ｉ４・Ｍ３）。

重畳伝動装置４は、１つの太陽車１３と、複数の遊星車２０と、１つの遊星キャリヤ１５と、１つのリング車１４とを有する遊星伝動装置の形態に形成されている。遊星車２０は、遊星キャリヤ１５内で遊星回転軸線Ａ２０上に回転可能に支持されていて、遊星キャリヤ１５と一緒に回転軸線Ａ１５周りに公転する。遊星車２０は、太陽車１３およびリング車１４と歯列係合しており、つまり太陽車１３およびリング車１４と噛み合っている。太陽車は入力エレメント１３を形成しており、この入力エレメント１３を介して、電気機械３から遊星伝動装置へ駆動モーメントが導入される。リング車は作動エレメント１４を形成しており、この作動エレメント１４を介して、作動装置５から作動モーメントが導入される。それに対して、遊星キャリヤ１５は出力エレメントを形成しており、この出力エレメントは、出力経路で見て下流側に配置されているパワートレーンへトルクを伝達するために出力車１６に結合されている。もちろん、別の対応配置も考えられ、たとえばリング車が出力エレメントに結合されており、遊星キャリヤが作動エレメントに結合されていることも考えられる。

作動エレメント１４は、ハウジング６内で軸受１９によって作動軸線Ａ１４周りに回転可能に支持されている。本実施形態では、作動エレメント１４の回転軸線Ａ１４は電気機械３の回転軸線Ａ９に対して同軸に配置されているか、もしくはこの回転軸線Ａ９と合致している。しかし、構成スペース事情に応じて、これらの回転軸線が互いに対して平行または所定の角度を成して延びるように電気機械３が伝動装置４に対して相対的に配置されていることも考えられる。作動エレメント１４は、外面を備えたリング区分１７とフランジ区分１８とを有し、このフランジ区分１８はリング区分１７の一方の軸方向端部においてこのリング区分１７に結合されている。リング区分１７は外面を有し、この外面には、作動装置５のロータが相対回動不能に取り付けられている。このロータについては、さらに下で詳しく説明する。フランジ区分１８は、軸受１９によってハウジング６のハウジング部分に回転可能に支持されている。ハウジング６は、第２の収容室３１を有し、この第２の収容室３１内には、作動装置５と重畳伝動装置４とが収容されている。作動装置５と重畳伝動装置４とは、好ましくは湿式作動式であるので、第２の収容室３１は少なくとも部分的に潤滑剤で充てんされている。両収容室２１，３１は、シール部材４１によって互いに対してシールされている。

遊星キャリヤ１５は、軸受２２，２３によってハウジング６内にキャリヤ軸線Ａ１５周りに回転可能に支持されている。個々の遊星車２０は、それぞれ軸受２４によって、遊星キャリヤ１５に結合されたピン２５に回転可能に支持されている。遊星キャリヤ１５は、モータ軸９とは反対の側にスリーブ付設部を有しており、このスリーブ付設部には、出力車１６が相対回動不能に結合されている。この出力車１６は、下流側に配置されたパワートレーンの駆動軸（図示しない）を駆動する。

