WO1997008007A2 - Antriebssystem für ein kraftfahrzeug, mit einem antriebsaggregat und einer elektrischen maschine, und verfahren zum betreiben desselben - Google Patents

Antriebssystem für ein kraftfahrzeug, mit einem antriebsaggregat und einer elektrischen maschine, und verfahren zum betreiben desselben Download PDF

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Thomas Pels
Klaus-Peter Zeyen
Andreas GRÜNDL
Bernhard Hoffmann
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Definitions

  • the invention relates to a drive system, in particular for a motor vehicle.
  • frictional clutches are used in drive systems of motor vehicles, which enable starting of the motor vehicle with torque conversion (“sliding clutch”) in the starting phase. Their further task is to allow a gear change by separating the drive unit from a manual transmission and then reconnecting it with a speed adjustment of the drive unit and transmission caused by friction. They also serve as overload protection and vibration damping.
  • These friction clutches are highly stressed wear parts that have to be continuously monitored and partially re-adjusted. In the case of above-average stress, such as excessive use in city traffic or a stressful driving style, they sometimes do not reach the vehicle's service life and must be replaced beforehand. The operation of a friction clutch is particularly complicated for novice drivers.
  • hydrodynamic couplings some with a converter function. In general, these allow an almost jolt-free start-up and shifting with simple operation. However, they are quite complex to set up. Your controllability is limited; e.g. a complete shaft separation is often not achievable, so that creeping occurs when idling (in driving position / position D). In addition, they are associated with not inconsiderable losses.
  • gear parts to be connected to one another must first be brought into synchronism (ie, depending on the type of gear, at the same speed or the same peripheral speed), ie synchronized.
  • synchronism ie, depending on the type of gear, at the same speed or the same peripheral speed
  • the driver does this by means of double clutches (upshifting) or intermediate throttle (downshifting), which requires a high level of driving skill.
  • the synchronization takes place mechanically in the course of the shifting movement, namely by means of a friction clutch for non-positive speed adjustment, whereby the positive shifting of the gear is made possible by a locking device only after the synchronization process has been completed.
  • conical rings can be used for the friction clutch.
  • Synchronized gears are structurally and structurally complex.
  • the synchronizing devices are highly stressed and at risk of wear.
  • the forces required for the synchronization must be applied by the driver with the shift actuation, which can be noticeable in a relatively high shifting force.
  • the synchronization process takes a certain amount of time, which generally gives the shift actuation a tough character.
  • the aim of the invention is to further develop the drive systems mentioned above.
  • a drive system in particular for a motor vehicle, with a drive unit, in particular a combustion engine; and - at least one electrical machine, which acts as an electromagnetic clutch in the drive train of the drive system and / or as an active transmission synchronization device (claim 1).
  • An “electrical machine” is any type of machine for rotational movements that can be operated as an electrical motor and / or as an electrical generator.
  • the electrical machine - similar to a friction clutch - sits directly on the shafts, the coupling or separation of which it brings about.
  • clutch is understood in a broad sense in connection with electromagnetic clutch: It encompasses the meaning of “clutch” in the narrow sense, which is used exclusively for the unchanged transmission of speed and torque (such as a positive clutch). , and of “converter”, which allows a conversion of speed and / or torque (such as a frictional or a hydrodynamic clutch).
  • the required synchronization speed can be determined as quickly as possible, for example when the instantaneous speed of the transmission output shaft is detected, on the basis of known transmission ratios of the various connectable transmission parts, as soon as the Shift actuation by entering a certain shift gate is clearly recognizable which gear should be engaged.
  • the synchronization can take place in the period of time which is available until the end of the shift path - where the transmission parts are connected - is reached. The synchronization takes place without switching force and without noticeable delay in switching operation.
  • the drive system combines the functions of electromagnetic clutch and active synchronization device in a particularly advantageous manner. For example, in the case of simpler drive systems, each of these functions can be advantageous in and of itself.
  • the electromagnetic clutch and / or. the active synchronizer are not subject to wear and tear; the electromagnetic clutch enables the precise setting of any moments to be transmitted, i.e.
  • the change in the clutch slip over time can also be controlled as desired, so that a completely uniform automatic transition from maximum slip to disappearing slip can be achieved;
  • gearbox can be constructed and executed much more simply;
  • the drive system according to the invention increases driving comfort, simplifies vehicle operation and contributes to an increase in traffic safety.
  • Coupling and / or the transmission synchronizer two electrical machines so an electrical double machine (claim 2).
  • the first electrical machine acts as a generator and the second as a motor, the electrical energy required to operate the motor being obtained essentially from the generator.
  • the mechanical rotary energy supplied by the drive is first converted into electrical current via a pair of relatively rotating electromagnetic active surfaces (stator and rotor of the first electrical machine) and then via a second pair of relative rotating electromagnetic active surfaces (stator and rotor of the second electrical machine) converted back into mechanical rotational energy, possibly at a different speed and with a different torque.
  • the amount of energy given off by the first machine can be greater or smaller than that taken up by the second.
  • the excess or deficit can, for example, be stored in an energy store or can be removed from such.
  • the design of the clutch as an electric double machine does require a certain amount of effort, but it allows relatively simple and, in particular, very diverse operating options. If the two electrical machines can be controlled independently, they can perform different additional functions simultaneously and independently. For example, during clutching or synchronization (caused by the second machine), the first machine can generate additional alternating torque to actively reduce rotational non-uniformity of the drive unit drive shaft.
  • the two machines are arranged coaxially and / or have one or more parts in common, such as a stand body and / or a housing (claim 3). This also facilitates the possibility to make the machines mechanically connectable with a lock-up clutch.
  • the clutch is formed by an electrical machine, that is to say a single machine, which has at least two rotatable electromagnetic active units, one of which can be coupled or coupled to a drive-side torque transmitter and the other to an output-side torque transmitter (Claim 4).
  • the torque transmitters are generally drive and output shafts, for example the drive shaft of the drive unit or a shaft coupled to it and the shaft leading from the electrical machine to the transmission.
  • the electromagnetic active units correspond to the rotor and the stator in the normal electric machine, but with the difference that here the stator can also be rotated in addition to the rotor.
  • the machine thus corresponds to a normal machine with rotor and stand, whereby the machine can be rotated as a whole in addition to the rotor rotation.
  • the machine which can be rotated as a whole, can generate positive and negative relative torques between the rotor and the (rotatable) stand.
  • the clutch slip can be influenced and various clutch effects can be achieved:
  • the electrical machine can be regulated, for example, in such a way that a relative torque is established between the rotor and the stator, which corresponds to the one currently transmitted in the drive train, so that the clutch slip disappears (clutch zero slip). Then the electrical machine transmits the speed and torque unchanged - in accordance with a closed mechanical clutch.
  • the electrical machine can also be regulated in such a way that the relative torque between the rotor and the stator disappears and a clutch slip occurs in accordance with the relative speed of the torque transmitters.
  • both negative clutch slip values can be set by generating a torque that drives the drive unit, and clutch slip values greater than one - by generating a braking torque that is opposite to the drive unit.
  • the mechanical turning energy supplied by the drive is passed on directly in the form of mechanical turning energy via a pair with adjustable slip of relatively rotating electromagnetic active surfaces. From mechanical to electrical energy or vice versa, only the excess or deficit component present due to slippage is converted, which can be stored in a memory for electrical energy or taken from it. If the excess energy and / or power exceeds the storage capacity - what e.g. can be the case when starting with a "loop" clutch - the energy can also be dissipated, e.g. in the form of heat (via heating resistors etc.).
  • the synchronization function - that is, acceleration or braking of the output-side torque transmitter with the gear removed - takes place in this embodiment with an electrical machine in support against the drive-side torque transmitter rotating at a variable speed. Whose current speed is are taken into account when determining the relative speed between the active elements that is necessary to achieve synchronism.
  • a disappearing clutch slip can be set in the electromagnetic clutch.
  • the electromagnetic clutch For example, in an asynchronous machine, this is achieved by means of a rotating field generated by one of the active units (for example, the rotatable stator), which rotates relative to the active unit and, due to the electromagnetic slip thus generated, exerts a torque on the other active unit, which exerts a torque on the current one
  • the amount of drive torque is the same, but is opposite in the direction, and thus causes the clutch slip to disappear.
  • no electromagnetic slip is required - here the rotating field in the case of coupling slip disappearing in the limit case changes into a static magnetic field - based on the active unit (e.g. the rotatable stand).
  • the torque transmitters which separate the electromagnetic clutch, can preferably be connected to a lock-up clutch, in particular a mechanical clutch (claim 5).
  • a lock-up clutch in particular a mechanical clutch (claim 5).
  • a positive clutch e.g. act a claw clutch.
  • the two rotors of the double machine or the two active units of the single machine can also be brought into frictional or positive engagement with one another by axial displacement.
  • a number of additional functions of the electrical machine are advantageously or even exclusively with achievable against rotation fixed stand.
  • the effect of at least one of its two electromagnetic active units can preferably be replaced by the effect of a non-rotatable active unit (claim 6).
  • the effects can be replaced if no clutch function is required, for example if the gear in the vehicle is removed (while stationary or during shifting) or if the lock-up clutch, if present, is closed.
  • the effect replacement takes place in that at least one of the rotatable active units, in particular the output side (i.e. the transmission side), can be fixed against rotation, in particular with the aid of a mechanical brake or clutch (claim 7).
  • the rotatable active unit is therefore not replaced by a fixed one, the various effects are rather caused by one and the same active unit, which is only fixed and released again.
  • the determination can be made directly or indirectly, for example by determining the associated torque transmitter. A determination on the output side - the i.a.
  • a second type of effect replacement opens up further functions in the driven state of the system, namely when operating with the lock-up clutch closed and while shifting.
  • the effects are replaced by the fact that at least one of the rotatable active units can be decoupled from its torque transmitter and can be fixed against rotation, in particular with the help of one or more mechanical couplings (claim 8).
  • the different effects are brought about by one and the same active unit, which is only fixed and decoupled from its torque transmitter and released again and coupled to its torque transmitter.
  • the difference to the first type resides in the fact that the definable active unit can be additionally decoupled from its torque transmitter.
  • this allows the active element to be fixed even when the associated torque transmitter is rotating, that is to say also when the system is in the drive state.
  • the mechanical couplings for fixing and uncoupling can advantageously be form-fitting, since the definable active unit can itself be brought to a standstill by the electrical machine after uncoupling, so that it can then be fixed by means of a form-fitting coupling. Correspondingly, it can be brought to its speed for coupling with the torque transmitter.
  • This second type opens up the function of actively reducing rotational irregularities of the (drive-side) drive shaft even in the drive state.
  • the third type of effect replacement corresponds to the second type in terms of the result.
  • the electromagnetic active unit to be replaced has a duplicate effect, namely as a rotatable and as a non-rotatable active unit.
  • the effects are replaced by the fact that the rotatable active unit is rendered ineffective by electromagnetic means and the non-rotatable is made effective, preferably by switching the supply with torque-generating or transmitting electrical energy from the rotatable to the non-rotatable active unit ).
  • a correspondingly switchable converter or inverter advantageously serves this purpose.
  • the coupling function of the electrical machine advantageously includes the functions of a starting clutch and / or clutch (claim 11).
  • a function as a starting clutch the electrical machine must be capable of high output, which necessitates a correspondingly large dimensioning of the entire system. It can also the excess energy when starting with large clutch slip assume quite large values.
  • the electrical machine as an overload clutch, i.e. that the function of the overload protection is achieved by the electrical machine.
  • the electrical machine acting as a clutch can be used for vibration damping.
  • the clutch can be adjusted so that it reduces the torque peaks, thereby achieving an effect that reduces the torque non-uniformity.
  • the electrical machine is dimensioned in such a way that it can start the drive unit directly (that is, from a standstill). Relatively large torques must be applied for this.
  • the electrical machine can serve as a flywheel starter with an electromagnetically coupled flywheel (claim 12). This enables starting even in cases where the electrical machine cannot apply the torque required for direct starting.
  • Part of the electrical machine itself for example its output-side active unit, is preferably used as the flywheel mass, together with the torque transmitter coupled to it. When the gear is released, it can be rotated up to high speeds by an electric motor in support against the inertia of the drive shaft and the compression of the internal combustion engine.
  • the electrical machine in the following, in the case of the double machine for the sake of simplification of language, "one of the electrical machines” or “the electrical machines” is also included.
  • the electrical machine is advantageously a rotating or traveling field machine (claim 13).
  • "Rotary field machine” - in contrast to a power inverter machine - is understood to mean a machine in which a magnetic rotating field (relative to the possibly rotatable stator) occurs. This can e.g. are an asynchronous or synchronous machine, in particular for three-phase current, or a machine with electronic commutation.
  • the magnetic field sweeps a full 360 ° rotation, in contrast, in a traveling field machine only one or more sections thereof.
  • the drive system preferably has at least one inverter for generating the voltages and / or currents of variable frequency, amplitude and / or phase required for the magnetic fields of the electrical machine (claim 14).
  • the inverter can generate the voltages and / or currents required for the magnetic fields (in particular rotating or traveling fields) with (within certain limits) freely selectable frequency, amplitude or phase or any combination of these quantities. He can advantageously use electronic switches with a predetermined DC or AC voltage or a predetermined voltage. given given direct or alternating current. All three variables - frequency, amplitude and phase - are particularly advantageously freely selectable.
  • An inverter has the advantage, among other things, of being able to operate the electrical machine with a high degree of variability in a wide variety of operating states, possibly also - as will be explained in more detail below - in an operation with rapidly alternating torque, possibly with superimposed additional torque.
  • the electrical machine advantageously fulfills the function of actively reducing rotational irregularities during or at different times from its clutch and / or synchronization function (claim 15).
  • the electromagnetic clutch function when the stand is not fixed, this is done by a clutch slip that varies with the rotational irregularities.
  • the electromagnetic clutch no longer allows rotational irregularities to pass through from the drive unit into the drive train, and thus acts as vibration isolation.
  • the stator is fixed, the rotational nonuniformity is reduced - as already explained above - by applying, in particular, opposing torques.
  • Proposals for devices for actively reducing rotational nonuniformity are disclosed in Patent Abstract of Japan, Volume 11, No.
  • the rotational nonuniformities can in particular be those which occur in an internal combustion engine, in particular a reciprocating piston engine with internal combustion, due to the gas and inertial forces of the individual reciprocating pistons acting on the drive shaft (ie in particular the crankshaft).
  • a four cylinder four-stroke engine relatively large rotational irregularities in the second order (ie twice the rotational frequency of the engine).
  • the electrical machine can be controlled in such a way that it either only counteracts rotational nonuniformities towards fast (so-called positive rotational nonuniformities) or slows down (so-called negative rotational nonuniformities).
  • an operating mode is particularly effective in which it counteracts both negative and positive rotational nonuniformities, preferably by generating a rapidly varying torque (so-called alternating torque), in particular an alternating torque (claim 16).
  • alternating torque alternating torque
  • this can be a clutch slip-increasing or braking torque
  • a clutch slip-reducing possibly to negative clutch slip values
  • the rapidly varying alternating torques can advantageously be superimposed on the constant or slowly varying torques (so-called direct torques), which are generated to achieve the clutch and / or the synchronization function ⁇ and, if appropriate, further functions with a driving or braking effect ( Claim 17).
  • the overlay is in particular additive.
  • a “rapid variation” is understood to mean a variation in the frequency range of the rotational irregularities to be reduced, i.e. with the second order rotational nonuniformity and at a speed of 3000 rpm, a variation with a frequency of 100 Hz. Relative to this, the constant torque generally varies more slowly.
  • the electrical machine according to the invention is preferably not a machine in the manner of an eddy current brake, in which likewise only heat loss would be generated, but rather a machine which works as a generator and converts the excess energy into electrical energy. This can advantageously be saved and reused. Only if the storage capacity is not sufficient (for example in the case of extreme vehicle acceleration with a slipping clutch), the excess energy must be heated. The energy generated by other braking functions can also advantageously be at least partially stored.
  • Such braking functions can be used, for example, for the electrical machine to perform a braking synchronization function, to act as a generator for power supply and / or (with a fixed stand) to brake the vehicle and / or as part of a drive slip. Regulation by braking reduces the slip of a drive wheel.
  • the machine can perform a further braking function in the context of the rapidly varying torque in order to reduce rotational irregularity.
  • the braking energy obtained as a generator when these braking functions are used can be stored (for example in an electrical store or in a flywheel store) and reused as drive energy for the electrical machine or fed into a network or for example the vehicle battery.
  • a driving torque can serve, for example, an accelerating synchronization function or (with a fixed stand) the drive unit when the vehicle is accelerating, for example in order to fill acceleration holes, for example in the case of a turbocharger engine, or can be used as part of the rapidly varying moments serve to reduce rotational nonuniformity (claim 18).
  • This recuperation of braking energy serves to achieve the highest possible overall efficiency of the drive system.
  • the heating of energy can advantageously take place via an electrical resistance, which can itself be air-cooled or can release its heat into an existing cooling system of a vehicle, for example the cooling circuit of an internal combustion engine.
  • the braking energy can be stored in particular by means of an electrical store and / or a mechanical store (flywheel store): a capacitance, inductance or a (fast) battery can serve as the electrical store .
  • the inverter (if present) is advantageously an intermediate circuit inverter, the intermediate circuit of which has at least one electrical storage device for braking energy or is coupled to at least one such.
  • the memory can either be used exclusively to store braking energy (in this case it would be switched, for example, in addition to an intermediate circuit memory that is usually present, which can supply the voltage or current pulses required in the inverter cycle mode), or it can only partially serve to store the braking energy, that is to say to store still other energy, for example that required for clocked operation (in the latter case, it could coincide with the usual intermediate circuit memory, for example). Otherwise, the configuration of the converter as an intermediate circuit converter can be advantageous in any case, for example even without intermediate storage of braking energy.
  • An “intermediate circuit” is understood to be a circuit which can essentially supply direct voltage or current, from which a downstream inverter part (the so-called machine inverter) can form variable alternating voltages or currents by pulsing or clocking .
  • This DC voltage or this DC current must be able to provide voltage or current pulses with extreme slope and at a high voltage or current level.
  • an intermediate circuit inverter comprises three modules, namely an input module for supply with or removal of electrical energy, an output module in the form of the machine inverter and the intermediate circuit in between.
  • the flywheel can preferably be electrically coupled to the system via a (further) electrical machine.
  • a (further) electrical machine This can e.g. are a rotating field or commutator machine controlled by its own power converter.
  • the first electrical machine and the flywheel machine work in push-pull: If the former acts as a brake, the second accelerates the flywheel or if the former acts as a drive, the second brakes the flywheel. Since relatively high energy densities can be stored with such a flywheel energy store, its use is particularly advantageous when starting clutch slip energy is to be stored.
  • the electrical machine for the coupling and / or synchronization function can - in addition to these functions and the possibly implemented active reduction of rotational nonuniformities - fulfill functions at the same time or at different times and thus conventionally additionally existing machines specialized therefor put.
  • it can also have the function of a direct starter and / or a generator for power supply, for example for charging a battery or supplying an electrical system (claim 19).
  • a direct starter can start the drive unit in one run from a standing start.
  • the electrical machine is preferably seated directly (ie gearlessly) on the drive shaft of the drive unit or on a shaft coupled to it.
  • the electrical machine acting as a direct starter is preferably designed such that it starts at least substantially until the idling speed of the drive unit is reached (which at operating temperature is usually between 600 and 800 rpm) is driving). These measures allow the internal combustion engine to start up under its own power only when it reaches its idling speed, which reduces fuel consumption, avoids particularly harmful emissions when starting and makes the starting process faster.
  • the electric machine can generate driving and / or braking torques for additional functions. For example, this can serve to accelerate a motor vehicle together with the drive unit.