作動装置５は、本実施形態では電磁式のカップリングを含む。この電磁式のカップリングは、リング車１４に結合されたロータ２７と、ハウジング６に相対回動不能に結合されたステータ２６と有する。ステータ２６は、第２のステータとも呼称され得る。特に図２〜図５から判るように、ステータ２６は、全周にわたって分配された複数のステータポール２８を有し、ロータ２７は、全周にわたって分配された複数のロータポール２９を有する。図面から判るように、ステータポール２８は、ステータ２６に設けられた内側の歯列構造の複数の歯により形成されている。ロータポール２９は、相応して、ロータ２７に設けられた外側の歯列構造の複数の歯により形成されている。この場合、ステータポール２８の歯先と、ロータポール２９の歯先との間には、半径方向ギャップが形成されている。すなわち、ステータ２６とロータ２７とは、磁力もしくはトルクを非接触式に伝達する。ステータポール２８およびロータポール２９の数は、この場合、互いに等しいが、しかし原理的には互いに異なっていてもよい。ロータ２７は、軟鉄または電磁鋼板（Elektroblech）のような磁性材料から製造されている。ステータ２６は電磁コイル３０を有し、この電磁コイル３０は通電によって磁界を発生させる。この磁界はステータポール２８からロータポール２９へ作用するので、ロータ２７にはトルクが加えられる。電磁式のカップリング５のステータ２６はこの場合、磁性材料から成る第１のリング部分３２と第２のリング部分３３とを含む。第１のリング部分３２と第２のリング部分３３とは、半割縦断面図で見て、ほぼＣ字形に形成されている。この場合、両リング部分３２，３３のうちの一方のリング部分は磁気的なＮ極を形成し、他方のリング部分は磁気的なＳ極を形成する。軸方向で両リング部分３２，３３の間には、電磁コイル３０が収容されており、この電磁コイル３０は通電時に磁界Ｆを発生させる。

電磁コイル３０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御される。この場合、作動モーメントは、電磁コイル３０を通って流れる電流の制御によって可変に調節可能である。電磁式のカップリング５の応答特性は、磁界の形成に相応して、極めて迅速である。ロータ２７の回転数は、電磁コイル３０の電流のパルス化によって調節され、この場合、電流の相応する制御によって、カップリングの穏やかな接続・遮断および作動モーメントの精密な制御可能性が実現可能となる。電磁コイル３０の通電されていない状態では、ロータ２７がステータ２６に対して自由に回転し得るので、場合によっては一次駆動装置３から導入されるトルクは支持されない。電磁コイル３０を通電することにより、ロータはステータに対して定位置固定に保持され得るので、一次駆動装置３から導入されるトルクが支持されて、出力エレメント１５へ伝達される。

コイル電流の相応するパルス化によって、ロータ２７はステータ２６に対して先行または追従することもできるので、電気駆動装置の回転数は必要に応じて制御され得る。パワートレーンに導入される全トルクが、調節されたコイル電流を上回ると、ロータ２７はステータ２６に対して相対的に回転する。この場合には、電磁式のカップリング５が過負荷防止手段を形成する。

前記装置のサイズ比は、作動装置５のステータ２６が、リング車１４の最大外径Ｄ１４よりも大きな最大外径Ｄ２６もしくは最小内径を有するように設定されていることが判る。さらに、作動装置５のステータ２６は、一次的な電気機械３のステータ７と半径方向の重なりを有する。この構成により、作動装置５のステータ２６は、比較的大きな直径の個所に位置しているので、作動装置内の磁力もしくは電流は比較的小さくてもよい。

図６〜図８には、電磁式のカップリングの、図２〜図５に示した構成に対して少しだけ変えられた変化形が示されている。図１に示した電磁式のカップリングの代わりに使用され得る、図６〜図８に示した本構成は、上記構成に十分に相当しているので、共通の構成については、上記説明を参照するものとする。この場合、互いに同じ個別要素もしくは互いに対応する個別要素については、同じ符号が付与されている。

図６〜図８に示した構成の唯一の相違点は、ステータ２６の構成にある。ステータ２６はこの場合、半割縦断面図で見てＬ字形のリング部分３２，３３を有しており、両リング部分３２，３３は電磁コイル３０を側方で取り囲んで把持している。この場合、電磁コイル３０の内径は、リング部分３２，３３の内径に相当している。上記構成と比較して、電磁コイル３０とロータ２７との間の半径方向の環状ギャップは著しく減じられている。ロータ２７は、上記構成の場合と同一に形成されている。

図９には、本発明による電気駆動装置の第２実施形態が示されている。この第２実施形態は、大部分において、図１〜図５に示した実施形態に相当しているので、共通の構成については、図１〜図５に示した実施形態の説明を参照するものとする。この場合、互いに同じ個別要素もしくは互いに対応する個別要素については、図１と同じ符号が付与されている。

図９に示した本実施形態の特別な点は、電磁式の作動装置５の構成にある。電磁式の作動装置５はこの場合、電気機械の形態に構成されている。電気機械５は、電気駆動装置の二次的な電気機械を形成している。すなわち、一次的な電気機械３は、より高い公称出力を有し、かつ駆動モーメント、駆動出力および駆動回転方向を実質的に規定し、二次的な電気機械は、より低い公称出力を有し、かつ正確な回転数もしくは駆動モーメントを調節するために用いられる。具体的には、二次的な電気機械５は、単相電気機械の形態に構成されていてもよい。この場合、原理的には、二相電気機械または三相電気機械、たとえば永久磁石機械（ＰＭ）またはスイッチトリラクタンス機械（Switched Reluctance Machine,ＳＲＭ）も使用可能である。

二次的な電気機械５は、ジェネレータ運転またはモータ運転で作動され得る。この場合、制御は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって行われる。特別な構成では、二次的な電気機械５が、低速型の電気機械として構成されており、この低速型の電気機械は、たとえば１分間当たり５００回転よりも少ない比較的低い公称回転数を有するが、しかし比較的高い公称トルクを有する（ロースピード／ハイトルク機械）低速型の電気機械として構成されている。ジェネレータ運転においては、二次的な電気機械５は、高速型の電気機械３の過剰の機械的なエネルギを電流に変換することができる。そのためには、バッテリ３４が設けられている。このバッテリ３４には、二次的な電気機械５が接続されており、これにより、ジェネレータ運転で形成された電流が蓄えられる。二次的な電気機械５は、択一的にはモータ運転において制御可能であり、この場合、ステータ２６は電気的なエネルギによって駆動され、これにより重畳伝動装置４の作動エレメント１４へトルクが導入される。この場合には、二次的な電気機械５と一次的な電気機械３とによって形成されたトルクもしくは回転数が、互いに重畳されて、一緒になって出力エレメント１５へ伝達される。

一次的な電気機械３と、二次的な電気機械５とは、互いに同軸に配置されており、この場合、二次的な電気機械５は、一次的な電気機械３のステータ７と少なくとも部分的に半径方向の重なりを有する。さらに、重畳伝動装置４が、二次的な電気機械５の半径方向内側に同軸に配置されていることが判る。この場合、電気機械５のロータ２７は、作動エレメント１４の外面に取り付けられているので、ロータ２７と作動エレメント１４とは、一緒になって回転軸線Ａ１４周りに回転する。作動エレメントもしくはリング車１４は、２つのフランジ区分１８，１８’を有し、両フランジ区分１８，１８’によって、作動エレメントもしくはリング車１４は、軸受１９，１９’を介してハウジング６内に回転軸線Ａ１４周りに回転可能に支持されている。遊星車２０は、電気機械５に対して軸方向の重なりを持って配置されている。全体的には、このような構造により、コンパクトな配置形式が得られ、この場合、もちろん、自動車内の構成スペース事情に応じて、別の構成も考えられる。

図１０には、本発明による電気駆動装置の第３実施形態が示されている。この第３実施形態は、図９に示した実施形態に十分に相当しているので、共通の構成については図９の説明を参照するものとする。この場合、互いに同じ個別要素もしくは互いに対応する個別要素については、図９もしくは図１と同じ符号が付与されている。

図１０に示した本実施形態において、図９に示した実施形態に対する相違点は、質量慣性を高めるために、ひいては高速型の電気機械３の蓄え能力を高めるために、付加質量体４２が設けられていることにある。付加質量体４２は、高速ロータ８もしくは入力軸９に結合されているので、前記３つの部分は互いに一緒になって回転する。付加質量体４２により、高速ロータ８の回転エネルギ増大が達成されるので、こうして形成された電気機械３は、特に高い蓄え容量を有している。蓄え容量はこの場合、５０キロジュールよりも大きくてもよく、特に１００キロジュールよりも大きくてもよく、さらに電気機械３の回転数に応じて２００キロジュールよりも大きくてもよい。