  • the electrical machine can serve as a wear-free, possibly regenerative brake or additional brake.
  • ASR traction control system
  • the electrical machine can quickly reduce the total drive torque and thus the slip of one or more drive wheels by braking.
  • the drive wheel slip can also be reduced by increasing the clutch slip (in the case of a machine acting as an electromagnetic clutch). The braking energy gained in this way can be stored and reused.
  • the electrical machine To supply high-performance consumers, such as auxiliary machines (air conditioning machines, servo drives, pumps) and heaters), it is advantageous for the electrical machine to have current at a relatively high voltage level, preferably in the upper region of the low voltage, where just yet no special protection against contact must be supplied (e.g. about 60 V DC). If you go beyond this, a range of 250-450 volts is preferably selected.
  • the high-power consumers are advantageously driven (or heated) to this high voltage level electrically (instead of mechanically or by waste heat as before).
  • Such high voltage levels in particular in the case of an intermediate circuit inverter, can already be present in the intermediate circuit, and thus need not be generated especially for this additional purpose.
  • a conventional low-voltage electrical system (12 V or 24 V) can be used for low-power consumers. be provided.
  • the vehicle battery can be arranged in the region of the higher voltage level or, if applicable, the low-voltage electrical system.
  • the additional function of an active reduction of rotational nonuniformities is based - as mentioned above - on the fact that the electrical machine counteracts positive and / or negative rotational nonuniformities, i.e. e.g. acts to increase or slow the clutch slip in the case of positive rotational irregularities and / or to reduce or drive in the case of negative clutch slip.
  • the control of the electrical machine can be carried out by (feedback) control on the basis of a measurement of the current rotational non-uniformity or another variable coupled to it, or by (non-feedback) control on the basis of the expected rather than the actual one Rotational nonuniformity.
  • a prototype of an internal combustion engine as a function of the (crank) shaft angle and one or more operating parameters (for example speed and throttle valve position) to determine certain rotational nonuniformities as a function of the crankshaft angle currently present and the other operating parameters Read out from a map and control the electrical machine accordingly in order to counteract the expected rotational irregularity.
  • Mixed forms are also possible, e.g. an adaptive control, i.e. a control system with feedback, in which the measured information, however (unlike in the case of feedback control) does not have an instantaneous effect, but only in the event of later rotation irregularities.
  • the measurement of rotational irregularities can be a direct one, for example based on a measurement of the angular position or speed as a function of time, or an indirect one, for example by measuring the gas pressure in one or more engine cylinders and / or the instantaneous torque of the internal combustion engine, for example measured with the help a torque ment hub (with the mass forces to be taken into account as a further, essentially unchangeable source).
  • the electric rotating or traveling field machine of the drive system is preferably an asynchronous machine, a synchronous machine or a reluctance machine, in particular for three-phase current.
  • An asynchronous machine generally has a relatively simply constructed rotor (generally a rotor with short-circuit windings or windings, the ends of which are guided on slip rings).
  • synchronous machines have rotors with pronounced magnetic poles, e.g. Permanent magnets or electromagnets, e.g. can be supplied with electricity via slip rings.
  • Reluctance machines belong to the synchronous machines in the broader sense.
  • the control of the electrical machine is preferably carried out on the basis of a field-oriented control (so-called vector control).
  • vector control a field-oriented control
  • the stator current is converted into a torque-generating component that generates the torque with the rotor flow and a machine flow that runs perpendicular to it, using a mathematical dynamic machine model Generating component disassembled arithmetically and thus determines the torque.
  • the electrical machine together with the associated control device is an auxiliary system, e.g. arranged in the drive train of a motor vehicle instead of or in addition to the conventional clutch. Because of its auxiliary character, it should take up little space relative to the drive unit, so it should be as compact as possible.
  • the advantageous measures mentioned below serve - in addition to other advantageous purposes - such a compact structure.
  • the electrical machine has a fine pole pitch, in particular has at least one pole per 45 ° stator angle. In the case of a circularly closed (360 °) rotating field machine, this corresponds to a total of at least eight poles. Even finer pole pitches are particularly advantageous, corresponding, for example, to 10, 12, 14, 16 or more poles in the case of the circularly closed machine.
  • a fine pole pitch allows the winding heads of the stator to be made small, both in the axial and in the circumferential direction of the machine, so that the machine can be made shorter overall in the axial direction.
  • the stator back for the magnetic reflux can be made thinner (and thus also lighter), with the result that the rotor can have a larger diameter with the same outer diameter of the machine. Larger rotor diameters lead to greater torque due to the longer air gaps in the circumferential direction and the larger effective lever arm. All in all, a finer pole pitch leads to a more compact and lighter machine.
  • the shorter winding wire length - smaller winding heads require less non-active winding wire - the ohmic losses are lower.
  • the stray field which essentially determines the reactive power component depends on the winding head area, it is relatively small with a fine pole pitch.
  • a small stray field is particularly advantageous for reducing the rotational nonuniformity, since here - unlike in the case of a conventional electrical machine - there is a constant back and forth between motor and generator operation and the associated reverse polarity must be continuously applied to the reverse polarity.
  • pole change frequency is, for example, 120 Hz.
  • the electrical machine used in the context of the invention advantageously has a high maximum pole change frequency. preferably between 300 and 1600 Hz and more, particularly preferably between 400 Hz and 1500 Hz.
  • stator advantageously has thin stator plates, preferably with a thickness of 0.35 mm or less, particularly preferably 0.25 mm or less.
  • stator plates are preferably made of a material with low magnetic loss, in particular less than 1 watt / kg at 50 Hz and 1 Tesla.
  • the electrical machine advantageously has an internal fluid cooling with a cooling liquid, e.g. Oil on.
  • a cooling liquid e.g. Oil on.
  • a very effective cooling technique is to flood the inside of the machine with cooling fluid.
  • a disadvantage of this, however, is that turbulence losses occur above approximately 500 rpm, which can assume remarkable dimensions above approximately 2000 rpm.
  • the cooling fluid is advantageously supplied in a manner dependent on the line and / or speed, the fluid cooling preferably being a spray fluid cooling. The machine then only contains as much cooling fluid as is currently required to dissipate the power loss.
  • the compactness can be expressed quantitatively by the quantity "torque density”.
  • the electrical machine preferably has a high torque density - based on the maximum torque - which is particularly preferably greater than 0.01 Nm / cm 3 (claim 20).
  • Radial vibrations can often also occur on a drive shaft.
  • the system is preferably designed such that the electrical machine works strongly in the field of magnetic saturation.
  • a measure of the magnetic saturation is the current coating (at maximum torque) in the stator per cm of air gap length in the circumferential direction. This dimension is preferably at least 400-1000 A / cm, particularly preferably at least 500 A / cm.
  • Working intensively in the saturation area allows the machine to be designed with a relatively wide air gap. Changes in the air gap - as they occur with radial vibrations - have little effect due to the operation in the saturation range.
  • Such a compact electrical machine generally has a relatively low inductance.
  • the inverter advantageously works at least temporarily with a high clock frequency, in particular 10 kHz to 100 kHz and higher.
  • a high temporal resolution of the system for example, with a clock frequency of 20 kHz, a temporal resolution in the torque behavior of the electrical machine of 2 kHz can be achieved, with which one can effectively reduce a rotational irregularity at 200 Hz (200 Hz correspond, for example, to the fourth order at 3000 rpm).
  • a high clock frequency also has the advantage of allowing a compact design of the inverter itself, for example, intermediate circuit capacitors of smaller capacitance can be selected.
  • electronic switches of the inverter are liquid-cooled, preferably boiled bath-cooled.
  • a fluorocarbon for example, can be used as the boiling bath coolant.
  • the coolant evaporates at heat points and thereby removes its relatively high warm steam.
  • the steam rises and can, for example, condense in an external cooler and give off its heat of vaporization.
  • This cooling technology allows the electronic switches of the inverter to be arranged in the most compact manner without any heat sinks, with relatively small temperature differences (for example 2-10 ° C.) being sufficient to achieve high cooling output.
  • Another measure that is advantageous in terms of cooling technology is to connect a plurality of electronic switches of the inverter, in particular 2 to 20 and more, in parallel. The parallel connection leads to a distributed arrangement of the heat sources and thus a relatively low power loss density.
  • the inverter advantageously comprises semiconductor switches, preferably fast semiconductor switches, such as field effect transistors - particularly metal oxide semiconductor (MOS) field effect transistors, bipolar transistors and / or bipolar transistors with insulated gate connection (IGBTs).
  • Fast semiconductor switches are understood to mean, in particular, those which allow maximum clock frequencies of 10 to 100 kHz or more.
  • the inverter is advantageously a pulse inverter, i.e. it generates the voltages and / or currents required for the magnetic fields of the electrical machine by pulses, in particular on the basis of pulse width or pulse amplitude modulation, due to the machine inductance being converted into almost sinusoidal currents of arbitrarily adjustable frequency, amplitude and / or phase.
  • a mechanical clutch for example a non-positive lockup clutch or a frictional start-up clutch
  • the electrical machine in particular in its rotor
  • the rotor can be radio-controlled in its inner area. be without a function and thus be hollow for receiving the coupling. This measure makes it possible for the electrical machine, including the integrated mechanical clutch, to take up only as much or little more space in the axial direction than the starting clutch alone requires in a conventional motor vehicle.
  • the coupling fluid can also provide for the cooling of the electrical machine.
  • the clutch can be actuated mechanically, electrically, magnetically, electromagnetically, hydraulically, pneumatically or with mixed forms thereof.
  • the electrical machine or the shaft is advantageously equipped with one or more rotor position or shaft position sensors.
  • a rotary transformer (a so-called resolver), in particular a transformer with an angle-dependent transmission ratio, can be used to obtain the most accurate possible angular position information.
  • High-resolution encoders can also be used for this purpose, e.g. a combination of a high-resolution incremental encoder and a simple absolute encoder.
  • the electrical machine also serves as a drive slip control. Namely, it is designed in such a way that it can be used to reduce drive slip by reducing the drive torque (of the drive unit), in particular by braking action and / or - in the case of an electrical machine acting as a clutch - by clutch slip effect (claim 22 ).
  • the traction slip reduction generally only becomes active when a certain condition, for example exceeding a limit value of the traction slip or a limit value of the change in the traction slip over time, or a combination of such conditions, is met.
  • the invention is also directed to a method for operating a drive system, in particular for a motor vehicle, the drive system comprising a drive unit, in particular an internal combustion engine, coupling in the drive train of the drive system and / or active transmission synchronization with fewest of an electrical machine is carried out (claim 23).
  • the method can advantageously be carried out with a drive system according to one or more of the above-described configurations (claim 24).
  • claim 24 With regard to individual features and advantages of the method, reference is made to the above explanations of the system, which also refer entirely to the method in its various configurations.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrical double machine
  • FIG. 2 shows an illustration of a double machine according to FIG. 1 with a common stator body
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an electrical machine with rotatable electromagnetic active units
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of another electrical machine with rotatable electromagnetic active units
  • Fig. 5 is a schematic representation of another electrical machine with relatively rotatable elec tromagnetic active units and a fixed standing active unit;
  • FIG. 6 shows a schematic exemplary representation of the mode of operation of the system for actively reducing rotational irregularities
  • FIG. 7 shows an out-of-scale, schematic representation of an embodiment of the drive system
  • FIG. 8 shows a schematic sectional illustration of an electrical machine with a cutting plane perpendicular to the axial direction to illustrate various machine types which can be used in the system; 9 shows a schematic sectional illustration of an electrical machine with an integrated friction clutch with a cutting plane in the axial direction;
  • FIG. 10 shows a schematic circuit diagram of an inverter used in the system.
  • It comprises two electrical machines 4a, 4b, each with a rotationally fixed stand 8a, 8b and in each case one rotor 9a, 9b rotating with the input or output shaft.
  • the rotors 9a, 9b - and thus the input and output shaft - can be mechanically connected to one another with the aid of a mechanical lock-up clutch 60 - here a positive or frictional clutch.
  • This can preferably be operated in a controlled manner, e.g. mechanical, electrical, hydraulic or pneumatic.
  • the lock-up clutch 60 is not present.
  • FIG. 2 shows a double machine 4 corresponding to FIG. 1, in which the rotors 9a, 9b are arranged in a coaxial arrangement in a common stator body 59 which receives the two (electrically separated or separable) stands 8a, 8b and rotates, for example, in a rotationally fixed manner a crankcase 61 of the internal combustion engine 1 is attached.
  • the lock-up clutch (not shown here) can be realized, for example, in that the rotors 9a, 9b can be brought into positive or frictional engagement with one another by axial displacement. Alternatively, it can be formed, for example, by a friction or claw clutch integrated in the rotor 9a, 9b.
  • the double machine 4 of FIGS. 1 and 2 has, in addition to its function as an electromagnetic clutch, the functions of an active transmission synchronization device, an active rotational nonuniformity reducer, a direct starter for the internal combustion engine, a generator for supplying consumers with electrical energy, and a booster to support the internal combustion engine 1 when accelerating a motor vehicle, for example, and a generator brake to support vehicle brakes.
  • the electrical machine 4 also works within the framework of an ASR for reducing the drive wheel slip, which can be achieved by regulating the clutch slip in the electrical machine.
  • the clutch function in one embodiment is the function of a starting and shift clutch, in another embodiment only that of a shift clutch for changing gear.
  • the conventional mechanical or hydrodynamic clutch present in the drive train of the motor vehicle can be omitted.
  • it is present as a starting clutch in addition to the electromagnetic clutch 4. It is e.g. subsequently arranged in the output shaft 55 and can remain closed after the start-up - also during a gear change.
  • the lock-up clutch 60 is closed when the shafts 10, 55 are synchronized, in order to then eliminate the electromagnetic coupling losses, in the second embodiment also to transmit the high starting torque, and in other functions, such as reducing rotational irregularity and starting , larger due to coupled parallel operation of both machines 4a, 4b To have torques available. Since the lock-up clutch 60 is only engaged when the shaft is synchronized, it is advantageously designed as a form-fitting clutch (for example a hook clutch).
  • the electric double machine 4 has no coupling function, but (like in the first and second embodiment) it serves for active transmission synchronization by accelerating or braking the output shaft 55 in the period between shaft separation and connection, which is caused by a as a mechanical or hydrodynamic starting and shift clutch, e.g. is effected in the form of a friction clutch 60.
  • the electrical control of the machines 4a, 4b takes place independently of one another in the embodiments with a clutch function, here by means of two essentially independent inverters, in order to generate opposite torques (for example if the drive-side machine 4a acts as a generator and the output-side 4b works as a motor) ) and / - or of torques at different speeds (eg during starting and after changing gear).
  • a clutch function here by means of two essentially independent inverters, in order to generate opposite torques (for example if the drive-side machine 4a acts as a generator and the output-side 4b works as a motor) ) and / - or of torques at different speeds (eg during starting and after changing gear).
  • An inverter is sufficient here, which is suitable for controlling the various functions (synchronization, rotational nonuniformity reduction, starting, power generation, acceleration, braking) and can optionally be coupled to only one machine 4a or 4b or to both machines 4a, 4b is.
  • the optional connectivity allows on the one hand for some functions - for example for starting - to allow both machines 4a, 4b to generate torque together (when the lockup clutch 60 is closed), and on the other hand only to generate one torque for other functions (when the lockup clutch 60 is open) let - for example, the output-side machine 4b a braking moment to syn- Chronization or to brake to generate the vehicle.
  • Electrical energy which is generated by regenerative braking and clutch slip is stored, for example an electrical (for example capacitor), electrochemical (for example battery) or a kinetomechanical memory (for example flywheel storage), and reused. If the energy or output generated exceeds the storage capacity - which may be the case with the starting clutch function, for example, the excess energy is dissipated in the form of heat via heating resistors.
  • the rotor 9 is non-rotatably connected to the output shaft 55 and the stator 8 'is non-rotatably connected to the drive shaft 10 (in other embodiments, not shown, this assignment is reversed).
  • the electrical machine 4 can thus be rotated as a whole in addition to the rotor rotation; In view of its rotatability, the term “stand” should therefore only be understood in a figurative sense.
  • a fixed electrical machine for example a rotating field machine - to restrict the current supply to the fixed active element (ie the stator) and to produce currents in the rotatable active element (ie in the rotor) without power supply only by induction
  • both active elements can be rotated, at least one of them (here the stator 8 ') is supplied with current via rotatable electrical connections (for example via wipers / slip ring contacts not shown here).
  • the output shaft 55 can be fixed against rotation with a mechanical clutch, in this case a brake 62 supported against the vehicle chassis or the transmission housing.
  • the embodiment shown has no lock-up clutch, other (not shown)
  • guide forms are equipped with a frictional or non-positive lock-up clutch for the mechanical connection of the shafts 10, 55.
  • the machine 4 can be placed in or on the motor housing, transmission housing or anywhere else in the drive train 2.
  • synchronism of the shafts 10, 55 is achieved by adjusting the torque-generating magnetic fields of the machine 4 in such a way that there is an identical speed between the shafts 10 and 55, that is to say the clutch slip between stand 8 'and rotor 9 disappears exactly.
  • this is achieved, for example, by regulating or controlling the magnetic slip of a rotating field of suitable frequency and amplitude that rotates counter to the drive torque direction relative to the stator 8 '.
  • a positive lock-up clutch (not shown here) eliminates the electromagnetic losses when the clutch slip disappears.
  • the active transmission synchronization - which can also be implemented in the embodiment of the individual machine 4 without a clutch function - takes place here in support against the drive shaft 10 rotating with the variable speed of the internal combustion engine 1. The contribution of this rotation is in the determination and control of the for the respective synchronization necessary relative speed of the machine 4 takes into account.
  • a reduction in rotational irregularities of the drive shaft 10 can be counteracted when the vehicle is stationary the rotor 9 then fixed with the help of the brake 62 against rotation.
  • rotational irregularities of the drive shaft 10 can be isolated from the output shaft 55 by rapidly varying the transmitted torque, specifically by reducing it (ie by increasing the clutch slip) positive rotational nonuniformity and its enlargement (ie by reducing the clutch slip) with a negative one.
  • Additional acceleration or braking is possible when the lock-up clutch is not engaged by generating corresponding torques - or in other words - smaller or larger clutch slip.
  • the electrical machine 4 can be included in an ASR control in such a way that if the drive wheel slip is too great, the clutch slip is instantaneously increased and the torque applied to the drive wheels is thus reduced.
  • a generator function for power generation is achieved by permanently maintaining clutch slip.
  • the electric machine 4 can start the internal combustion engine 1 directly in support against the output shaft 55 defined by the brake 62.
  • it can serve as a wear-free flywheel starter using the electromagnetic clutch function.
  • the electric machine 4 first accelerates the then free-running rotor 9 together with the output shaft 55 in support against the drive shaft 10 and the compression of the combustion engine 1 which is not yet running to a relatively high speed, when the gear is not engaged and the brake 62 is released. e.g. at 2000 rpm.
  • the electrical machine 4 is reversed within a short time so that it has a braking moment, that is to say a frictional connection between the rotor 9 and the stator 8 '. manufactures.
  • the rotor 9 with the output shaft 55 and the stator 8 'with the drive shaft 10 are quickly brought to a common average speed (for example 800 rpm) and the internal combustion engine 1 is started.
  • FIG. 4 shows a further development of the electrical machine with rotatable active units according to FIG. 3.
  • the statements made there and in connection with FIGS. 1 and 2 are also valid here, insofar as this makes sense.
  • the machine 4 according to FIG. 4 has the advantage, with somewhat greater effort, of also allowing a reduction in rotational nonuniformities at its origin — that is to say on the drive shaft 10, and not only on the output shaft 55 — even in the drive state of the drive system, and also the generator function with a closed lock-up clutch - and thus with a higher degree of efficiency - and to enable synchronization with respect to a fixed reference element which does not rotate at variable speed, which simplifies its control.