図１１には、図１、図９もしくは図１０に示した本発明による電気駆動装置２が、電子制御ユニット（ＥＣＵ）およびバッテリ３４と共に概略的に図示されている。バッテリ３４は、電磁式の作動装置５と、一次的な電気機械３とに電気的なエネルギを供給するか、もしくはジェネレータ運転においてバッテリ３４内に電気的なエネルギが蓄え可能である。

図１２には、図１１に示した本発明による電気駆動装置２を備えた本発明におけるパワートレーン３５が図示されている。このパワートレーン３５は、電気駆動装置２の他に、自動車の駆動車軸３７を駆動するための駆動軸３６を含む。駆動車軸３７は、アクスルディファレンシャル３８を含み、このアクスルディファレンシャル３８は、ディファレンシャル歯車セットと２つのハーフシャフト３９，３９’とを備えている。ハーフシャフト３９，３９’はそれぞれ車両ホイール４０，４０’に駆動結合されている。駆動軸３６により導入されたトルクは、アクスルディファレンシャル３８によって両ハーフシャフト３９，３９’に分配される。

本発明による電気駆動装置２は、僅かなコースト損失しか有しておらず、ひいては高い効率を有するので有利である。電磁式の作動装置５の使用により、電気駆動装置のパワートレーンの回転数もしくはトルクを可変に調節することができるので、高速型の電気機械を、特に効率の良い特性線領域で作動させることができる。さらに、電磁式の作動装置の構成により、トルクピーク発生に対する過剰負荷防止が与えられている。全体的には、前記電気駆動装置は、高い効率の利点と、長い寿命の利点と、コンパクトな構造の利点とを併せ持っている。

２ 電気駆動装置
３ 電気機械
４ 重畳伝動装置
５ 作動装置
６ ハウジング
７ ステータ
８ 高速ロータ
９ モータ軸
１１ 軸受
１２ 軸受
１３ 入力エレメント／太陽車
１４ 作動エレメント／リング車
１５ 出力エレメント／遊星キャリヤ
１６ 出力車
１７ リング区分
１８，１８’ フランジ区分
１９，１９’ 軸受
２０ 遊星車
２１ 第１の収容室
２２ 軸受
２３ 軸受
２４ 軸受
２５ ピン
２６ ステータ
２７ ロータ
２８ ステータポール
２９ ロータポール
３０ 電磁コイル
３１ 第２の収容室
３２ 第１のリング部分
３３ 第２のリング部分
３４ バッテリ
３５ パワートレーン
３６ 駆動軸
３７ 駆動車軸
３８ アクスルディファレンシャル
３９，３９’ ハーフシャフト
４０，４０’ 車両ホイール
４１ シール部材
４２ 付加質量体
Ａ 回転軸線
Ｄ 直径
Ｆ 磁界
ｉ 変速比
Ｍ トルク
ｎ 回転数
Ｐ 出力

英国特許出願公開第２４０５１２９号明細書に基づき、請求項１の前提部に記載の装置が公知である。この装置は、無段式可変伝動装置の形態に構成されていて、リング車−モータ−ジェネレータと、高速−モータ−ジェネレータとを含み、このリング車−モータ−ジェネレータと、高速−モータ−ジェネレータとは、遊星伝動装置を介して互いに結合されている。高速−モータ−ジェネレータは、中央のハウジング区分に収容されていて、高速軸に結合されている。この高速軸は、ハウジング壁を貫いて、真空化された別個のハウジング区分に突入するように延びている。高速−モータ−ジェネレータが収容されている中央のハウジング区分と、軸のロータ質量体が配置されているハウジング区分とは、真空シールによって互いにシールされている。高速−モータ−ジェネレータの、ロータ質量体とは反対の側には、別の別個のハウジング区分が続いており、このハウジング区分には、遊星伝動装置とリング車−モータ−ジェネレータとが配置されている。リング車−モータ−ジェネレータは、遊星伝動装置に対して側方で隣接してリング車ハウジングに設けられたスリーブセットに配置されている。リング車ハウジングもしくはこのリング車ハウジングに結合された、遊星伝動装置のリング車は、軸受を介して高速軸もしくは入力／出力軸に回転可能に支持されている。
独国特許出願公開第１０２００９０４５８６９号明細書に基づき、第１の電気モータと、第２の電気モータと、コンバータと、遊星伝動装置の形の分岐伝動装置とを備えた駆動システムが公知である。コンバータは、可変の回転数および／または可変のトルクを発生させるために第２の電気モータを制御する。遊星伝動装置は、遊星キャリヤを介して結合されている３つの遊星車と、１つの太陽車と、１つのリング車とを含む。リング車は第１の入力軸を形成しており、この第１の入力軸は第１の電気モータと連結されている。太陽車は第２の入力軸を形成しており、この第２の入力軸は第２の電気モータと連結されている。遊星キャリヤは、出力軸を形成している。リング車に結合された第１の電気モータは、同期モータとして形成されており、この同期モータは、電源網交流電圧によって直接に給電されるので、この同期モータは一定の回転数で回転する。第１の同期モータの回転数は、たとえば１分間当たり一定３０００回転で駆動される。第２の同期モータは、たとえば１分間当たり−６０００〜＋６０００回転の回転数領域に合わせて設計されていることが望ましい。

上記課題を解決するための手段は、自動車用の電気駆動装置であって、
自動車の駆動軸を駆動するための電気機械を含み、この電気機械は、１分間当たり少なくとも２００００回転の公称回転数を有する高速型の電気機械として構成されていて、高速ロータを有し、この高速ロータは、運動エネルギを蓄えるためのはずみ質量体として使用可能であり、
入力エレメントと作動エレメントと出力エレメントとを備えた重畳伝動装置（Ueberlagerungsgetriebe）を含み、入力エレメントは、前記電気機械によって駆動軸線周りに回転駆動可能であり、作動エレメントは、作動軸線周りに回転可能であり、出力エレメントは、作動エレメントと入力エレメントとに駆動結合されており、
作動エレメントの回転数を調節するための電磁式の作動装置を含み、この電磁式の作動装置は、１つの定位置固定の構成部分に結合されたステータと、作動エレメントに相対回動不能に結合されたロータとを有し、ロータとステータとは、互いに非接触式に配置されており、電磁式の作動装置は、ステータとロータとの間で周方向に作用する磁力によってロータに作動モーメントを伝達するように構成されており、前記磁力は可変に調節可能であり、前記高速型の電気機械は、シールされた、乾燥した第１の収容室内に配置されており、該第１の収容室内の内圧が、周辺圧よりも低く、前記電磁式の作動装置と前記重畳伝動装置とは、シールされた、潤滑剤で充てんされた第２の収容室内に配置されており、前記重畳伝動装置は、前記電磁式の作動装置の半径方向内側に配置されている、自動車用の電気駆動装置にある。

重畳伝動装置４は、電気機械３に駆動結合されている入力エレメント１３と、作動装置５に作用結合されている作動エレメント１４と、トルク伝達のために自動車（図１１参照）の駆動軸に結合され得る出力エレメント１５とを有する。上で挙げた３つのエレメントのうち、それぞれ２つについては、互いに独立して回転可能であり、すなわち、この伝動装置は２つの自由度を有する。その結果、３つのエレメントのうちの２つのエレメントの互いに独立した回転運動が互いに重畳され得る。この場合、電磁式の作動装置５は、作動エレメント１４の回転運動に対する相応する作用により、出力エレメント１５における回転数およびトルクの可変の制御を可能にするか、もしくは出力エレメント１５に駆動結合された車両パワートレーンの回転数およびトルクの可変の制御を可能にする。パワートレーンにおける各エレメントにそれぞれ加えられる出力Ｐは、各トルクＭおよび各回転数ｎの関数である（Ｐ＝２・π・Ｍ・ｎ）。したがって、作動装置５に加えられるモーメントＭ５は、高速型の電気機械３に加えられるモーメントＭ３と、重畳伝動装置４の全変速比ｉ４とに関連している（Ｍ５＝ｉ４・Ｍ３）。