  • stator 8 is no longer permanently coupled to the drive shaft 10, but can instead assume three different coupling states in a controllable manner: 1. coupled to the drive shaft 10 (as in FIG. 3);
  • Two additional mechanical clutches which can be frictional, but preferably form-fitting clutches, are used for this purpose: a motor clutch 63 which, when closed, couples the stator 8 'to the drive shaft 10 (coupling condition 1), and a setting Coupling 64, which locks it against rotation in the closed state, for example by coupling to the crankcase 61 (coupling state 3). Both are open for the coupling state 2; simultaneous closing is a messenger condition.
  • the clutches 63, 64 (which are only shown twice in FIG. 4 for reasons of rotational symmetry) and the lock-up clutch 60 can be actuated in a controlled manner, for example mechanically, electrically, hydraulically or pneumatically.
  • the electrical machine 4 and the couplings 60, 62, 63 are controlled by the various operating states and functions of the drive system according to the following procedures:
  • Lock-up clutch 60 is opened; ii. Runner 9 is brought to a standstill by electrical machine 4; iii. 1st gear is engaged (e.g. by operator); iv. Rotor 9 is accelerated electromagnetically with nominal starting torque, i.e. taken by stand 8 '; v. in the case of synchronism, lock-up clutch 60 is closed;
  • Switch i. Internal combustion engine drive torque is removed (if necessary with the support of the electrical machine) (e.g. by operator); ii. Lock-up clutch 60 is opened; iii. Gear is taken out (e.g. by operator); iv. Runner 9 is accelerated or braked to the new speed which fulfills the synchronization condition for the new gear to be engaged; v. this gear is engaged (e.g. by operator); vi. Lock-up clutch 60 is closed; vii. The internal combustion engine drive torque is released again (e.g. by the operator).
  • Locking clutch 64 is closed, so that there is a rigid connection between the stator 8 'and the crankcase of the internal combustion engine 1; iv. Alternating torque to reduce rotational irregularities of the drive shaft 10 is generated by the electrical machine 4.
  • Clutches 60, 63, 64 are only closed when the relative speed disappears.
  • the generator function and additional braking or driving torques - like the synchronization function and the reduction in rotational nonuniformity - are realized with the lock-up clutch 60 closed and the fixing clutch 64 closed by corresponding braking or driving moments of the electrical machine 4.
  • the function of the electrical machine 4 according to FIG. 5 largely corresponds to that shown in FIG. 4, so that the statements relating to FIGS. 4 and 1 to 3 also apply here, insofar as they do not relate to the deviations mentioned below.
  • An essential difference from the machine according to FIG. 4 is that the switch from "rotatable rotor” to "fixed rotor” is not carried out mechanically by opening and closing of couplings, but by electrical means.
  • Another difference is that in the machine 4 shown, the roles of the drive shaft 10 and the output shaft 55 are interchanged with respect to FIG. 4, which leads to slight - in more detail below - deviations in the mode of operation. In embodiments (not shown), the roles of the drive shaft 10 and the output shaft 55 correspond to those of FIG. 4; these embodiments do not show these deviations.
  • the (external) stator 8 'and the (internal) Rotor 9 is non-rotatably and cannot be uncoupled from the output shaft 55 or the drive shaft 10.
  • the machine 4 is equipped with a stand 8 which is fixed against rotation and which (for example) is supported against the crankcase 61. This is directly adjacent to the rotatable stator 8 ′, namely offset in the axial direction (for example) toward the internal combustion engine 1. It is arranged coaxially with the rotatable stand 8 'and has an inside diameter like that.
  • the windings of the two stands 8 ', 8 ⁇ are independent, so that they can be decoupled or decoupled in their magnetic field generation.
  • the rotor 9 is designed so wide that it extends in the axial direction essentially over the active surfaces of the two stands 8 ', 8.
  • a lock-up clutch 60 couples - as in FIG. 4 - the drive shaft 10 to the output shaft 50.
  • the rotor 9 is on the outside and the stands 8 ', 8 are on the inside.
  • a switchable supply unit here a suitably switchable inverter.
  • This supplies either the functions direct start, rotational nonuniformity, vehicle braking and acceleration ⁇ and the generator function the fixed stand 8 or for the functions electromagnetic clutch, synchronization and flywheel start the rotatable stand 8 'with the respective one required currents and voltages, whereby he can switch between these without inertia and without a noticeable time delay.
  • the “synchronization” function is controlled by generating torque between the rotatable stator 8 ′ and the rotor 9, which is more complex in terms of control technology because of the support against the variable-speed drive shaft 10.
  • the machine 4 5 the lock-up clutch 60, seen in the output direction, lies behind the electrical machine formed by the fixed stand 8 and the rotor 9, while in the machine 4 according to FIG. 4 it lies in front of the electrical machine with the stand fixed.
  • this functional difference from FIG. 4 does not exist.
  • the two stands 8, 8 ' are fed simultaneously and independently with the aid of two independent supply devices, here inverters.
  • This enables execution of the functions assigned to the fixed stand 8, e.g. the generator function and the rotational nonuniformity reduction also during the execution of functions associated with the rotatable stator 8 ', e.g. the electromagnetic clutch function.
  • a further (not shown) embodiment of the electrical machine with a rotor, a permanently fixed stand and a mechanical coupling between the drive unit and the electrical machine permits active transmission synchronization, but does not provide an electromagnetic coupling function.
  • 6a-c illustrate the function of the reduction in rotational nonuniformity and the superimposition of alternating and constant torque.
  • FIG. 6a shows (with a solid line) the speed n of a shaft as a function of the crankshaft angle ⁇ .
  • the shaft At an average speed (here 3000 revolutions per minute), the shaft periodically executes speed fluctuations towards lower and higher speeds, which overall have an essentially sinusoidal course in this idealized example.
  • the wave is for example, around the crankshaft of a four-cylinder four-stroke ⁇ t internal combustion engine of a motor vehicle, which, in the second order (ie at a frequency of 100 Hz), has a relatively large degree of rotational smoothness resulting from the gas and mass forces.
  • the angular interval required for one revolution of the shaft is also drawn in for illustration.
  • a shaft (not shown here) also has rotational irregularities of higher orders and those of a stochastic nature. Their course is generally not sinusoidal.
  • FIG. 6b illustrates the total torque Me as a function of the shaft angle ⁇ that is applied by an electrical machine coupled to the shaft with a fixed stand.
  • the course of the machine torque Me largely corresponds to that of the rotational non-uniformity and the motor torque Mv, but is directed in the opposite direction. That is, in the event of rotational nonuniformity towards higher speeds (so-called positive rotational nonuniformity), the electrical machine generates a torque which brakes the shaft (so-called negative torque), whereas in the case of rotational nonuniformity towards lower speeds (so-called negative rotational nonuniformity), it produces a driving torque Torque (so-called positive torque) is generated.
  • the magnitude of the torque Me is chosen so that the rotational non-uniformity - and the fluctuation of the torque Mv proportional to it - is significantly reduced or even practically disappears as a result of its effect, as illustrated by the broken line in FIG. 6a.
  • the negative and positive torque extremes are of equal magnitude.
  • the energy obtained in a braking phase is therefore essentially the same as the energy to be used in the following drive phase.
  • the energy flow to the outside is therefore zero, and braking energy is temporarily stored only in the interior of the system.
  • the system thus works as a pure rotational nonuniformity reducer with a rapidly varying torque, without generating an additional torque.
  • FIG. 6c An example of a modified mode of operation of the system with superimposed DC torque is shown in FIG. 6c:
  • the time course of the total torque Me corresponds to that of FIG. 6b, but it is global by a certain amount ⁇ Me (the so-called stroke) in the negative direction.
  • the stroke ⁇ Me will generally vary slowly, but in the short time frame of approximately one revolution period shown here, it is constant to a good approximation.
  • the stroke ⁇ Me here is smaller than the amplitude of the rapid variation of the torque, so that the total torque Me takes on positive and negative values alternately. Averaged over the fast torque variation, a constant torque - ⁇ Me is obtained. Mechanical energy is therefore removed from the internal combustion engine on average, which is largely converted into electrical energy and taken from the system.
  • the electrical machine therefore has, in addition to the function as a rotational nonuniformity reducer, the function of an electrical generator which can supply current, for example to compensate for the operating losses in the system, to charge the vehicle battery and / or to operate electrical consumers .
  • the electrical machine acts only as a brake and no longer as a drive, the amount of the braking effect varying in phase according to FIGS. 6b and 6c to the rotational nonuniformity.
  • Small and very large generator and coupling lines can be set simply by correspondingly setting the (software) control of the electrical machine - without any design (hardware) changes. Only the size of the electrical machine has a limiting effect. This means that one and the same machine type can be used, for example, for small and large motor vehicle types without constructive adaptation.
  • the global torque curve can also be shifted in the positive direction (positive stroke).
  • the electrical machine then works in addition to its function as a rotational nonuniformity reducer as a (driving) motor, e.g. in order to accelerate a gear element for the purpose of synchronization or to support the internal combustion engine in accelerating the vehicle.
  • the drive system shown in FIG. 7 of a motor vehicle for example a personal motor vehicle, has a combustion engine 1 as drive unit, which is, for example, a four-cylinder, four-stroke gasoline or diesel engine.
  • the torque generated by the internal combustion engine 1 can be transmitted to drive wheels 3 via a drive train 2.
  • an electrical machine 4 is initially arranged in the drive train 2 after the internal combustion engine 1 via a drive shaft 10 (here the crankshaft of the internal combustion engine 1).
  • This is followed by a gear 6 and an output shaft 55 an axle drive 7, which transmits the torque from the transmission 6 to the drive wheels 3.
  • the transmission 6 can be a manual transmission or an automatic transmission.
  • a further clutch (actuated by control) is arranged in the drive train 2 between the internal combustion engine 1 and the electrical machine 4 in order to prevent the internal combustion engine 1 from running when braking with the electrical machine 4.
  • the electrical machine 4 - here a three-phase traveling field machine in an asynchronous or synchronous design - corresponds to the machine shown in FIG. 5 with an electrically switchable double column. It comprises two outer stands 8, 8 'and an inner brushless rotor 9 which extends in the axial direction over the active surface of both stands 8, 8'.
  • the first, stand 8 on the drive side is supported in a rotationally fixed manner against the internal combustion engine 1, a (not shown) vehicle chassis or a (not shown) clutch housing, whereas the second stand 8 ′ on the drive side is connected in a rotationally fixed manner to the output shaft 55.
  • the rotor 9 sits directly on the drive shaft 10 or an extension thereof and is coupled to it in a rotationally fixed manner.
  • the drive shaft 10 and the rotor 9 as well as the output shaft and the rotatable stand 8 'thus rotate together, without the interposition of a gear.
  • the drive shaft 10 and the output shaft 55, which are separated between the rotor 9 and the rotatable stator 8 ′, can be coupled to a form-fitting lock-up clutch 60 integrated in the interior of the rotor 9, here a claw clutch that can be actuated in a controllable manner.
  • the electrical machine 4 fulfills several functions: on the one hand, it functions as an electromagnetic starting and shift clutch and as an active transmission synchronizing device, as has already been explained in connection with FIGS. 1-5, and thus replaces a conventional driving clutch and allows the use of an unsynchronized gear. In addition, it serves as a rotational nonuniformity reducer, as has already been explained in connection with FIG. 6. Furthermore, it functions as a generator for charging a vehicle battery 11 and for supplying electrical consumers and thus replaces an alternator which is conventionally present in the motor vehicle. The generator function can also serve to brake the vehicle or the internal combustion engine 1. In addition, the electrical machine 4 can function as an additional motor (“booster”), for example to assist the internal combustion engine in accelerating the vehicle.
  • boost additional motor
  • the electrical machine 4 is internally cooled by a spray liquid cooling 12. After passing through a cooler 13 and a pump 14, the cooling liquid - here a suitable oil - is sprayed onto the rotor 9, namely in the vicinity of its axis of rotation. Due to centrifugal force, it moves outward due to centrifugal force and cools rotor 9 and stator 8, 8 ', and then leaves a housing 15 of electrical machine 4 in order to re-enter cooler 13 in a closed circuit.
  • the coolant flow takes place depending on the loss of power and the speed by controlling the pump 14 in such a way that in each case there is essentially only a minimum amount of the cooling liquid required inside the housing 15.
  • a (not shown) expansion vessel allows this variation in the amount of coolant in the housing 15.
  • the electrical machine (or only the rotor) is in a clutch. Integrated and / or gearbox housing and is also cooled by a lubricating and / or cooling fluid (eg clutch or gear oil).
  • the electrical machine 4 is also equipped on the side of the drive shaft 10 with a rotary transformer 16 (so-called resolver), which preferably has more than 8 poles, here e.g. 12 poles. It consists of two adjacent printed circuit boards, one of which is fixed and the other rotates with the drive shaft 10. The printed circuit boards have windings formed by conductor tracks on their facing surfaces, so that there is a transformer transmission ratio dependent on the angle of rotation.
  • the rotary transformer 16 works according to the transponder principle: the fixed windings (fixed circuit board) are actively supplied with current / voltage and radiate electromagnetic energy towards the rotatable windings (rotatable circuit board). The latter radiate back part of this energy, this part depending on the angle of rotation-dependent transmission ratio of the angle of rotation.
  • the reflected part generates a signal dependent on the angle of rotation in the fixed windings.
  • An evaluation of this signal provides the instantaneous angle of rotation of the drive shaft 10 with an accuracy of at least 0.5 degrees.
  • an incremental encoder is used or a corresponding encoder is dispensed with entirely.
  • An inverter 17 delivers in a switchable manner either the fixed stator 8 or the rotatable stator 8 'or both sinus-weighted pulse-width-modulated voltage pulses in parallel at a very high clock frequency (for example 10-100 kHz) which, under the effect of the machine inductance, im result in essential sinusoidal three-phase currents, the amplitude, frequency and phase of which can be freely selected.
  • the inverter 17 is a voltage intermediate circuit inverter and comprises three assemblies: a direct voltage converter 18 (input module), which direct voltage from a low level (here 12 V) to a higher intermediate circuit level (here 60 V or 350 V) and converts in the opposite direction, an electrical intermediate circuit memory 19, here a capacitor or an arrangement of capacitors connected in parallel, and a machine inverter 21 (output module) which, from the intermediate circuit DC voltage, the (clocked) three-phase AC voltage of variable amplitude , Frequency and phase can generate or
  • the intermediate level lies at the upper edge of the low-voltage range, here 60 V, which is permissible without special protection against contact.
  • the three assemblies 18, 19, 20 of the inverter 17 are hermetically enclosed in a metallic housing 21, which is filled with a suitable evaporative coolant.
  • a suitable evaporative coolant e.g. a fluorocarbon which, at a suitable pressure (approximately between 50 mbar and 3 bar), has a suitable boiling point, e.g. at 60 ° C.
  • Evaporated evaporative coolant can condense in a condensation cooler 22 and return in liquid form in a closed circuit to the housing 21.
  • the housing 21 with the cooling circuit is hermetically sealed.
  • the DC voltage converter 18 is connected on the low voltage side to the vehicle battery 11 and various low voltage consumers 23, such as lighting and electronic devices.
  • the inverter 17 can on the one hand supply current at a low voltage level for charging the vehicle battery 11 and supply the low-voltage consumer 23, on the other hand it can supply the vehicle battery 11 with current at a low voltage level for starting remove the internal combustion engine 1.
  • the vehicle battery is at the intermediate circuit level and is directly coupled to the intermediate circuit.
  • the intermediate circuit store 19 is connected to an external additional store 24, which can be an electrical store, here an additional capacitance 25, and / or a flywheel store 26.
  • the additional memory 24 primarily has the task of temporarily storing the energy obtained during the reduction of the rotational smoothness in a braking phase and releasing it again for the subsequent driving phase. In addition, it also serves to store the energy which arises when starting (i.e. slip energy), when braking, and other braking processes mediated by the electric machine 4. This energy can e.g. can be reused for corresponding functions requiring energy. Finally, he can relieve the vehicle battery 11 during the starting process of the internal combustion engine 1 by only slowly extracting this energy and storing it in the additional memory 24. Here it is then available for quick removal during the start-up process.
  • the (inner) intermediate circuit memory 19 essentially has the task of supplying the machine inverter group 20 with voltage, ie quickly, with the high edge steepness required for the cycles.
  • it does not need a very high capacitance (it has, for example, 2 ⁇ F), advantageous for the speed, but rather low supply line inductances, which was ensured by the arrangement inside the inverter 17 (and preferably on the same board, on which also the electronic switches of the machine inverter 20 are arranged).
  • the additional memory 24, on the other hand can work relatively slowly, so that here the supply capacities do not interfere due to the external arrangement.
  • the additional capacity 25 can in particular be 50 to 10,000 times larger (here it is, for example, 4.7 mF for storing the rotational nonuniform energy) than that of the intermediate circuit memory 19.
  • flywheel memory 26 which here has its own inverter-controlled electrical machine 27 and a flywheel mass 28 coupled therewith.
  • the latter can be formed by a separate flywheel or integrated in the rotor of the electrical machine 27.
  • the mass moment of inertia of the flywheel 28 is preferably 0.05 to 2 kgm 2 . It is also possible to store a multiple of the energy required to start the internal combustion engine 1 in the flywheel memory 26 and to take the required starting energy quickly (ie in less than one second) from it for starting.
  • no separate additional memory 24 is provided.
  • the intermediate circuit memory 19 is dimensioned and, if necessary, is arranged outside the inverter 17 so that it can also take over the functions of the additional memory 24.
  • an electrical resistor 124 is provided for heating part or all of the differential power. It is electrically connected to the intermediate circuit via a control device (not shown). It is thermally coupled to the cooling circuit of the internal combustion engine 1.
  • the intermediate circuit with its high voltage level (here 350 V) supplies various high-power consumers, such as an air conditioning machine 29 and servo drives 30 with electrical ones Energy. While such high-performance consumers are conventionally driven by the internal combustion engine 1 by mechanical coupling, the high voltage level available here allows a purely electric drive which is more efficient in terms of efficiency.
  • a control device 31 determines which stator 8, 8 'is to be actuated and, at the appropriate time, specifies to the inverter 17, by correspondingly actuating its semiconductor switches, which amplitude, frequency and phase the alternating voltage to be generated by it should have.
  • the control device 31, which can be formed, for example, by an appropriately programmed microcomputer system, first determines the amount and the direction of the torque which the electrical machine 4 is to generate at a specific point in time. It can do this, for example, with the aid of stored characteristic map values which, for the various operating states for clutch processes, the target torque (or the target clutch slip) and for gearbox synchronization processes, the target speed, in each case as functions of time, represent.
  • the control device 31 can determine the amount and direction of the torque to be generated with the aid of a map control, by using the input information from the rotary transformer 16, the angular position of the drive shaft 10, the instantaneous average rotational speed and possibly further operating parameters, such as, for example receives the throttle valve position and determines the rotational irregularity that is currently to be expected as a function of these operating parameters from a stored map. Another possibility is to determine the rotational nonuniformity that is actually present, for example by calculating the instantaneous rotational speed on the basis of the information provided by the rotary transformer 16.
  • the setpoint torque can be determined on the basis of stored values which specify the setpoint curve of the speed or the torque of the electrical machine 4 during the starting process, possibly supplemented by a measurement of these quantities and a feedback control, which ensures compliance with the requirements.
  • the control device 31 determines which amplitude, frequency and phase of the voltage or the current must be provided by the inverter 17 so that the electrical machine 4 brings about this desired total torque.
  • this determination is based on a field-oriented control, which is based on a model calculation of the electrical machine 4 and as input information essentially the measurable electrical stator sizes (amplitude, frequency and phase of current and voltage) and the instantaneous one medium rotor speed used.