Claims (18)

1. 自動車を駆動する電気駆動装置であって、
   １分間当たり少なくとも２００００回転の公称回転数を有する高速型の電気機械として構成されていて、且つ運動エネルギを蓄えるためのはずみ質量体として使用可能である高速ロータ（８）を有する、電気機械（３）と、
   入力エレメント（１３）と、作動エレメント（１４）と、出力エレメント（１５）と、のちょうど３つの接続エレメントを備えた重畳伝動装置（４）であって、該重畳伝動装置（４）は、遊星伝動装置の形態に構成されており、該遊星伝動装置は、前記入力エレメント（１３）を形成しかつ前記電気機械（３）によって駆動軸線（Ａ９）周りに回転駆動可能である太陽車と、前記作動エレメント（１４）に結合されていて、かつ作動軸線（Ａ１４）周りに回転可能であるリング車と、前記出力エレメント（１５）を形成しかつ複数の遊星車（２０）を支持する遊星キャリヤと、を備えており、前記遊星車（２０）を介して前記リング車と前記太陽車とが駆動結合されている、重畳伝動装置（４）と、
   前記作動エレメント（１４）の回転数を可変に調節する電磁式の作動装置（５）であって、該電磁式の作動装置（５）は、１つの定位置固定の構成部分（６）に結合されたステータ（２６）と、前記重畳伝動装置（４）の前記作動エレメント（１４）に相対回動不能に結合されたロータ（２７）とを有し、該ロータ（２７）と前記ステータ（２６）とは、互いに非接触式に配置されており、前記電磁式の作動装置（５）は、前記ステータ（２６）と前記ロータ（２７）との間で周方向に作用する磁力によって前記ロータ（２７）に作動モーメントを伝達するように構成されており、前記磁力は可変に調節可能である、作動装置（５）と、
   を含む、電気駆動装置。
2. 前記高速型の電気機械（３）は、シールされた、乾燥した第１の収容室（２１）内に配置されており、該第１の収容室（２１）内の内圧が、周辺圧よりも低いことを特徴とする、請求項１記載の電気駆動装置。
3. 前記電磁式の作動装置（５）は、シールされた、潤滑剤で充てんされた第２の収容室（３１）内に配置されていることを特徴とする、請求項１または２記載の電気駆動装置。
4. 付加質量体（４２）が設けられており、該付加質量体（４２）は、少なくとも間接的に前記高速ロータ（８）に固く結合されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
5. 前記高速型の電気機械（３）は、前記高速ロータ（８）が、少なくとも５０キロジュール、特に少なくとも１００キロジュールの運動エネルギを蓄えることができるように構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
6. 前記作動装置（５）の前記ステータ（２６）は、回転軸線（Ａ９）に対して同軸に配置されている、前記重畳伝動装置（４）の前記リング車（１４）の外径（Ｄ１４）よりも大きな最大外径（Ｄ２６）を有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
7. 前記作動装置（５）の前記ステータ（２６）は、全周にわたって分配された複数のステータポール（２８）を有し、前記ロータ（２７）は、全周にわたって分配された複数のロータポール（２９）を有し、前記ステータポール（２８）の数と、前記ロータポール（２９）の数とは等しいことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
8. 前記ロータ（２７）の回転数は、前記電磁式の作動装置（５）の電流のパルス化によって可変に調節可能であり、しかも前記ロータ（２７）が、前記入力エレメント（１３）と同一の回転方向または前記入力エレメント（１３）とは反対の回転方向に回転するように調節可能であることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
9. 前記電磁式の作動装置（５）は、リラクタンス原理により作動するようになっており、前記ロータ（２７）は、軟鉄のような磁性材料から成っており、前記ステータ（２６）は、通電によって磁界を発生させる少なくとも１つの電磁コイル（３０）を有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