  • Inverter housing 21 shown arranged. In order to keep the supply inductances low and also at the
  • Participation in boiling bath cooling is, however, at other (not shown) embodiments arranged " inside the inverter housing 21.
  • the control device 31 shares various sensors serving to fulfill its control tasks or sensor information derived therefrom with an engine control unit 33 for controlling the internal combustion engine 1. around the rotary transformer 16 (angular position encoder), the gas pressure sensors 32, next to it (not shown) sensors for detecting the average speed, the state of charge of the internal combustion engine 1 (for example via the throttle valve position) and its torque (for example with the aid of a torque hub), and the Speed of the axle drive 7 and the gear ratio selected.
  • control device 31 communicates with a large number of further control devices: an energy consumption control device (not shown) indicates how much energy is required to charge the vehicle battery 11, to supply the low-voltage consumers 23 and the high-power consumers 29, 30, so that the control device 31 can initiate a corresponding global torque adjustment ⁇ Me (see FIG. 6c).
  • the engine control unit 33 specifies to the control device 31 whether the electric machine 4 should act in addition to its clutch and synchronization function and the vibration reduction function to accelerate or brake the vehicle, so that it can initiate a corresponding global torque shift ⁇ Me and if necessary, can temporarily switch off the rotational nonuniformity reduction function.
  • an ASR control unit 34 of the control device 31 when there is drive slip, specifies that the electrical machine 4 should temporarily increase the clutch slip or act as a regenerative brake, possibly before the ASR control unit brakes the affected person as a more massive measure if the drive slip remains Driving wheels caused by the wheel brake.
  • the ASR control unit transfers its slip information to the engine control unit 33 in order to also cause a reduction in the internal combustion engine torque.
  • the motor control device 33 also carries out an automatic start-stop control and specifies to the control device 31 whether the electric machine 4 should start the internal combustion engine 1.
  • the electrical machine 4 shown in more detail in FIG. 8 has an outside diameter of approximately 250 mm and a length in the axial direction of 55 mm and, with a weight of 10-15 kg, produces a continuous torque of approximately 50 Nm and a peak torque of approximately 150 Nm . It can reach speeds which correspond to the peak speeds of conventional internal combustion engines (approx. 6000 to 10000 rpm) and is speed-resistant to 14000 rpm.
  • the electrical machine 4 has an external stand 8 (only one stand is shown here for simplicity, the same applies to the other), which has grooves 35 in the direction of the drive shaft 10 (axial direction).
  • the stator 8 carries a three-phase winding 36 which is so designed that it forms twelve poles when subjected to a three-phase current.
  • grooves 35 there are three grooves 35 per pole, for a total of thirty-six grooves 35. (In other (not shown) embodiments, there is at least 6, preferably nine, slots for reducing the scattering effects per pole.)
  • the poles rotate in a circular motion in the stator 8 with the rotary current oscillation. For a certain point in time, its current position is illustrated by arrows which bear the reference symbols "S" (for south pole) and "N" (for north pole).
  • a back 37 which closes the grooves 35 to the outside is relatively thin in the radial direction, its thickness (at the location of a groove 35) is preferably 3-25 mm.
  • the stator 8 is made of thin stator sheets (the thickness here is 0.25 mm) made of a material with low magnetization losses (here less than 1 W / kg at 50 Hz and one Tesla), with sheet metal planes running perpendicular to the axial direction.
  • the internal rotor 9 is designed as a squirrel-cage rotor with cage bars running essentially in the axial direction, each of which is connected at the end face to a short-circuit ring 38.
  • the rotor 9 carries a corresponding number of poles as the stator 8 (here twelve poles), which can be formed by permanent magnets or appropriately excited coils.
  • the synchronous machine is also illustrated in FIG. 8, by schematically indicating the rotor poles (reference number 39) that are present in it.
  • the air gap 40 between the rotor 9 and the stator 8 is relatively large; its width is 0.25 to 2.5 mm, preferably 0.5 to 1.5 mm.
  • the rotor is on the outside and the stand is on the inside.
  • the electrical machine 4 has a synchronizing function, but no electromagnetic coupling function.
  • the stator 8 which is mounted in a rotationally fixed manner, for example on the motor or transmission housing, the rotor 9 is connected on its periphery on one side via a cage 54 projecting axially laterally to the drive shaft 10 of the internal combustion engine 1.
  • the rotor 9 is hollow on the inside and has essentially Chen the shape of a flat circular cylinder jacket.
  • the clutch 5 - here a multi-plate clutch (multi-surface friction disk clutch) - is arranged in the cavity.
  • the rotor 9 is internally toothed and the output shaft 55 is externally toothed in the region of the cavity.
  • a disk pack 56 In the space in between there is a disk pack 56, the disks 57 of which are alternately toothed internally and externally, so that alternately one disk with the rotor 9 (outer disk 57a) and the next disk with the output shaft 55 (inner disk 57b) are positively connected is. Without axial pressure, the outer and inner plates 57a, 57b can rotate practically freely against one another, the shafts 10, 55 are then uncoupled.
  • the outer and inner plates 57a, 57b are pressed together in the axial direction with the aid of a controllably actuatable pressure device (for example an angle lever), the resulting frictional forces create the frictional connection between the shafts 10, 55, so that this is from the Internal combustion engine 1 and the electric machine 4 transmits torque generated to the output shaft 55.
  • the frictional part (ie here the disk package 56) of the clutch 5 is located entirely in the rotor 9, so it does not protrude laterally in the axial direction.
  • the clutch 5 is designed as a wet clutch.
  • the coupling oil simultaneously serves to cool the electrical machine 4.
  • other switchable non-positive couplings are integrated, for example a single-plate coupling in dry or wet construction.
  • FIG. 9 shows a schematic circuit diagram of the inverter 17.
  • the intermediate circuit memory 19 can be seen in the form of a capacitance, which is the auxiliary memory 24 (not shown here) and the resistor 124 are connected in parallel.
  • the capacitance and the resistance symbolize, if necessary, parallel connections of several capacitors or resistors.
  • the machine inverter 20 is formed by three switch groups 42 connected in parallel (but independently switchable), each of the switch groups 42 being responsible for the generation of one of the three three-phase voltages.
  • Each of the switch groups 42 is a series connection of two (independently switchable) switches 43 between the positive and the negative pole of the intermediate circuit.
  • the series connection is connected in the middle (i.e. between the switches 43) to one side of one of the three windings 36a, 36b, 36c of the three-phase winding 36; on the other side, the three windings 36a, 36b, 36c are connected to one another.
  • a free-wheeling diode 44 is connected in parallel with the switches 43. It is polarized in such a way that it normally blocks and, only when the opposite switch is opened, allows a short-time flow of current generated in the opposite direction due to self-induction.
  • Each switch 43 symbolizes a parallel connection of several (e.g. five) MOS field-effect transistors which are controlled directly by the control device 31 to form a three-phase current of the desired amplitude, frequency and phase.
  • the DC voltage converter 18 comprises two subassemblies, namely one which can bring electrical energy from the low voltage level (12 V) to the high intermediate circuit voltage level (60 V or 350 V), and one others, which - conversely - can bring electrical energy from the high voltage level (60 V or 350 V) to the low voltage level (12 V).
  • the first-mentioned subassembly can be omitted.
  • the first subassembly is e.g. is a step-up converter 45.
  • This is formed by a series circuit of an inductor 46 connected to the positive pole of the vehicle battery 11 and a switch 47 connected to its negative pole and the negative pole of the intermediate circuit, this series circuit being centered via a step-up diode (polarized in the forward direction) 48 is connected to the positive pole of the intermediate circuit.
  • a switch 47 When the switch 47 is closed, a circuit current flows from the positive to the negative pole of the vehicle battery 11. After opening the switch 47, a self-induction voltage attempts to prevent this current from collapsing, with the result that the high intermediate circuit voltage level (60 V or 350 V) is exceeded and current flows through the (otherwise blocking) boost diode 48 and charges the intermediate circuit memory 19.
  • Switch 47 is a semiconductor switch which is controlled directly by control device 31.
  • the second sub-assembly is, for example, a voltage booster 49, which functions like a switched-mode power supply. It comprises two series circuits of switches 50 between the positive and negative poles of the intermediate circuit, each with parallel-connected freewheeling diodes 51. The ends of a primary winding of a high-frequency (HF) transformer 52 are each connected to the centers of these series circuits. The secondary winding of the HF transformer 52 feeds a rectification and smoothing unit 53, which in turn the vehicle battery 11 and possibly low voltage consumers 23 ⁇ peed.
  • the switches 50 symbolize semiconductor switches which are controlled directly by the control device 31.
  • a high-frequency alternating current can be generated which induces a corresponding alternating voltage at a lower voltage level in the secondary winding of the HF transformer 52, which is rectified and smoothed by the unit 53.
  • the exact value of the resulting DC voltage can be set precisely with the aid of switches 50 by varying the switching frequency.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Verbrennungsmotor (1); und wenigstens einer elektrischen Maschine (4), die als elektromagnetische Kupplung im Antriebsstrang (2) des Antriebssystems und/oder als aktive Getriebe-Synchronisiereinrichtung wirkt. Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems gerichtet.

Description

ANTRIEBSSYSTEM FÜR EIN KRAFTFAHRZEUG, MIT EINEM ANTRIEBSAGGREGAT UND EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE, UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN DESSELBEN.
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Herkömmlicherweise verwendet man in Antriebssystemen' von Kraftfahrzeugen reibschlüssige Kupplungen, welche ein An- fahren des Kraftfahrzeugs mit Drehmomentwandlung ("schlei¬ fende Kupplung") in der Anfahrphase ermöglichen. Ihre wei¬ tere Aufgabe besteht darin, einen Gangwechsel durch Trennen des Antriebsaggregats von einem Schaltgetriebe und an¬ schließendes Wiederverbinden mit einer durch Reibung be- wirkten Drehzahlanpassung von Antriebsaggregat und Getriebe zu erlauben. Ferner dienen sie als Überlastschutz und der Schwingungsdämpfung. Diese Reibkupplungen sind hochbean¬ spruchte Verschleißteile, die laufend überwacht und zum Teil nachgestellt werden müssen. Bei überdurchschnittlicher Beanspruchung, wie z.B. bei übermäßiger Benutzung im Stadt¬ verkehr oder bei belastender Fahrweise erreichen sie zum Teil nicht die Fahrzeuglebensdauer und müssen vorher er¬ setzt werden. Die Bedienung einer Reibkupplung ist insbe¬ sondere für Fahranfänger kompliziert. Selbst geübten Fah- rern gelingt nicht immer ein ruckfreies Anfahren und Schal¬ ten, was nicht nur eine Komforteinbuße, sondern auch eine besondere Belastung für das Antriebsaggregat und andere Teile des Antriebssystems darstellt. Ein (nicht immer "ver¬ meidbares) "Abwürgen" des Antriebsaggregats beim Anfahren stellt in Gefahrensituationen ein erhebliches Unfallrisiko dar.
Bekannt sind ferner hydrodynamische Kupplungen, zum Teil mit Wandlerfunktion. Diese erlauben im allgemeinen ein nahezu ruckfreies Anfahren und Schalten bei einfacher Be¬ dienung. Sie sind jedoch im Aufbau recht aufwendig. Ihre Steuerbarkeit ist begrenzt; z.B. ist eine völlige Wellen¬ trennung oft nicht erzielbar, so daß es im Leerlauf (in Fahrstellung/Stellung D) zur Schleichfahrt kommt. Zudem sind sie mit nicht unbeträchtlichen Verlusten behaftet.
Beim Schalten von einem Gang in einen anderen müssen mit¬ einander zu verbindende Getriebeteile zunächst auf Gleich¬ lauf (d.h. je nach Getriebeart auf gleiche Drehzahl oder gleiche Umfangsgeschwindigkeit) gebracht, d.h. synchroni¬ siert werden. Bei klauengeschalteten Getrieben - die zum Teil für schwere Nutzkraftfahrzeuge verwendet werden - geschieht dies vom Fahrer aus durch Doppelkuppeln (Hoch¬ schalten) oder Zwischengas (Rückschalten) , was ein hohes Fahrkönnen erfordert. Bei den meisten herkömmlichen Ge¬ trieben erfolgt die Synchronisierung mechanisch im Zuge der Schaltbewegung, und zwar durch Reibungsvorkupplung zur kraftschlüssigen Drehzahlangleichung, wobei durch eine Sperreinrichtung das formschlüssige Schalten des Ganges erst nach Abschluß des Synchronisierungsvorgangs ermöglicht wird. Zur Reibungsvorkupplung können z.B. Konusringe die- nen. Synchronisierte Getriebe sind konstruktiv und baulich aufwendig. Die Synchronisiereinrichtungen sind hochbean¬ sprucht und verschleißgefährdet. Die für die Synchronisie¬ rung erforderlichen Kräfte müssen vom Fahrer mit der Schaltbetätigung aufgebracht werden, was sich in einer relativ hohen Schaltkraft bemerkbar machen kann. Zudem dauert der Synchronisierungsvorgang eine gewisse Zeit, was der Schaltbetätigung i.a. einen zähen Charakter verleiht. Diese Eigenschaften der Schaltbetätigung tragen dazu bei, daß das Schalten selbst bei geübten Fahrern - auch wenn es bei ihnen keine bewußte Aktivität mehr erfordert - einen nicht vernachlässigbaren Teil der Aufmerksamkeit einnimmt, die eigentlich vollständig für das Verkehrsgeschehen zur Verfügung stehen sollte. Somit wirkt sich auch dies ins¬ gesamt nachteilig für die Verkehrssicherheit aus.
Zum Stand der Technik werden folgende Veröffentlichungen genannt: DE 904 737; US 2 654 849; DE 893 299; DE 1 077 072; DE 1 165 422; DE 874 713; DE 1 284 853; E. Blessmann: "Magnetic Couplings", Machine Design, Febr. 9, 1989, 105- 108; DE 2 345 018; DE 43 39 252 AI; DE 43 23 602 AI; DE 29 43 563 AI; DE 43 18 944 Cl; DE 37 37 192 AI; DE 35 37 994 AI; DE 41 34 268 AI; DE 43 30 193 AI; US 3 870 116; FR 2 481 656; DE 32 43 513 C2; DE 42 02 083 C2, DE 42 02 737 AI; DE 1 156 319; DE 43 44 053 AI; DE 30 48 972 C2; Patent Ab¬ stracts of Japan, M-359, Febr. 22, 1985, Vol. 9, No. 42 8 JP 59-184020; DE 33 38 548 AI; DE 44 08 719 AI; DE 938 680; DE 282 671; US 2 790 917.
Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, oben genannte An- triebssysteme weiterzuentwickeln.
Sie erreicht dieses Ziel durch ein Antriebssystem, insbe¬ sondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Verbren¬ nungsmotor; und - wenigstens einer elektrischen Maschine, die als elek- tromagnetische Kupplung im Antriebsstrang des An¬ triebssystems und/oder als aktive Getriebe-Synchroni¬ siereinrichtung wirkt (Anspruch 1) .
Eine "elektrische Maschine" ist jede Art von Maschine für Rotationsbewegungen, die als elektrischer Motor und/oder als elektrischer Generator betrieben werden kann. Vorzugsweise sitzt die elektrische Maschine - ähnlich einer Reibkupplung - unmittelbar auf den Wellen, deren Kopplung bzw. Trennung sie bewirkt.
Der Begriff "Kupplung" wird im Zusammenhang mit elektroma¬ gnetischer Kupplung in einem weiten Sinn verstanden: Er umfaßt die Bedeutung von "Kupplung" im engen Sinn, die ausschließlich der ungeänderten Übertragung von Drehzahl und Drehmoment dient (wie z.B. eine formschlüssige Kupp- lung), sowie von "Wandler", welcher eine Wandlung von Dreh¬ zahl und/oder Drehmoment erlaubt (wie z.B. eine reibschlüs¬ sige oder eine hydrodynamische Kupplung) .
Bei einer "elekromagnetischen Kupplung" erfolgt die Mo- mentübertragung über die Kupplung hinweg durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Kräfte. Es ist möglich, daß diese Art der Kraftübertragung nur zeitweise vorliegt. Zum Beispiel kann nach Erreichen gleicher Drehzahl der zu kuppelnden Wellen die Kraftübertragung von einer mechani- sehen Kupplung übernommen werden. Auch eine derartige kom¬ binierte Kupplung wird als "elektromagnetische Kupplung" bezeichnet.
Bei einer "aktiven Getriebesynchronisierung" erfolgt die zum Gleichlauf führende Beschleunigung oder Abbremsung eines der zu verbindenden Getriebeteile nicht passiv durch Vor-Kupplung mit dem anderen Getriebeteil. Vielmehr be¬ schleunigt oder bremst die elektrische Maschine das frei¬ laufende der beiden Getriebeteile beim Schalten aktiv in den Gleichlaufzustand, ohne daß hierfür eine Kopplung oder Vorkopplung mit dem anderen Getriebeteil erforderlich wäre. Mechanische Synchronisiereinrichtungen (Vorkupplung, Konus¬ ringe u.a.) können entfallen. Die erforderliche Gleichlauf¬ drehzahl kann z.B. bei Erfassung der momentanen Drehzahl der Getriebe-Abtriebswelle auf der Grundlage bekannter Übersetzungsverhältnisse der verschiedenen verbindbaren Getriebeteile schnellstens ermittelt werden, sobald bei der Schaltbetätigung durch Eintritt in eine bestimmte Schalt¬ gasse eindeutig erkennbar ist, welcher Gang eingelegt wer¬ den soll. Die Synchronierung kann in der Zeitspanne erfol¬ gen, die bis zum Erreichen des Endes des Schaltweges - wo die Verbindung der Getriebeteile erfolgt - zur Verfügung steht. Die Synchronisierung erfolgt also ohne Schaltkraft und ohne merkliche Verzögerung der Schaltbetätigung.
Besonders vorteilhaft vereint das Antriebssystem die Funk- tionen von elektromagnetischer Kupplung und aktiver Syn¬ chronisiereinrichtung. Beispielsweise bei einfacheren An¬ triebssystemen kann aber auch jede dieser Funktionen für εich genommen vorteilhaft sein.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem hat folgende Vorteile:
- die elektromagnetische Kupplung und/bzw. die aktive Synchronisiereinrichtung unterliegen keinem Verschleiß und keiner Wartung; die elektromagnetische Kupplung ermöglicht die genaue Einstellung beliebiger zu übertragender Momente, d.h.
Einstellung eines beliebigen Kupplungschlupfes und ist damit steuerungstechnisch anderen bekannten Kupplungen überlegen;
- auch die zeitliche Änderung des Kupplungsschlupfes ist beliebig steuerbar, wodurch ein völlig gleichmäßiger selbsttätiger Übergang von maximalem Schlupf zu ver¬ schwindendem Schlupf realisierbar ist;
- die Fahrzeugbedienung ist dadurch auch für ungeübte Fahrer einfacher, Anfahren und/oder Schalten erfolgt völlig ruckfrei, ein Abwürgen des Antriebsaggregats ist ausgeschlossen, was insgesamt einen Gewinn für die Verkehrssicherheit darstellt;
- bei aktiver Getriebe-Synchronisierung kann das Ge¬ triebe wesentlich einfacher konstruiert und ausgeführt sein;
- das Schalten kann mit geringerer Schaltkraft und ohne merkliche Zeitverzögerung erfolgen und überläßt dem Fahrer so mehr Aufmerksamkeit für das Verkehrsgesche¬ hen; ein Fading der Kupplung, d.h. eine Änderung ihrer physikalischen Eigenschaften infolge von Überhitzung kann vermieden werden. der bei herkömmlichen mechanischen Kupplungen übliche Momentensprung beim Übergang von Gleitreibung auf Haftreibung kann vermieden werden; dadurch entfällt ferner sog. "Kupplungsrupfen" bei periodischem Wechsel von Haft- und Gleitreibung; es kann ein Gewichtsvorteil (geringeres Gewicht) er¬ zielt werden, da gegenüber einer herkömmlichen mecha¬ nischen Kupplung die schwere Druckplatte entfällt; mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem können mit- tels Software unterschiedliche Kupplungskennlinien, d.h. Momentenverlauf während der Kupplungszeit, einge¬ stellt werden; insbesondere kann das Kuppeln auch automatisch erfolgen; die als Kupplung wirkende elektrische Maschine benö- tigt weniger Teile als eine herkömmliche mechanische
Kupplung; somit können Herstellungskosten reduziert werden;
- es ist eine Energierückgewinnung durch generatorisches
Bremsen der Wellen beim Schalten möglich; während bei einer herkömmlichen, mechanischen Kupplung die Abbrem¬ senergie in Wärme umgesetzt wird, ist bei der als Kupplung arbeitenden elektrischen Maschine die Abbrem¬ senergie in elektrische Energie umwandelbar.