10. 前記ステータ（２６）は、磁性材料から成る少なくとも１つの第１のリング部分（３２）と第２のリング部分（３３）とを有し、前記第１のリング部分（３２）と前記第２のリング部分（３３）との間に、前記少なくとも１つの電磁コイル（３０）が軸方向で収容されていることを特徴とする、請求項９記載の電気駆動装置。
11. 前記ステータポール（２８）は、前記ステータ（２６）に設けられた内側の歯列構造の歯により形成されており、前記ロータポール（２９）は、前記ロータ（２７）に設けられた外側の歯列構造の歯により形成されており、前記ステータポール（２８）の歯先と、前記ロータポール（２９）の歯先との間に半径方向ギャップが形成されていることを特徴とする、請求項９または１０記載の電気駆動装置。
12. 前記電磁式の作動装置（５）が、二次的な電気機械（５）を有し、
    該二次的な電気機械（５）は、前記高速型の電気機械（３）の過剰の機械的なエネルギを電流に変換するためにジェネレータ運転で制御可能であり、該電流はバッテリ（３４）に蓄え可能であるか、または前記高速型の電気機械（３）に供給可能であり、かつ／または
    前記二次的な電気機械（５）は、モータ運転で制御可能であり、前記ロータ（２７）は、前記重畳伝動装置（４）の前記作動エレメント（１４）にトルクを導入するために、電気的なエネルギによって前記入力エレメント（１３）の回転方向に駆動されるようになっており、前記電気的なエネルギは、前記バッテリ（３４）から取り出されるか、または前記高速型の電気機械（３）によって供給されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
13. 前記高速型の電気機械（３）と、前記重畳伝動装置（４）の前記作動エレメント（１４）とは、駆動回転軸線（Ａ９）に対して同軸に配置されていることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
14. 前記高速型の電気機械（３）は、三相電気機械として構成されていて、定位置固定のステータ（７）を有し、該ステータ（７）内に前記高速ロータ（８）が回転可能に配置されており、該高速ロータ（８）は、前記重畳伝動装置（４）の前記入力エレメント（１３）に駆動結合されていることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
15. 前記リング車と前記作動エレメント（１４）とが一体に形成されており、前記電磁式の作動装置（５）の前記ロータ（２７）は、前記作動エレメント（１４）の外面に相対回動不能に取り付けられていることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
16. 前記電磁式の作動装置（５）の前記ステータ（２６）と、前記電気機械（３）の前記高速ロータ（８）とは、少なくとも部分的に半径方向で重なり合っていることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか１項記載の電気駆動装置。
17. 請求項１から１６までのいずれか１項記載の電気駆動装置を制御する方法であって、
    前記高速ロータ（８）が１分間当たり少なくとも２００００回転の回転数で回転するように前記高速型の電気機械（３）を制御するステップと、
    前記作動エレメント（１４）の可変の回転数を発生させるために前記電磁式の作動装置（５）をモータ運転で制御するステップであって、前記高速型の電気機械（３）の回転数と、前記作動エレメント（１４）の可変の回転数とが、前記出力エレメント（１３）を駆動するために互いに重畳されるステップと、
    を有し、
    前記作動エレメント（１４）の可変の回転数を、前記電磁式の作動装置（５）によって、前記出力エレメント（１３）が目標回転数で回転するように調節する、
    電気駆動装置を制御する方法。
18. 前記高速ロータ（８）の過剰の運動エネルギが少なくとも部分的に電気的なエネルギに変換されるように前記電磁式の作動装置（５）をジェネレータ運転で制御するステップと、
    前記電気的なエネルギをバッテリ（３４）内に蓄えるステップと、
    を有する、請求項１７記載の方法。

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