Insgesamt erhöht das erfindungsgemäße Antriebssystem den Fahrkomfort, erleichtert die Fahrzeugbedienung und trägt zu einer Erhöhung der Verkehrssicherheit bei.
Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt das Antriebssystem für die Funktion der elektromagnetischen
Kupplung und/oder der Getriebe-Synchronisiereinrichtung zwei elektrische Maschinen, also eine elektrische Doppelma- schine (Anspruch 2) . Im Normalbetrieb - wenn das Antriebs¬ moment über den Antriebsstrang Drehmoment abgibt - fungiert die erste elektrische Maschine als Generator und die zweite als Motor, wobei die zum Betrieb des Motors benötigte elek- trische Energie im wesentlichen von dem Generator bezogen wird. Die vom Antrieb gelieferte mechanische Drehenergie wird also bei dieser Ausgestaltung zunächst über ein Paar relativdrehender elektromagnetischer Wirkflächen (Ständer und Läufer der ersten elektrischen Maschine) in elektri- sehen Strom verwandelt und dann über ein zweites Paar rela¬ tivdrehender elektromagnetischer Wirkflächen (Ständer und Läufer der zweiten elektrischen Maschine) wieder in mecha¬ nische Drehenergie, ggf. bei anderer Drehzahl und mit ande¬ rem Drehmoment zurückverwandelt. Die von der ersten Maschi- ne abgegebene Energiemenge kann größer oder kleiner als die von der zweiten aufgenommene sein. Der Überschuß bzw. Un¬ terschuß kann z.B. in einem Energiespeicher gespeichert bzw. aus einem solchen entnommen werden.
Die Ausgestaltung der Kupplung als elektrische Doppelma¬ schine erfordert zwar einen gewissen Aufwand, erlaubt dafür aber relativ einfach steuerbare und insbesondere sehr viel¬ fältige Betriebsmöglichkeiten. Falls die beiden elektri¬ schen Maschinen unabhängig steuerbar sind, können sie nämlich gleichzeitig und unabhängig verschiedene Zusatz¬ funktionen erfüllen. Zum Beispiel kann die erste Maschine während des Kuppeins oder des (durch die zweite Maschine bewirkten) Synchronisierens ein zusätzliches alternierendes Drehmoment zur aktiven Verringerung von Drehungleichför- migkeiten der Antriebsaggregat-Triebwelle erzeugen.
Besonders vorteilhaft zur Erzielung einer kompakten und einfach ausgebildeten Doppeleinheit sind die beiden Ma¬ schinen koaxial angeordnet und/oder haben ein oder mehrere Teile gemeinsam, wie einen Ständerkörper und/oder ein Ge¬ häuse (Anspruch 3) . Dies erleichtert auch die Möglichkeit, die Maschinen mit einer Uberbruckungskupplung zusätzlich mechanisch koppelbar zu machen.
Bei der anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kupp- lung durch eine elektrische Maschine, also eine Einzel- Maschine gebildet, welche wenigstens zwei drehbare elek¬ tromagnetische Wirkeinheiten aufweist, von denen eine mit einem antriebsseitigen Drehmomentübertrager und die andere mit einem abtriebsseitigen Drehmomentübertrager gekoppelt oder koppelbar ist (Anspruch 4) . Bei den Drehmomentüber¬ tragern handelt es sich i.a. um Antriebs- und Abtriebswel¬ le, etwa die Triebwelle des Antriebsaggregats oder eine mit ihr gekoppelte Welle und die von der elektrischen Maschine zum Getriebe führende Welle. Die elektromagnetischen Wirk- einheiten entsprechen Läufer und Ständer bei der normalen elektrischen Maschine, jedoch mit dem Unterschied, daß hier neben dem Läufer auch der Ständer drehbeweglich ist. Die Maschine entspricht also einer normalen Maschine mit Läufer und Ständer, wobei die Maschine zusätzlich zur Läuferrota- tion als Ganzes drehbar ist. Die als Ganzes drehbare Ma¬ schine kann zwischen Läufer und (drehbaren) Ständer posi¬ tive und negative Relativdrehmomente erzeugen. Auf diese Weise kann der Kupplungsschupf beeinflußt und verschiedene Kupplungswirkungen erzielt werden: Die elektrische Maschine kann beispielsweise derart geregelt werden, daß sich ein Relativdrehmoment zwischen Läufer und Ständer einstellt, welches dem momentan im Antriebsstrang übertragenen ent¬ spricht, so daß der Kupplungsschlupf verschwindet (Kupp¬ lungsschlupf Null) . Dann überträgt die elektrische Maschine Drehzahl und Drehmoment ungeändert - entsprechend einer ge¬ schlossenen mechanischen Kupplung. Die elektrische Maschine kann aber auch derart geregelt werden, daß das Relativdreh¬ moment zwischen Läufer und Ständer verschwindet und sich ein Kupplungsschlupf entsprechend der Relativdrehzahl der Drehmomentübertrager einstellt. Auf diese Weise erzielt man deren vollständige Trennung ohne Drehmomentübertragung - entsprechend etwa einer vollständig geöffneten mechanischen Kupplung. Kupplungsschlupfwerte, die zwischen diesen beiden Werten liegen, sind durch entsprechende Aussteuerung der elektrischen Maschine ebenfalls erreichbar. Darüber hinaus erschließt die elektrische Maschine vorteilhaft auch Dreh- moment-Übertragungsbereiche jenseits dieses durch eine übliche Reibkupplung erschlossenen Bereichs: Durch geeigne¬ te Aussteuerung der elektrischen Maschine können Drehmomen¬ te aufgeschaltet werden, d.h. Drehmoment in und entgegen der Drehrichtung der Drehmomentübertrager aufgeschaltet werden. Somit können sowohl negative Kupplungsschlupfwerte durch Erzeugen eines zusätzlich zum Antriebsaggregat an¬ treibenden Drehmoments, als auch Kupplungsschlupfwerte größer als eins - durch Erzeugen eines dem Antreibsaggregat entgegengerichteten bremsenden Drehmoments - eingestellt werden.
Die vom Antrieb gelieferte mechanische Drehenergie wird also bei dieser anderen Ausgestaltung über ein Paar mit einstellbarem Schlupf relativdrehender elektromagnetischer Wirkflächen direkt in Form mechanischer Drehenergie wei¬ tergegeben. Aus mechanischer in elektrische Energie oder umgekehrt wird hierbei nur der aufgrund von Schlupf vor¬ liegende Überschuß- bzw. Unterschußanteil verwandelt, der in einem Speicher für elektrische Energie gespeichert bzw. aus einem solchen entnommen werden kann. Falls die Über¬ schußenergie und/oder -leistung das Speicheraufnahmever¬ mögen übersteigt - was z.B. beim Anfahren mit "schleifen¬ der" Kupplung der Fall sein kann - kann die Energie auch dissipiert werden, z.B. in Form von Wärme (über Heizwider- stände etc. ) .
Die Synchronisierfunktion - also Beschleunigen oder Abbrem¬ sen des abtriebsseitigen Drehmomentübertragers bei heraus¬ genommenem Gang - erfolgt bei dieser Ausgestaltung mit einer elektrischen Maschine in Abstützung gegen den mit veränderlicher Drehzahl drehenden antriebsseitigen Drehmo¬ mentübertrager. Dessen momentan vorliegende Drehzahl wird bei der Ermittlung der zum Erreichen des Gleichlaufs nöti¬ gen Relativdrehzahl zwischen den Wirkelementen berücksich¬ tigt.
Bei der elektromagnetischen Kupplung ist - im Gegensatz zur hydrodynamischen Kupplung - ein verschwindender Kupplungs¬ schlupf einstellbar. Beispielsweise erzielt man dies bei einer Asynchronmaschine durch ein von einer der Wirkein¬ heiten (z.B. vom drehbaren Ständer) erzeugtes Drehfeld, welches sich relativ zur Wirkeinheit dreht und durch den so erzeugten elektromagnetischen Schlupf auf die andere Wirk¬ einheit ein Drehmoment ausübt, das dem momentanen Antriebs¬ moment betragsmäßig gleicht, aber in der Richtung entgegen¬ gesetzt ist, und so ein Verschwinden des Kupplungsschlupfeε bewirkt. Bei einer Synchronmaschine iεt kein elektromagne¬ tischer Schlupf erforderlich - hier geht das Drehfeld im Grenzfall verschwindenden Kupplungsschlupfes in ein stati¬ sches magnetisches Feld - bezogen auf die Wirkeinheit (z.B. den drehbaren Ständer) - über. Man muß zum Verschwindenlas- sen des Kupplungsschlupfes eine gewisse Energie aufwenden, und zwar z.B. Beispiel zur Erzeugung des Drehfelds mit elektromagnetischem Schlupf bzw. des statischen Feldes. Um diese Verlustenergie zu minimieren, sind die Drehmoment¬ übertrager, welche die elektromagnetische Kupplung trennt, vorzugsweise mit einer Uberbruckungskupplung, insbesondere einer mechanischen Kupplung, verbindbar (Anspruch 5) . Hier¬ bei kann es sich z.B. um eine reibschlüssige oder - da ihr Einkuppeln durch entsprechende Steuerung immer bei ver¬ schwindendem Kupplungsschlupf möglich ist - vorteilhaft um eine formschlüssige Kupplung, z.B. eine Klauenkupplung handeln. Statt eine gesonderte Kupplung vorzusehen, können auch die beiden Läufer der Doppelmaschine bzw. die beiden Wirkeinheiten der Einzelmaschine durch Axialverschiebung miteinander in Reib- oder Formschluß bringbar sein.
Eine Reihe von Zusatzfunktionen der elektrischen Maschine sind in vorteilhafter Weise oder sogar ausschließlich mit gegen Drehung festgelegtem Ständer erzielbar. Um einige oder alle dieser Zusatzfunktionen auch mit der drehbaren Einzelmaschine zu erschließen, ist vorzugsweise die Wirkung wenigstens einer ihrer beiden elektromagnetischen Wirkein heiten durch die Wirkung einer nicht-drehbaren Wirkeinheit ersetzbar (Anspruch 6) . Die Wirkungsersetzung kann erfol¬ gen, wenn keine Kupplungsfunktion benötigt wird, also etwa wenn bei dem Fahrzeug der Gang herausgenommen ist (im Stand oder während des Schaltens) oder wenn die ggf. vorhandene Uberbruckungskupplung geschlossen ist. Für die Art und Weise, wie diese Wirkungsersetzung erfolgt, gibt es ver¬ schiedene vorteilhafte Möglichkeiten:
Bei einer ersten, sehr einfachen Möglichkeit erfolgt die Wirkungsersetzung dadurch, daß wenigstens eine der dreh¬ baren Wirkeinheiten, insbesondere die abtriebsseitige (d.h. die getriebeseitige) , gegen Drehung festlegbar ist, ins¬ besondere mit Hilfe einer mechanischen Bremse oder Kupplung (Anspruch 7) . Es wird also nicht etwa die drehbare Wirk- einheit durch eine feststehende ersetzt, die verschiedenen Wirkungen werden vielmehr von ein- und derselben Wirkein¬ heit hervorgerufen, die nur festgelegt und wieder freigege¬ ben wird. Die Festlegung kann unmittelbar oder mittelbar, etwa durch Festlegung des zugehörigen Drehmomentübertragers erfolgen. Eine abtriebsseitige Festlegung - die i.a. nur bei herausgenommenem Gang (insbesondere im Stand des Fahr¬ zeugs) durchführbar ist - erschließt zwei Funktionen, näm¬ lich einerseits eine aktive Verringerung von Drehungleich¬ förmigkeiten der (antriebsseitigen) Triebwelle durch Auf- bringen eines schnell alternierenden Wechseldrehmoments, das z.B. im wesentlichen gegenphasig zu Drehungleichförmig¬ keiten des Antriebsaggregats erzeugt wird sowie anderer¬ seits ein Starten des Antriebsaggregats im Zusammenlauf aus dem Stand (sog. Direkt-Starten) .
Eine zweite Art der Wirkungsersetzung erschließt weitere Funktionen im angetriebenen Zustand des Systems, und zwar bei Betrieb mit geschlossener Uberbruckungskupplung und während des Schaltens. Die Wirkungsersetzung erfolgt da¬ durch, daß wenigstens eine der drehbaren Wirkeinheiten von ihrem Drehmomentübertrager abkoppelbar ist und gegen Dre- hung festlegbar ist, insbesondere mit Hilfe einer oder mehrerer mechanischer Kupplungen (Anspruch 8) . Auch hier werden die verschiedenen Wirkungen von ein- und derselben Wirkeinheit hervorgerufen, die nur festgelegt und von ihrem Drehmomentübertrager entkoppelt und wieder freigegeben und mit ihrem Drehmomentübertrager gekoppelt wird. Der Unter¬ schied zur ersten Art besteht in der zusätzlichen Abkoppel- barkeit der festlegbaren Wirkeinheit von ihrem Drehmoment¬ übertrager. Dies erlaubt - im Gegensatz zur ersten Art - die Festlegung des Wirkelements auch bei drehendem zugehö- rigen Drehmomentübertrager, also auch im Antriebszustand des Systems. Die mechanischen Kupplungen zum Festlegen und Abkoppeln können vorteilhaft formschlüssig sein, da die festlegbare Wirkeinheit nach dem Abkoppeln durch die elek¬ trische Maschine selbst zum Stillstand gebracht werden kann, so daß dann ihre Festlegung durch eine formschlüssige Kupplung möglich ist. Entsprechend kann sie zum Koppeln mit dem Drehmomentübertrager auf dessen Drehzahl gebracht wer¬ den. Diese zweite Art erschließt die Funktion einer aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten der (antriebε- seitigen) Triebwelle auch im Antriebszustand. Sie erlaubt ferner die Synchronisierfunktion in Abstützung gegen das festgelegte Wirkelement auszuführen, was steuerungstech¬ nisch einfacher als der o.g. Fall einer Abstützung gegen den mit veränderlicher Drehzahl drehenden antriebsseitigen Drehmomentübertrager. Eine Voraussetzung für letzteres ist jedoch, daß die Uberbruckungskupplung (oder eine andere zusätzliche Kupplung) so angeordnet ist, daß sie eine Tren¬ nung des drehbar verbliebenen Wirkelements vom Antriebε- aggregat erlaubt.
Die dritte Art der Wirkungsersetzung entspricht der zweiten Art vom Ergebnis her. Im Unterschied zu jener ist jedoch bei ihr die in ihrer Wirkung zu ersetzende elektromagneti¬ sche Wirkeinheit doppelt vorhanden, und zwar als drehbare und als nicht-drehbare Wirkeinheit. Die Wirkungsersetzung erfolgt dadurch, daß die drehbare Wirkeinheit elektroma- gnetisch unwirksam und die nicht-drehbare wirksam gemacht wird, vorzugsweise indem die Speisung mit drehmomenterzeu¬ gender bzw. -übertragender elektrischer Energie von der drehbaren auf die nicht-drehbare Wirkeinheit umgeschaltet wird (Anspruch 9) . Vorteilhaft dient hierzu ein entspre- chend umschaltbarer Stromrichter bzw. Wechselrichter.
Falls man bei dieser Maschine die zusätzlich zur (ersten) drehbaren Wirkeinheit vorhandene festliegende Wirkeinheit so ansteuert, daß sie gleichzeitig mit jener Wirkeinheit eine ihr gegenüber eigenständige Wirkung auf die andere (zweite) drehbare Wirkeinheit ausüben kann, erhält man eine Maschine mit weitergehenden Funktionsmöglichkeiten. Vor¬ teilhaft erzielt man diese Ansteuerung, indem die erste drehbare und die nicht-drehbare Wirkeinheit eigenständig mit drehmomenterzeugender bzw. -übertragender elektriεcher Energie gespeist werden, z.B. durch zwei im wesentlichen unabhängige Stromrichter bzw. Wechselrichter (Anspruch 10) . Mit dieser Ausgestaltung ist es insbeεondere möglich, auch während die elektromagnetische Kupplungsfunktion aktiviert ist (z.B. bei offener oder nicht vorhandener Uberbruckungs¬ kupplung) , Drehungleichförmigkeiten des antriebsseitigen Drehmomentübertragers aktiv zu verringern. Eine Vorausset¬ zung für die Zusatzfunktion ist, daß die zweite drehbare Wirkeinheit mit dem antriebsεeitigen Drehmomentübertrager gekoppelt ist.
Vorteilhaft umfaßt die Kupplungsfunktion der elektrische(n) Maschine(n) die Funktionen einer Anfahrkupplung und/oder Schaltkupplung (Anspruch 11) . Bei einer Funktion als An- fahrkupplung muß die elektriεche Maschine hohe Leistung aufbringen können, was eine entsprechende große Dimensio¬ nierung des gesamten Systems erforderlich macht. Zudem kann der Energieüberschuß beim Anfahren mit großem Kupplungs¬ schlupf recht große Werte annehmen. Bei kleiner dimensio¬ nierten elektrische Maschinen und ggf. nicht ausreichender Energiespeichermöglichkeit kann es daher vorteilhaft sein, die elektromagnetische Kupplungsfunktion auf die Schalt¬ funktion zu beschränken und die Anfahrkupplungsfunktion - bei überbrückter elektromagnetischer Kupplung - einer zu¬ sätzlich vorhandenen reibschlüssigen oder hydrodynamischen Kupplung zu überlassen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrische Maschine als Überlastkupplung zu verwenden, d.h. daß auch die Funktion des Überlastschutzeε von der elektrischen Maschine erzielt wird. Ferner kann die als Kupplung wirken- de elektrische Maschine zur Schwingungsdämpfung verwendet werden. Dabei kann die Kupplung so eingestellt werden, daß sie die Drehmomentspitzen abnimmt und dadurch eine die Drehmoment-Ungleichförmigkeit verringernde Wirkung erzielt wird.
Grundsätzlich ist die elektrische Maschine so dimensio¬ niert, daß sie das Antriebsaggregat direkt starten kann (d.h. im Zusammenlauf aus dem Stand) . Hierfür müssen rela¬ tiv große Drehmomente aufgebracht werden. Als Alternative für den Fall kleinerer gelieferter Drehmomente kann die elektrischen Maschine als Schwungmassen-Starter mit elek¬ tromagnetisch kuppelbarer Schwungmasse dienen (Anspruch 12) . Dies ermöglicht ein Starten auch in Fällen, in denen die elektrische Maschine das nötige Drehmoment für ein Direkt-Starten nicht aufbringen kann. Als Schwungmasse dient vorzugsweise ein Teil der elektrischen Maschine selbst, z.B. deren abtriebsseitige Wirkeinheit, zusammen mit dem daran gekoppelten Drehmomentübertrager. Bei freige¬ schaltetem Gang läßt sich diese in Abstützung gegen die Massenträgheit der Triebwelle und die Kompresεion deε Ver¬ brennungsmotors elektromotorisch auf hohe Drehzahlen hoch¬ drehen. Durch elektromagnetisches Einkuppeln mit Hilfe der elektrischen Maschine selbst wird die Schwungmasεe εchnell abgebremst und dadurch die Triebwelle derart beschleunigt, daß der Verbrennungsmotor startet. Vorteil gegenüber be¬ kannten Schwungrad-Startern mit mechanischer Einkopplung des Schwungrads (siehe z.B. das Buch D. Henneberger "Elek¬ trische Motorausrüstung" , Braunschweig 1990, Seiten 98-103) ist die Vermeidung von Kupplungsverschleiß und die genaue Steuerbarkeit des Einkupplungsvorgangε.
Wenn im folgenden von "der elektrischen Maschine" gespro¬ chen wird, ist hiermit im Fall der Doppelmaεchine zweckε sprachlicher Vereinfachung "eine der elektrischen Maschi¬ nen" oder "die elektrischen Maschinen" mit umfaßt.
Vorteilhaft ist die elektrische Maschine eine Dreh- oder Wanderfeldmaschine (Anspruch 13) . Unter "Drehfeldmaschine" wird - im Gegensatz zu einer Stromwendermaschine - eine Maschine verstanden, in der ein magnetisches Drehfeld (re¬ lativ zum ggf. drehbaren Ständer) auftritt. Hierbei kann es sich z.B. um eine Asynchron- oder Synchronmaschine, inε- besondere für Dreiphasenstrom, oder um eine Maschine mit elektronischer Kommutierung handeln. Bei einer Drehfeldma¬ schine überstreicht daε magnetiεche Feld einen vollen 360°- Grad-Umlauf, bei einer Wanderfeldmaschine hingegen nur einen oder mehrere Ausschnitte hiervon.
Das Antriebssystem weist vorzugsweise wenigstenε einen Wechselrichter zum Erzeugen der für die magnetischen Felder der elektrischen Maschine benötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase auf (Anspruch 14) . Der Wechselrichter kann die für die magneti¬ schen Felder (insb. Dreh- bzw. Wanderfelder) benötigten Spannungen und/oder Ströme mit (innerhalb gewiεεer Grenzen) frei wählbarer Frequenz, Amplitude oder Phaεe oder beliebi- ger Kombinationen dieεer Größen erzeugen. Er kann dieε vorteilhaft mit Hilfe elektroniεcher Schalter auε einer vorgegebenen Gleich- oder Wechεelεpannung oder einem vor- gegebenen Gleich- oder Wechselεtrom tun. Besonderε vorteil¬ haft sind alle drei Größen - Frequenz, Amplitude und Phase - frei wählbar. Ein Wechselrichter hat u.a. den Vorteil, die elektrische Maschine mit hoher Variabilität bei unter- schiedlichsten Betriebszustanden, ggf. - wie unten noch näher erläutert wird - auch in einem Betrieb mit schnell alternierenden Drehmoment, ggf. mit überlagertem Zusatz- Drehmoment betreiben zu können.
Vorteilhaft erfüllt die elektrische Maschine während oder zeitlich versetzt zu ihrer Kupplungs- und/oder Synchroni- sierungsfunktion die Funktion einer aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten (Anspruch 15) . Während der elektromagnetischen Kupplungsfunktion bei nicht festgeleg- tem Ständer erfolgt dies durch einen mit den Drehungleich¬ förmigkeiten variierenden Kupplungsεchlupf. Als Folge läßt die elektromagnetische Kupplung Drehungleichförmigkeiten nicht mehr vom Antriebsaggregat in den Antriebsstrang durchtreten, wirkt also als Schwingungsisolierung. Bei festgelegtem Ständer erfolgt die Drehungleichförmigkeits- Verringerung - wie oben bereits ausgeführt wurde - durch Aufbringen von insbeεondere gegenphaεigen Drehmomenten. Vorschläge für Vorrichtungen zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten offenbaren Patent Abstractε of Japan, Band 11, Nr. 28 (M-557) , 27. Januar 1987 & JP-A-61 200 333, Patent Abstracts of Japan, Band 4, Nr. 29 (M-002), 14. März 1980 & JP-A-55 005 454, EP-B-0 427 568, DE-A-32 30 607, EP-B-0 175 952, Patent Abstracts of Japan, Band 7, Nr. 240 (M-251) , 25. Oktober 1983 & JP-A-58 126 434 und DE-A-41 00 937.
Bei den Drehungleichförmigkeiten kann es sich insbesondere um solche handeln, die bei einem Verbrennungsmotor, ins¬ besondere einem Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung, durch die auf die Triebwelle (d.h. insbeεondere die Kur¬ belwelle) wirkenden Gas- und Massenkräfte der einzelnen Hubkolben auftreten. Beispielsweise treten bei einem Vier- zylinder-Viertaktmotor relativ große Drehungleichförmig¬ keiten in der zweiten Ordnung (d.h. dem zweifachen der Drehfrequenz des Motors) auf.
Grundsätzlich kann die die elektrische Maschine so gesteu¬ ert werden, daß sie entweder nur Drehungleichförmigkeiten zum Schnellen hin (sog. positive Drehungleichförmigkeiten) oder zum Langsamen hin (sog. negative Drehungleichförmig¬ keiten) entgegenwirkt. Beεonders wirksam ist jedoch eine Betriebsweise, bei der sie sowohl negativen als auch posi¬ tiven Drehungleichförmigkeiten entgegenwirkt, bevorzugt indem sie ein schnell variierendes Drehmoment (sog. Wech¬ sel-Drehmoment) erzeugt, insbeεondere ein alternierendes Drehmoment (Anspruch 16) . Zum Beispiel kann dies bei einer positiven Drehungleichförmigkeit ein kupplungsεchlupfver- größerndes bzw. bremsendes und bei einer negativen Drehung¬ leichförmigkeit ein kupplungsschlupfverkleinerndes (ggf. zu negativen Kupplungsschlupfwerten) bzw. antreibendes Drehmoment sein.
Vorteilhaft können die schnell variierenden Wechseldrehmo- mente den konstanten oder langsam variierenden Drehmomenten (sog. Gleichdrehmomenten) überlagert werden, welche zur Erzielung der Kupplungs- und/oder der Synchronisie- rungεfunktion εowie ggf. weiterer Funktionen mit antrei¬ bender oder bremsender Wirkung erzeugt werden (Anεpruch 17) . Die Überlagerung iεt insbeεondere additiv.
Unter einer "schnellen Variation" wird eine Variation im Frequenzbereich der zu verringernden Drehungleichförmigkei¬ ten verstanden, also z.B. bei der Drehungleichförmigkeit der 2. Ordnung und bei einer Drehzahl von 3000 U/min eine Variation mit einer Frequenz von 100 Hz. Relativ dazu vari¬ iert das Gleich-Drehmoment im allgemeinen langsamer.
Beim Betrieb mit Kupplungsεchlupf fällt überεchüssige Ener¬ gie an, die bei einer herkömmlichen mechanischen oder hy- drodynamischen Kupplung hauptsächlich in Verlustwärme umge¬ wandelt wird. Bei der erfindungsgemäßen elektrische Maεchi- ne handelt es sich vorzugsweise nicht um eine Maschine nach Art einer Wirbelstrombremse, bei der ebenfalls nur Verlust- wärme erzeugt würde, sondern um eine generatorisch arbei¬ tende Maschine, welche die Überschußenergie in elektrische Energie verwandelt. Diese kann vorteilhaft gespeichert und wiederverwendet werden. Nur falls die Speicherkapazität nicht ausreicht, (etwa bei extremer FahrZeugbeschleunigung mit rutschender Kupplung) , muß die Überschußenergie ver¬ heizt werden. Auch die bei anderen Bremsfunktionen anfal¬ lende Energie kann vorteilhaft wenigstens teilweise gespei¬ chert werden. Derartige Bremsfunktionen können z.B. dazu dienen, daß die elektrische Maschine eine bremsende Syn- chronisier-Funktion ausübt, als Generator zur Stromversor¬ gung fungiert und/oder (bei festgelegten Ständer) eine Bremsung des Fahrzeugs herbeiführt und/oder im Rahmen einer Antriebs-Schlupf-Regelung durch Bremsen den Schlupf eines Antriebsrads verringert. Eine weitere Bremεfunktion kann die Maschine im Rahmen des schnell variierenden Moments zur Drehungleichförmigkeitsverringerung ausüben. Die bei Anwen¬ den dieser Bremsfunktionen generatorisch gewonnene Bremsen¬ ergie kann gespeichert werden (z.B. in einem elektrischen Speicher oder in einem Schwungradspeicher) und alε An- triebsenergie für die elektrische Maschine wiederverwendet oder in ein Netz oder z.B. die Fahrzeugbatterie eingespeist werden. Ein antreibendes Drehmoment kann z.B. einer be¬ schleunigenden Synchronisierfunktion dienen oder (bei fest- gelegtem Ständer) daε Antriebεaggregat bei einer Beεchleu- nigung des Fahrzeugε unterεtützen beiεpielεweiεe um Be¬ schleunigungslöcher, etwa bei einem Turbolader-Motor, zu füllen, oder kann im Rahmen des schnell variierenden Mo¬ ments der Drehungleichförmigkeitsverringerung dienen (An¬ spruch 18) . Diese Rekuperation von Bremsenergie dient der Erzielung eines möglichst hohen Gesamtwirkungεgrad des Antriebssystems. Das Verheizen von Energie kann vorteilhaft über einen elek¬ trischen Widerstand erfolgen, der selbεt luftgekühlt sein kann oder seine Wärme in ein vorhandenes Kühlεyεtem eines Fahrzeugs, z.B. des Kühlkreislauf eineε Verbrennungsmotors abgeben kann. Die Speicherung der Bremsenergie (Gleichdreh¬ moment und/oder Wechseldrehmoment-Bremsenergie) kann ins¬ besondere durch einen elektrischen Speicher und/oder einen mechanischen Speicher (Schwungradspeicher) erfolgen: Als elektrischer Speicher kann beispielεweise eine Kapazität, Induktivität oder eine (εchnelle) Batterie dienen. Vorteil¬ haft ist der Wechselrichter (falls vorhanden) ein Zwischen¬ kreis-Wechselrichter, desεen Zwiεchenkreis wenigstens einen elektrischen Speicher für Bremsenergie aufweist oder mit wenigεtens einem solchen gekoppelt iεt. Der Speicher kann entweder ausschließlich der Speicherung von Bremsenergie dienen (in diesem Fall wäre er z.B. zusätzlich zu einem üblicherweise vorhandenen Zwischenkreis-Speicher geschal¬ tet, welcher die beim Wechselrichter-Taktbetrieb erforder¬ lichen Spannungs- bzw. Stromimpulεe liefern kann) , oder er kann nur teilweise der Speicherung der Bremsenergie dienen, also noch andere Energie - z.B. die zum Taktbetrieb nötige - speichern (im letzteren Fall könnte er z.B. mit dem übli¬ chen Zwischenkreis-Speicher zusammenfallen) . Im übrigen kann die Ausbildung des Stromrichters als Zwiεchenkreiε- Stromrichter in jedem Fall - z.B. auch ohne Zwischenspei- cherung von Bremsenergie - vorteilhaft sein.
Unter einem "Zwischenkreiε" verεteht man einen Kreis, wel¬ cher im wesentlichen Gleichεpannung bzw. -εtrom liefern kann, aus der ein nachgeschalteter Wechselrichter-Teil (der sog. Maschinen-Wechselrichter) durch Pulsen oder Takten variable Wechselspannungen bzw. -ströme bilden kann. Diese Gleichspannung bzw. dieser Gleichstrom muß Spannungs- bzw. Stromimpulse mit extremer Flankensteilheit und auf hohem Spannungs- bzw. Stromniveau bereitstellen können. Im all¬ gemeinen umfaßt ein Zwischenkreis-Wechεelrichter drei Bau¬ gruppen, und zwar eine Eingangεbaugruppe zur Versorgung mit bzw. Abfuhr von elektrischer Energie, eine Ausgangsbaugrup¬ pe in Form des Maschinen-Wechselrichters und den dazwi¬ schenliegenden Zwischenkreis.
Bei einem Schwungradspeicher kann vorzugsweise das Schwung¬ rad elektrisch über eine (weitere) elektrische Maschine mit dem System gekoppelt sein. Hierbei kann es sich z.B. um eine von einem eigenen Stromrichter geεteuerte Drehfeld¬ oder Stromwendermaschine handeln. Die erste elektrische Maschine und die Schwungrad-Maschine arbeiten im Gegentakt: Wenn erstere bremsend wirkt, beschleunigt zweitere das Schwungrad bzw. wenn erstere antreibend wirkt, bremst zwei¬ tere das Schwungrad. Da mit einem solchen Schwungrad-Ener¬ giespeicher relativ hohe Energiedichten gespeichert werden können, ist seine Verwendung insbeεondere dann vorteilhaft, wenn Anfahrkupplungsschlupf-Energie gespeichert werden soll.
Die elektrische Maschine für die Kupplungε- und/oder Syn- chronisierungsfunktion kann - neben diesen Funktionen und der ggf. ausgeführten aktiven Verringerung von Drehun¬ gleichförmigkeiten - gleichzeitig oder zeitlich versetzt weitere Funktionen erfüllen und so herkömmlicherweise zu¬ sätzlich vorhandene, hierauf spezialisierte Maschinen er- setzen. Insbesondere kann sie außerdem die Funktion eineε Direkt-Starters und/oder eines Generators zur Stromversor¬ gung, z.B. zur Ladung einer Batterie oder Speisung eines Bordnetzeε, haben (Anspruch 19) . Ein Direkt-Starter kann - anders als ein Schwungrad-Starter - das Antriebsaggregat im Zusammenlauf aus dem Stand starten. Die elektrische Maεchi- ne sitzt vorzugsweise direkt (d.h. getriebelos) auf der Triebwelle deε Antriebsaggregats oder einer mit ihr gekop¬ pelten Welle. Vorzugsweise ist die alε Direkt-Starter wir¬ kende elektrische Maschine so ausgebildet, daß sie beim Starten wenigstens im wesentlichen bis zum Erreichen der Leerlauf-Drehzahl des Antriebsaggregats (welche bei Be¬ triebstemperatur üblicherweise zwischen 600 und 800 U/min liegt) antreibend wirkt. Diese Maßnahmen läßt den Verbren¬ nungsmotor erst bei Erreichen seiner Leerlaufdrehzahl aus eigener Kraft anlaufen, was den Kraftstoffverbrauch ver¬ mindert, die besonderε schädlichen Emissionen beim Starten vermeidet und den Startvorgang schneller macht.
Die elektrische Maschine kann für weitere Zusatzfunktionen antreibende und/oder abbremsende Drehmomente erzeugen. Bei¬ spielsweise kann dies der Beschleunigung eines Kraftfahr- zeugs zusammen mit dem Antriebsaggregat dienen. Zum Abbrem¬ sen eines Fahrzeugs kann die elektrische Maschine als ver¬ schleißfreie, ggf. generatoriεche Bremεe oder Zuεatzbremεe dienen. Im Zusammenhang mit einer Antriebs-Schlupf-Regelung (ASR) kann die elektrische Maschine durch Bremsen schnell das Gesamt-Antriebsmoment und damit den Schlupf eineε oder mehrerer Antriebsräder verringern. Statt durch Bremsen kann der Antriebsrad-Schlupf auch durch Vergrößern des Kupp¬ lungs-Schlupfes (bei als elektromagnetiεcher Kupplung wir¬ kender Maschine) verringert werden. Hierbei gewonnene Brem- senergie kann gespeichert und wiederverwendet werden.
Zur Versorgung von Hochleistungsverbrauchern, wie Hilfs¬ maschinen (Klimamaschinen, Servoantriebe, Pumpen) und Hei¬ zungen) ist es vorteilhaft, daß die elektriεche Maεchine Strom auf relativ hohem Spannungsniveau, vorzugsweiεe im oberen Bereich der Niederεpannung, wo gerade noch nicht für besonderen Berührungsεchutz gesorgt werden muß (z.B. etwa 60 V Gleichspannung) liefert. Geht man darüber hinaus, wird vorzugsweise ein Bereich von 250 - 450 Volt gewählt. Vor- teilhaft werden die Hochleistungεverbraucher elektrisch (statt wie bisher mechanisch bzw. durch Abwärme) auf diesen hohen Spannungsniveauε angetrieben (bzw. beheizt) . Derart hohe Spannungεniveauε können inεbeεondere bei einem Zwi¬ schenkreis-Wechselrichter im Zwischenkreis bereits vorlie- gen, und braucht so nicht besonders für diesen Zusatzzweck erzeugt werden. Für Niederleistungεverbraucher kann ein kerkömmliches Niederspannungsbordnetz (12 V oder 24 V) vorgesehen sein. Die Fahrzeugbatterie kann im im Bereich des höheren Spannungsniveaus oder ggf. des Niederspannungs¬ bordnetzes angeordnet sein.
Die ggf. vorgesehene Zusatzfunktion einer aktiven Verringe¬ rung von Drehungleichförmigkeiten beruht - wie oben erwähnt - darauf, daß die elektrische Maschine positiven und/oder negativen Drehungleichförmigkeiten entgegenwirkt, also z.B. bei positiven Drehungleichförmigkeiten kupplungsschupfver- größernd oder bremsend und/oder bei negativen kupplungs- schlupfverkleinernd oder antreibend wirkt. Die Steuerung der elektrischen Maschine kann durch (rückgekoppelte) Rege¬ lung auf der Grundlage einer Mesεung der momentanen Dre¬ hungleichförmigkeit oder einer anderen, mit ihr gekoppelten Größe, oder durch (nicht-rückgekoppelte) Steuerung auf der Grundlage nicht der tatεächlichen, sondern der erwarteten Drehungleichförmigkeit erfolgen. Als Beispiel für eine Steuerung kann man an einem Prototyp eineε Verbrennungs¬ motors als Funktion des (Kurbel)-Wellenwinkels und eines oder weiterer Betriebsparameter (z.B. Drehzahl und Drossel¬ klappenstellung) bestimmte Drehungleichförmigkeiten in Ab¬ hängigkeit von dem momentan vorliegenden Kurbelwellenwinkel und den weiteren Betriebsparametern aus einem Kennfeld aus¬ lesen und die elektriεche Maεchine entεprechend anεteuern, um der erwareten Drehungleichförmigkeit entgegenzuwirken. Möglich sind auch Mischformen, z.B. eine adaptive Steue¬ rung, d.h. eine Steuerung mit Rückkopplung, bei der sich die gemessene Information jedoch (anders als bei rückgekop¬ pelter Regelung) nicht instantan, sondern erst bei späteren Drehungleichförmigekeiten auswirkt.
Die Messung von Drehungleichförmigkeiten kann eine direkte sein, z.B. beruhend auf einer Mesεung der Winkellage oder -geschwindigkeit als Funktion der Zeit oder eine indirekte, z.B. durch Messung des Gasdrucks in einem oder mehreren Motorzylindern und/oder des momentanen Drehmomentε des Verbrennungsmotors, z.B. gemessen mit Hilfe einer Drehmo- mentnabe (wobei als weitere, im wesentlichen unveränder¬ liche Quelle die Massenkräfte zu berücksichtigen sind) .
Die elektrische Dreh- bzw. Wanderfeldmaschine des An- triebssystems ist vorzugsweiεe eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine, insbesondere für Drei-Phasen-Strom. Eine Asynchronmaschine hat i.a. einen relativ einfach aufgebauten Läufer (i. a. einen Läu¬ fer mit Kurzschlußwicklungen oder Wicklungen, deren Enden an Schleifringe geführt sind) . Hingegen haben Synchronma¬ schinen Läufer mit ausgeprägten magnetischen Polen, z.B. Permanentmagnete oder Elektromagente, die z.B. über Schleifringe mit Strom gespeist werden. Reluktanzmaschinen gehören im weiteren Sinn zu den Synchronmaschinen. Insbe- sondere bei der Asynchronmaschine erfolgt die Steuerung der elektrischen Maschine vorzugsweise auf der Grundlage einer feldorientierten Regelung (sog. Vektorregelung) . Hierbei wird, ausgehend von direkt meßbaren momentanen Größen, wie angelegte Spannung, Ständerstrom und ggf. Drehzahl, anhand eines rechnerischen dynamischen Maschinenmodellε der Stän¬ derstrom in eine drehmomentbildende Komponente, die mit dem Läuferfluß das Drehmoment erzeugt, und eine senkrecht dazu verlaufende, den Maschinenfluß erzeugende Komponente rech¬ nerisch zerlegt und so das Drehmoment ermittelt.
Bei der elektrischen Maschine samt zugehöriger Steuerein¬ richtung handelt es sich um ein Hilfsεyεtem, daε z.B. im Triebstrang eines Kraftfahrzeugs anstelle oder zuεätzlich zu der herkömmlichen Kupplung angeordnet iεt. Wegen εeineε Hilfs-Charakters sollte es relativ zum Antriebsaggregat wenig Raum beanspruchen, sollte also möglichst kompakt aufgebaut sein. Die im folgenden genannten vorteilhaften Maßnahmen dienen - neben anderen vorteilhaften Zwecken - einem solch kompakten Aufbau.
Eine Maßnahme zur Erzielung hoher Kompaktheit liegt darin, daß die elektrische Maschine eine feine Polteilung, ins- besondere wenigstens einen Pol pro 45°-Ständerwinkel auf¬ weist. Bei einer kreisförmig geschloεεenen (360°-)Drehfeld¬ maschine entspricht dies einer Gesamtzahl von wenigstens acht Polen. Besonders vorteilhaft sind noch feinere Poltei- lungen, entsprechend z.B. 10, 12, 14, 16 oder mehr Polen bei der kreisförmig geschlossenen Maschine. Eine feine Polteilung erlaubt es nämlich, die Wickelköpfe des Ständers klein auszubilden, und zwar sowohl in Axial- wie auch in Umfangsrichtung der Maschine, so daß die Maschine in Axial- richtung insgesamt kürzer ausgebildet sein kann. Auch kann bei feinerer Polteilung der Ständerrücken für den magneti¬ schen Rückfluß dünner (und damit auch leichter) ausgebildet sein, mit der Folge, daß bei gleichem Außendurchmesser der Maschine der Läufer einen größeren Durchmesser haben kann. Größerer Läuferdurchmesεer führt wegen deε in Umfangsrich- tung längeren Luftεpalteε und des größeren wirksamen Hebel¬ arms zu einem größeren Drehmoment. Insgeεamt führt εomit eine feinere Polteilung zu einer kompakteren und leichteren Maschine. Daneben sind wegen der geringeren Wickeldrahtlän- ge - kleinere Wickelköpfe benötigen weniger nicht-aktiven Wicklungsdraht - die ohmschen Verluste geringer. Da ferner das Streufeld (das den Blindleistungsanteil wesentlich bestimmt) von der Wickelkopffläche abhängt, ist eε bei feiner Polteilung relativ gering. Ein geringes Streufeld ist insbesondere bei der Drehungleichförmigkeits-Verringe¬ rung vorteilhaft, da hier - anders als bei einer üblichen elektrischen Maschine - dauernd zwischen Motor- und Genera¬ torbetrieb hin- und hergewechεelt wird und bei dem damit einhergehenden Umpolen laufend Blindleiεtung aufgebracht werden muß.
Bei schnell laufenden Drehfeld-Maschinen sind feine Pol¬ teilungen unüblich, da sie eine relativ hohe Polwechsel¬ frequenz bedingen. Ein üblicher Wert für die Polwechsel- frequenz beträgt beispielsweiεe 120 Hz. Die im Rahmen der Erfindung verwendete elektrische Maschine hat hingegen vorteilhaft eine hohe maximale Polwechselfrequenz, vor- zugsweise zwischen 300 und 1600 Hz und mehr, besonderε vorzugsweise zwischen 400 Hz und 1500 Hz.
Um den Einfluß von Wirbelströmen im Ständer - die mit stei- gender Polwechselfrequenz zunehmen - zu verringern, weist der Ständer vorteilhaft dünne Ständerbleche, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,35 mm oder weniger, besonders vor¬ zugsweise 0,25 mm oder weniger auf. Als weitere Maßnahme zur Verringerung der Verluste sind die Ständerbleche vor- zugsweise aus einem Material mit niedrigen Ummagnetisie- rungsverlusten, insbesondere kleiner als 1 Watt/kg bei 50 Hz und 1 Tesla, gefertigt.
Als weitere Maßnahme, die zu einer kompakten Ausbildung beiträgt, weist die elektrische Maεchine vorteilhaft eine innere Fluidkühlung mit einer Kühlflussigkeit wie z.B. Öl auf. Eine sehr effektive Kühltechnik besteht darin, die Maschine im Inneren ganz mit Kühlfluid zu fluten. Ein Nach¬ teil hiervon ist jedoch, daß oberhalb ca. 500 U/min Turbu- lenzverluste auftreten, die oberhalb ca. 2000 U/min merk¬ liche Auεmaße annehmen können. Um dem zu begegnen, erfolgt die Zufuhr deε Kühlfluids vorteilhaft verluεtleiεtungs- und/oder drehzahlabhängig, wobei es sich bei der Fluidküh¬ lung vorzugsweise um eine Sprühfluidkühlung handelt. In der Maschine befindet sich dann immer nur im weεentlichen so¬ viel Kühlfluid, wie momentan zur Abfuhr der Verlustleistung benötigt wird.
Quantitativ läßt sich die Kompaktheit durch die Größe "Drehmomentdichte" ausdrücken. Vorzugsweise weist die elek¬ trische Maschine eine hohe Drehmomentdichte - bezogen auf das maximale Drehmoment - auf, die besonders vorzugsweise größer als 0,01 Nm/cm3 ist (Anspruch 20) .
An einer Antriebswelle können oft auch Radialschwingungen auftreten. Um robust gegenüber solchen Schwingungen zu sein, ist das System vorzugsweiεe εo ausgebildet, daß die elektrische Maschine stark im Bereich magnetischer Sätti¬ gung arbeitet. Ein Maß für die magnetiεche Sättigung ist der Strombelag (bei maximalem Drehmoment) im Ständer pro cm Luftspaltlänge in Umfangsrichtung. Vorzugsweiεe beträgt dieses Maß wenigstens 400 - 1000 A/cm, besonders vorzugs¬ weise wenigstens 500 A/cm. Das Arbeiten εtark im Sätti¬ gungsbereich erlaubt eε, die Maschine mit einem relativ weiten Luftspalt auszubilden. Änderungen des Luftεpaltes - wie sie bei Radialschwingungen auftreten - wirken sich wegen des Betriebs im Sättigungsbereich kaum aus.
Eine derart kompakte aufgebaute elektrische Maschine hat im allgemeinen eine relativ geringe Induktivität. Um dennoch mit Hilfe einer getakteten Spannung einen möglichst genau sinusförmigen Strom zum Erzeugen der elektrischen Dreh¬ bzw. Wanderfelder zu erzielen, arbeitet der Wechselrichter vorteilhaft zumindest zeitweise mit einer hohen Taktfre¬ quenz, insbesondere 10 kHz bis 100 kHz und höher. Diese Maßnahme ist auch vorteilhaft zur Erzielung einer hohen zeitlichen Auflösung des Systems: Beispielεweise kann man mit einer Taktfrequenz von 20 kHz eine zeitliche Auflösung im Drehmomentverhalten der elektrischen Maschine von 2 kHz erzielen, mit der man eine Drehungleichförmigkeit bei 200 Hz wirksam verringern kann (200 Hz entsprechen zum Beispiel der vierten Ordnung bei 3000 U/min) . Eine hohe Taktfrequenz hat ferner auch den Vorteil, eine kompakte Bauweise des Wechselrichters selbst zu erlauben, denn beispielεweiεe können Zwischenkreiskondensatoren kleinerer Kapazität ge¬ wählt werden.
Als weitere vorteilhafte Maßnahme zur Erzielung einer kom¬ pakten Bauweise des Wechselrichterε εind elektroniεche Schalter deε Wechselrichters flüsεigkeitsgekühlt, vorzugs¬ weise siedebadgekühlt. Als Siedebad-Kühlmittel kann bei- spielsweise ein Fluorkohlenwasεerstoff verwendet werden. Bei der Siedebadkühlung verdampft das Kühlmittel an Wärme¬ punkten und entzieht ihnen dadurch seine relativ hohe Ver- dampfungswarme. Der Dampf steigt auf und kann z.B. in einem externen Kühler kondensieren und dabei seine Verdampfungs¬ wärme abgeben. Diese Kühltechnik erlaubt kompakteste Anord¬ nung der elektronischen Schalter des Wechεelrichterε ohne jegliche Kühlkörper, wobei zur Erreichung auch hoher Kühl¬ leistung relativ geringe Temperaturdifferenzen (z.B. 2-10° C) ausreichen. Eine weitere kühltechnisch vorteilhafte Maßnahme besteht darin, mehrere elektronische Schalter des Wechselrichters, insbeεondere 2 biε 20 und mehr, parallel zu schalten. Die Parallelschaltung führt zu einer verteil¬ ten Anordnung der Wärmequellen und damit einer relativ geringen Verlustleistungsdichte.
Der Wechselrichter umfaßt vorteilhaft als Schalter Halblei- terschalter, vorzugsweise schnelle Halbleiterschalter, wie Feldeffekttransistoren - besonderε vorzugεweise Metall¬ oxidhalbleiter(MOS) -Feldeffekttranεiεtoren, bipolare Tran¬ sistoren und/oder bipolare Transistoren mit isoliertem Gateanschluß (IGBTs) . Unter "schnellen" Halbleiterεchaltern werden inεbesondere solche verstanden, die maximale Takt¬ frequenzen von 10 bis 100 kHz oder mehr erlauben. Der Wech¬ selrichter ist vorteilhaft ein Pulεwechεelrichter, d.h. er erzeugt die für die magnetiεchen Felder der elektriεchen Maschine benötigten Spannungen und/oder Ströme durch Pulse, insbesondere auf der Grundlage von Pulsweiten- oder Puls¬ amplitudenmodulation, aufgrund der Maschineninduktivität in nahezu sinusförmige Ströme beliebig einstellbarer Frequenz, Amplitude und/oder Phase verwandelt werden.
Zur optimalen Auεnutzung deε z.B. in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraumes ist es vorteilhaft, daß in die elektrische Maschine, und zwar insbesondere in deren Läufer, eine mechanische Kupplung, z.B. eine kraftschlüε- sige Uberbruckungskupplung oder eine reibschlüssige An- fahrkupplung integriert ist (Anspruch 21) . Beispielsweise bei einer Asynchron- und Synchronmaschine mit innenliegen¬ dem Läufer kann der Läufer in seinem inneren Bereich funk- tionslos sein und so zur Aufnahme der Kupplung hohl ausge¬ bildet sein. Durch diese Maßnahme iεt eε möglich, daß die elektrische Maschine samt integrierter mechanischer Kupp¬ lung in Axialrichtung nur so viel wie oder kaum mehr Raum in Anspruch nimmt als bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeug die Anfahrkupplung alleine benötigt. Im fall einer inte¬ grierten Anfahrkupplung ist aufgrund des reduzierten ver¬ fügbaren Durchmessers und zur Minimierung des Massenträg¬ heitsmomentes ist eine Ausführung als Mehrscheiben- und/- oder Lamellenkupplung bevorzugt. Ist die integrierte Kupp¬ lung als Naßkupplung ausgebildet, kann daε Kupplungεfluid auch für die Kühlung der elektriεchen Maεchine εorgen. Die Betätigung der Kupplung kann mechanisch, elektrisch, magne¬ tisch, elektromagnetisch, hydraulisch, pneumatiεch oder mit Mischformen hiervon erfolgen.
Um bei dem System zu jedem Zeitpunkt die momentane absolute oder relative Winkellage der Welle oder Wellen zu kennen, ist die elektrische Maschine oder die Welle vorteilhaft mit einem oder mehreren Läuferlage- bzw. Wellenlage-Gebern aus¬ gerüstet. Zur Gewinnung einer möglichst genauen Winkellage- Information kann insbesondere ein Drehtransformator (ein sog. Resolver) dienen, also ein Transformator mit winkel¬ abhängigem Übertragungsverhältnis. Auch hochauflösende Kodierer sind für diesen Zweck einεetzbar, z.B. eine Kom¬ bination aus einem hochauflösenden Inkrementalgeber und einem einfachen Absolutgeber.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung dient die elektrische Maschine auch einer Antriebεεchlupfregelung. Und zwar ist sie derart ausgelegt, daß mit ihr eine AntriebsεchlupfVer¬ ringerung durch Verkleinerung des Antriebεmomentε (deε Antriebsaggregats) herbeiführbar ist, insbesondere durch Bremswirkung und/oder - bei als Kupplung wirkender elek- trischer Maschine - durch Kupplungsschlupf-Wirkung (An¬ spruch 22) . Die Antriebsschlupfverringerung wird im allgemeinen erst aktiv, wenn eine bestimmte Bedingung, etwa das Überschrei¬ ten eines Grenzwertes des Antriebsεchlupfeε oder eineε Grenzwerteε der zeitlichen Änderung des Antriebsschlupfes oder eine Kombination solcher Bedingungen erfüllt ist.
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gerichtet, wobei das Antriebεεyεtem ein Antriebεaggregat, insbesondere einen Verbrennungsmotor umfaßt, wobei ein Kuppeln im Antriebsεtrang des Antriebsεystems und/oder eine aktive Getriebeεynchroniεierung mit wenigεtenε einer elek¬ trischen Maschine durchgeführt wird (Anspruch 23) .
Das Verfahren kann vorteilhaft mit einem Antriebssystem nach einer oder mehreren der oben erläuterten Auεgeεtal- tungen durchgeführt werden (Anspruch 24) . Bezüglich einzel¬ ner Merkmale und Vorteile des Verfahrens wird auf die obi¬ gen Erläuterungen zum System verwiesen, die sich vollin- haltlich auch auf das Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestaltungen beziehen.
Die Gegenstände der Ansprüche 13 - 22 sowie der Beschrei¬ bung können auch bei einem Antriebεεystem, bei dem die elektrische Maschine weder als elektromagnetische Kupplung noch als Synchronisiereinrichtung wirkt, vorteilhaft sein. Es wird daher der Vorbehalt erklärt, Patentansprüche auf diese Gegenstände unter Weglassung der jetzt in den Ansprü¬ chen 1 und 23 enthaltenen diesbezüglichen Merkmale zu rich- ten.
Im übrigen werden in der geεamten vorliegenden Beschreibung Zahlenangaben "x" im Sinn von "wenigstens x" , und nur vor¬ zugsweise im Sinn von "genau x" verstanden. Die Erfindung wird nun anhand von Ausfuhrungsbeispielen und der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darεtellung einer elektrischen Doppelmaschine;
Fig. 2 eine Darstellung einer Doppelmaschine gemäß Fig.l mit gemeinsamem Ständerkörper;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit drehbaren elektromagnetischen Wirk¬ einheiten;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen elek¬ trischen Maschine mit drehbaren elektromagneti¬ schen Wirkeinheiten;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren elektrischen Maschine mit relativdrehbaren elek tromagnetischen Wirkeinheiten und einer festste henden Wirkeinheit;
Fig. 6 eine schematische beispielhafte Darstellung der Funktionsweiεe deε Systems zur aktiven Verringe¬ rung von Drehungleichförmigkeiten;
Fig. 7 eine unmaßstäblich-εchematische Darεtellung einer Auεführungsform des Antriebsεystems;
Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung einer elek¬ trischen Maschine mit Schnittebene senkrecht zur Axialrichtung zur Veranschaulichung verschiedener bei dem System verwendbaren Maschinentypen; Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung einer elek¬ trischen Maschine mit integrierter Reibkupplung mit Schnittebene in Axialrichtung;
Fig. 10 einen schematischen Schaltplan eines bei dem Sy¬ stem verwendeten Wechselrichters.
In den Figuren tragen im wesentlichen funktionsgleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
Eine elektrische Doppelmaschine 4 gemäß Fig. 1, welche die Funktion einer elektromagnetischen Kupplung und/oder Syn¬ chronisiereinrichtung hat, sitzt in einem Antriebsstrang 2 zwischen einer Antriebswelle, z.B. der Triebwelle 10 eines Verbrennungsmotors 1 (oder einer damit gekoppelten Welle) , und einer Abtriebswelle, z.B. einer mit einem Getriebe 6 gekoppelten Getriebewelle 55. Sie umfaßt zwei elektriεche Maschinen 4a, 4b mit jeweils einem drehfesten Ständer 8a, 8b und jeweils einem mit der An- bzw. Abtriebswelle drehen- den Läufer 9a, 9b. Die Läufer 9a, 9b - und damit die An- und Abtriebswelle - sind mit Hilfe einer mechanischen Über- brückungs-Kupplung 60 - hier einer form- oder reibschlüsεi- gen Kupplung - feεt mechaniεch miteinander verbindbar. Diese ist vorzugsweise in gesteuerter Weise betätigbar, z.B. mechaniεch, elektriεch, hydrauliεch oder pneumatiεch. Bei anderen Ausführungsformen ist die Überbrückungε-Kupp- lung 60 nicht vorhanden.
Fig. 2 zeigt eine Fig. 1 entsprechende Doppelmaschine 4, bei der die Läufer 9a, 9b in koaxialer Anordnung in einem gemeinsamen Ständerkörper 59 angeordnet sind, der die bei¬ den (elektrisch getrennten oder trennbaren) Ständer 8a, 8b aufnimmt und drehfest z.B. an einem Kurbelgehäuse 61 des Verbrennungsmotors 1 befestigt ist. Die (hier nicht darge- stellte) Uberbruckungskupplung kann z.B. dadurch realiεiert sein, daß die Läufer 9a, 9b durch Axialverschiebung mitein¬ ander in Form- oder Reibschluß gebracht werden können. Alternativ kann sie durch z.B. durch eine in die Läufer 9a, 9b integrierte Reib- oder Klauenkupplung gebildet sein.
Die Doppelmaschine 4 der Fig. 1 und 2 hat neben ihrer Funk- tion als elektromagnetische Kupplung die Funktionen einer aktiven Getriebe-Synchronisiereinrichtung, eines aktiven Drehungleichförmigkeits-Verringererε, eines Direkt-Starters für den Verbrennungsmotor, eines Generators zur Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer Energie, und eines Boo- sters zur Unterstützung des Verbrennungsmotorε 1 beim Be¬ schleunigen etwa eines Kraftfahrzeugs sowie einer generato¬ rischen Bremse zur Unterstützung von Fahrzeugbremsen. Die elektrische Maschine 4 arbeitet auch im Rahmen einer - durch Regelung des Kupplungsschlupfes in der elektrischen Maschine erzielbaren - ASR zur Antriebsradεchlupf-Verringe¬ rung.
Bei der Kupplungεfunktion handelt es εich bei einer Aus¬ führungsform um die Funktion einer Anfahr- und Schaltkupp lung, bei einer anderen Ausführungsform nur um die einer Schaltkupplung zum Gangwechsel. Bei der ersten Ausfüh¬ rungsform kann die beim Kraftfahrzeug im Antriebsεtrang vorhandene herkömmliche mechaniεche oder hydrodynamiεche Kupplung entfallen. Bei der zweiten Auεführungεform ist sie hingegen alε Anfahrkupplung zuεätzlich zur elektromagneti¬ schen Kupplung 4 vorhanden. Sie ist z.B. nachfolgend in der Abtriebswelle 55 angeordnet und kann nach dem Anfahren - also auch während eines Gangwechselε - geεchloεεen bleiben.
Bei beiden Ausführungsformen wird die Uberbruckungskupplung 60 bei Gleichlauf der Wellen 10, 55 geεchlossen, um dann die elektromagnetischen Kopplungsverluste zu elimineren, bei der zweiten Auεführungεform auch um das hohe Anfahr- moment zu übertragen, sowie bei anderen Funktionen, wie dem Drehungleichförmigkeits-Verringern und Starten, durch ge¬ koppelten Parallellauf beider Maεchinen 4a, 4b größere Drehmomente zur Verfügung zu haben. Da die Uberbruckungs¬ kupplung 60 nur bei Wellengleichlauf eingekuppelt wird, ist sie vorteilhaft als formschlüssige Kupplung (z.B. Haken¬ kupplung) ausgebildet.
Bei einer dritten Ausführungεform hat die elektrische Dop¬ pelmaschine 4 keine Kupplungsfunktion, dient aber (wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform) der aktiven Getrie¬ besynchronisaton durch Beschleunigen bzw. Abbremsen der Abtriebswelle 55 in dem Zeitraum zwischen Wellentrennung und -Verbindung, die durch eine als mechanische oder hydro¬ dynamische Anfahr- und Schaltkupplung, z.B. in Form einer reibschlüssig ausgebildeten Uberbruckungskupplung 60 be¬ wirkt wird.
Die elektrische Ansteuerung der Maschinen 4a, 4b erfolgt bei den Ausführungsformen mit Kupplungsfunktion unabhängig voneinander, hier durch zwei im wesentlichen unabhängige Wechselrichter, um die Erzeugung entgegengesetzter Drehmo- mente (z.B. wenn die antriebsseitige Maεchine 4a alε Gene¬ rator und die abtriebsseitige 4b als Motor arbeitet) und/- oder von Drehmomenten bei verschiedenen Drehzahlen (z.B. während des Anfahrens und nach Gangwechsel) zu ermöglichen. Bei der Ausführungεform ohne elektromagnetiεchen Kupplungs- Funktion ist keine unabhängige Ansteuerung erforderlich. Hier genügt ein Wechselrichter, der zur Steuerung der ver¬ schiedenen Funktion (Synchronisierung, Drehungleichförmig¬ keits-Verringerung, Starten, Stromerzeugung, Beschleuni¬ gung, Bremsung) geeignet ist und wahlweise mit nur einer Maschine 4a oder 4b oder beiden Maschinen 4a, 4b koppelbar ist. Die wahlweise Koppelbarkeit erlaubt einerseitε für manche Funktionen - etwa zum Starten - beide Maεchinen 4a, 4b gemeinsam (bei geschlosεener Überbrückungεkupplung 60) Moment erzeugen zu laεεen, und andererεeitε für andere Funktionen nur eine von ihnen (bei geöffneter Überbrük- kungskupplung 60) Moment erzeugen zu lassen - etwa die abtriebsseitige Maschine 4b ein bremsendes Moment zur Syn- chronisierung oder zum Abbremsen des Fahrzeugs erzeugen zu lassen. Elektrische Energie, die durch generatorischeε Bremsen und Kupplungsschlupf anfällt, wird gespeichert, z.B. einem elektrischen (z.B. Kondensator), elektrochemi- sehen (z.B. Batterie) oder einem kinetomechanischen Spei¬ cher (z.B. Schwungrad-Speicher), und wiederverwendet. Falls die anfallende Energie oder Leistung das Aufnahmevermögen des Speichers übertrifft - was z.B. bei der Anfahrkupp- lungsfunktion der Fall sein kann, wird die Überschußenergie in Form von Wärme über Heizwiderstände abgeführt.
Eine elektrische Einzelmaschine 4 gemäß Fig. 3, welche die Funktion einer elektromagnetischen Kupplung und/oder Syn¬ chronisiereinrichtung hat, weist ein inneres und ein äuße- res elektromagnetisches Wirkelement auf, die in Anlehnung an bei elektrischen Maschinen üblichen Bezeichnungsweisen Läufer 9 und Ständer 8' genannt werden. Der Läufer 9 iεt drehfest mit der Abtriebswelle 55 und der Ständer 8' ist drehfest mit der Triebwelle 10 verbunden (bei anderen - nicht gezeigten - Ausführungsformen ist diese Zuordnung umgekehrt) . Die elektriεche Maschine 4 ist also zuεätzlich zur Läuferdrehung als Ganzes drehbar; der Begriff "Ständer" ist also angesichts dessen Drehbarkeit nur in einem über¬ tragenen Sinn zu verstehen. Während es bei einer festste- henden elektrischen Maschine - z.B. einer Drehfeld-Maschine - möglich ist, die Stromzufuhr auf das feststehende Wirk¬ element (d.h. den Ständer) zu beschränken und im drehbaren Wirkelement (d.h. im Läufer) Ströme ohne Stromzufuhr nur durch Induktion hervorzurufen, wird hier - wo beide Wirk- elemente drehbar sind - wenigstenε einem von ihnen (hier dem Ständer 8') Strom über drehbewegliche elektrische Ver¬ bindungen (z.B. über hier nicht gezeigte Schleifer/Schleif¬ ring-Kontakte) zugeführt. Die Abtriebswelle 55 ist mit einer mechanischen Kupplung, hier einer gegen das Fahr- zeugehassis oder das Getriebegehäuse abgestützten Bremse 62 gegen Drehung festlegbar. Die gezeigte Ausführungsform hat keine Uberbruckungskupplung, andere (nicht gezeigte) Aus- fuhrungsformen sind jedoch mit einer reib- oder kraft¬ schlüssigen Uberbruckungskupplung zur mechanischen Verbin¬ dung der Wellen 10, 55 ausgerüstet. Die Maschine 4 kann im oder am Motorgehäuse, Getriebegehäuse oder an beliebiger anderer Stelle im Antriebεεtrang 2 plaziert εein.
Die elektrische Einzelmaschine 4 kann - trotz ihres ein¬ fachen Aufbaus - im wesentlichen alle Funktionen der Dop¬ pelmaschine gemäß Fig. 1 und 2 ausführen, so daß die dort gemachten Ausführungen - soweit sinnvoll - auch hier Gül¬ tigkeit haben.
In der Funktion als Schaltkupplung und ggf. als Anfahr¬ kupplung wird ein Gleichlauf der Wellen 10, 55 durch eine solche Einstellung der drehmomenterzeugenden magnetischen Felder der Maschine 4 erzielt, daß Drehzahlgleichheit zwi¬ schen den Wellen 10 und 55 herrscht, also der Kupplungs¬ schlupf zwischen Ständer 8' und Läufer 9 genau verschwin¬ det. Bei einer Asynchronmaschine wird dies beispielεweiεe durch die Regelung bzw. Steuerung des magnetischen Schlup¬ fes eines entgegen der Antriebsdrehmoment-Richtung relativ zum Ständer 8' umlaufenden Drehfeldε geeigneter Frequenz und Amplitude erzielt. Eine (hier nicht dargestellte) form¬ schlüssige Uberbruckungskupplung eliminiert bei verschwin- dendem Kupplungsschlupf die elektromagnetischen Verluste.
Die aktive Getriebesynchronisierung - die bei Ausführungs formen der Einzelmaschine 4 auch ohne Kupplungsfunktion realisiert sein kann - erfolgt hier in Abstützung gegen die mit der variablen Drehzahl des Verbrennungεmotorε 1 dre¬ hende Triebwelle 10. Der Beitrag dieεer Drehung wird bei der Bestimmung und Steuerung der für die jeweilige Synchro¬ nisation nötigen Relativdrehzahl der Maschine 4 berücksich¬ tigt.
Eine Verringerung von Drehungleichförmigkeiten der Trieb¬ welle 10 kann im Stand des Fahrzeugε in Abεtützung gegen den dann mit Hilfe der Bremse 62 gegen Drehung festgelegten Läufer 9 erfolgen. Bei angetriebener Fahrt können bei nicht eingekuppelter (oder nicht vorhandener) Uberbruckungskupp¬ lung Drehungleichförmigkeiten der Triebwelle 10 von der Abtriebswelle 55 durch schnelles Variieren des übertragenen Drehmoments isoliert werden, und zwar durch desεen Verklei¬ nerung (d.h. durch eine Vergrößerung deε Kupplungsschlup¬ fes) bei positiver Drehungleichförmigkeit und desεen Ver¬ größerung (d.h. durch eine Verkleinerung des Kupplungs- Schlupfes) bei negativer.
Zusatzbeschleunigung oder -bremsung ist bei nicht einge¬ kuppelter Uberbruckungskupplung durch Erzeugung entspre¬ chenden Drehmomente - oder anders auεgedrückt - kleineren oder größeren Kupplungsschlupfes möglich. Die elektrische Maschine 4 kann in eine ASR-Regelung derart einbezogen sein, daß bei zu großem Antriebsrad-Schlupf der Kupplungs¬ schlupf augenblicklich vergrößert und damit das an den Antriebsrädern anliegende Moment verkleinert wird. Eine Generatorfunktion zur Stromerzeugung wird durch dauernd aufrechterhaltenen Kupplungsεchlupf erzielt.
Die elektrische Maschine 4 kann den Verbrennungsmotors 1 direkt in Abstützung gegen die durch die Bremse 62 festge- legte Abtriebεwelle 55 εtarten. Bei einer anderen Ausfüh¬ rungsform, bei der die Maschine 4 hierfür kein ausreichen¬ des Drehmoment aufbringt, kann sie unter Ausnutzung der elektromagnetischen Kupplungsfunktion als verschleißfreier Schwungradstarter dienen. Hierzu beschleunigt die elektri- sehe Maschine 4 zunächst bei nicht eingelegtem Gang und gelöster Bremse 62 den dann freilaufenden Läufer 9 zusammen mit der Abtriebswelle 55 in Abstützung gegen die Triebwelle 10 und die Kompression deε noch nicht laufenden Verbren¬ nungsmotors 1 auf eine relativ hohe Drehzahl, z.B. auf 2000 U/min. Dann wird die elektrische Maschine 4 innerhalb kur¬ zer Zeit so umgesteuert, daß sie ein bremsendes Moment, also Kraftschluß zwischen dem Läufer 9 und dem Ständer 8' herstellt. Dadurch werden der Läufer 9 mit der Abtriebs¬ welle 55 und der Ständer 8' mit der Triebwelle 10 schnell auf eine gemeinsame mittlere Drehzahl (z.B. 800 U/min) gebracht und der Verbrennungsmotor 1 gestartet.
Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung der elektrischen Maschine mit drehbaren Wirkeinheiten gemäß Fig. 3. Die dort sowie im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 gemachten Ausführungen haben auch hier - soweit sinnvoll - Gültigkeit. Die Maschine 4 gemäß Fig. 4 hat bei etwas größerem Aufwand den Vorteil, auch im Antriebszustand des Antriebsεystems eine Verringe¬ rung von Drehungleichförmigkeiten an ihrem Ursprung - also an der Triebwelle 10, und nicht nur an der Abtriebswelle 55 - zu erlauben, ferner die Generatorfunktion bei geschlosse- ner Uberbruckungskupplung - und damit bei höherem Wirkungs¬ grad - bereitzustellen, sowie die Synchronisierung bezüg¬ lich eines feststehenden - und nicht mit variabler Drehzahl rotierenden - Bezugselementε zu ermöglichen, was deren Steuerung vereinfacht.
Dies wird dadurch erreicht, daß der Ständer 8' nicht mehr dauernd mit der Triebwelle 10 gekoppelt iεt, εondern in steuerbarer Weise drei verschiedene Kopplungszuεtände ein¬ nehmen kann: 1. mit der Triebwelle 10 gekoppelt (wie in Fig. 3) ;
2. ohne Kopplung mit der Triebwelle 10 frei drehbar;
3. gegen Drehung feεtgelegt.
Zwei zuεätzliche mechaniεche Kupplungen, bei denen eε εich um reibschlüssige, vorzugsweise aber um formschlüssige Kupplungen handeln kann, dienen hierzu: Eine Motorkupplung 63, die im geschloεεenen Zuεtand den Ständer 8' mit der Triebwelle 10 koppelt (Kopplungεzuεtand 1) , und eine Fest- leg-Kupplung 64, die ihn im geschlossenen Zustand gegen Drehung festlegt, z.B. durch Kopplung mit dem Kurbelgehäuse 61 (Kopplungszustand 3) . Für den Kopplungszuεtand 2 εind beide geöffnet; ein gleichzeitigeε Schließen ist ein ver- botener Zustand. Die Kupplungen 63, 64 (die in Fig. 4 nur aus Gründen der Rotationsymmetrie doppelt gezeichnet sind) , sowie die Uberbruckungskupplung 60 sind in gesteuerter Weise betätigbar, z.B. mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch.
Die Steuerung der elektrischen Maschine 4 und der Kupplun¬ gen 60, 62, 63 erfolgt durch die verschiedenen Betriebs¬ zustände und Funktionen des Antriebssyεtems gemäß folgenden Verfahrensabläufen:
1. Starten des Verbrennungsmotorε 1 (Schwungrad-Start) : i. Gang freischalten (z.B. durch Bedienungsperson) ; ii. Motorkupplung 63 wird geschlosεen; iii. Läufer 9 wird durch elektrische Maschine 4 auf hohe Drehzahl beschleunigt; iv. Bremsmoment in elektrischer Maschine 4 wird ein¬ geschaltet, dadurch wird Läufer 9 abgebremst und Ständer 8' beschleunigt, so daß der Verbrennungs- motor 1 startet;
2. Anfahren des Fahrzeugs: i. Uberbruckungskupplung 60 wird geöffnet; ii. Läufer 9 wird durch elektrische Maschine 4 zum Stillstand gebracht; iii. 1. Gang wird eingelegt (z.B. durch Bedienungsper¬ son) ; iv. Läufer 9 wird elektromagnetisch mit Anfahr-Nenn- moment beschleunigt, d.h. durch Ständer 8' mit¬ genommen; v. bei Gleichlauf wird Uberbruckungskupplung 60 ge- schlossen;
3. Stationärer Fahrbetrieb mit Drehungleichförmigkeits- Verringerung: i. Motorkupplung 63 wird geöffnet, so daß der Stän- der 8' frei dreht; ii. Ständer 8' wird durch elektrische Maschine 4 zum Stillstand gebracht; iii. Festleg-Kupplung 64 wird geschloεsen, so daß eine starre Verbindung zwischen Ständer 8' und dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 herrscht; iv. Wechselmoment zur Verringerung von Drehungleich- förmigkeiten der Triebwelle 10 wird von der elek¬ trischen Maschine 4 erzeugt;
4. Schalten: i. Verbrennungsmotor-Antriebsmomentwird weggenommen (ggf. mit Unterstützung der elektrischen Maschi- ne) (z.B. durch Bedienungsperεon) ; ii. Überbrückungεkupplung 60 wird geöffnet; iii. Gang wird herausgenommen (z.B. durch Bedienungs¬ person) ; iv. Läufer 9 wird auf diejenige neue Drehzahl be- schleunigt oder abgebremst, welche die Synchro¬ nisierbedingung für den neu einzulegenden Gang erfüllt; v. dieser Gang wird eingelegt (z.B. durch Bedie¬ nungsperson) ; vi. Uberbruckungskupplung 60 wird geschloεεen; vii. Verbrennungsmotor-Antriebsmoment wird wieder freigegeben (z.B. durch Bedienungsperεon).
Eine Drehungleichförmigkeitε-Verringerung iεt auch im Leer- lauf möglich, wie folgende Verfahrenεabfolge zeigt, die sich an den obigen Schritt 1 anschließen kann:
5. Leerlauf mit Drehungleichförmigkeits-Verringerung: i. Motorkupplung 63 wird geöffnet, so daß der Stän- der 8' frei dreht; ii. Ständer 8' wird durch elektrische Maschine 4 zum
Stillstand gebracht; iii. Festleg-Kupplung 64 wird geschlossen, εo daß eine starre Verbindung zwischen Ständer 8' und dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 herrscht; iv. Wechselmoment zur Verringerung von Drehungleich¬ förmigkeiten der Triebwelle 10 wird von der elek¬ trischen Maschine 4 erzeugt.
Das Schließen der Kupplungen 60, 63, 64 erfolgt nur bei jeweils verschwindender Relativdrehzahl. Die Generatorfunk¬ tion und bremsende oder antreibende Zusatz-Drehmomente werden - wie die Synchroniεierungεfunktion und die Dreh- ungleichförmigkeitε-Verringerung - bei geεchloεεener Über- brückungskupplung 60 und geschlossener Festleg-Kupplung 64 durch entsprechende bremsende bzw. antreibende Momente der elektrischen Maschine 4 verwirklicht.
Andere Ausführungsformen starten den Verbrennungsmotor 1 direkt, und zwar bei geschlossener Uberbruckungskupplung 60 und geschlossener Festleg-Kupplung 64.
Die elektrische Maschine 4 gemäß Fig. 5 entspricht funk- tionell weitgehend der in Fig. 4 gezeigten, so daß die Ausführungen zu Fig. 4 sowie 1 bis 3 auch hier - soweit sie nicht im folgenden genannte Abweichungen betreffen - Gel¬ tung haben. Ein wesentlicher Unterschied zur Maschine gemäß Fig. 4 besteht darin, daß die Umschaltung von "dreh¬ barem Läufer" auf "festεtehenden Läufer" nicht mechaniεch durch Öffnen und Schließen von Kupplungen, sondern auf elektrischem Wege erfolgt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß bei der gezeigten Maschine 4 die Rollen der Triebwelle 10 und der Abtriebswelle 55 gegenüber Fig. 4 vertauscht sind, was zu geringfügigen - unten näher erläu- terten - Abweichungen in der Funktionεweiεe führt. Bei (nicht gezeigten) Ausführungsformen entsprechen die Rollen der Triebwelle 10 und der Abtriebswelle 55 jedoch denen von Fig. 4; diese Ausführungsformen zeigen nicht diese Abwei¬ chungen.
Bei der gezeigten elektrischen Maschine 4 sind - wie gesagt - der (außenliegende) Ständer 8' und der (innenliegende) Läufer 9 drehfest und nicht entkoppelbar mit der Abtriebs¬ welle 55 bzw. der Triebwelle 10 verbunden. Zuεätzlich zum drehbaren Ständer 8' ist die Maschine 4 mit einem gegen Drehung festliegenden Ständer 8 ausgerüεtet, der sich (z.B.) gegen das Kurbelgehäuse 61 abstützt. Dieser iεt dem drehbaren Ständer 8' unmittelbar benachbart, und zwar in Axialrichtung (z.B.) zum Verbrennungsmotor 1 hin versetzt. Er ist koaxial zum drehbaren Ständer 8' angeordnet und weist einen Innendurchmesεer wie jener auf. Die Wicklungen der beiden Ständer 8', 8 εind eigenständig, so daß sie in ihrer Magnetfelderzeugung entkoppelt oder entkoppelbar sind. Der Läufer 9 ist εo breit auεgebildet, daß er εich in Axialrichtung im wesentlichen über die Wirkflächen der beiden Ständer 8', 8 erstreckt. Eine Uberbruckungskupplung 60 koppelt - wie in Fig. 4 - die Triebwelle 10 mit der Ab¬ triebswelle 50. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungs¬ formen sind der Läufer 9 außen- und die Ständer 8' , 8 in¬ nenliegend.
Das Umschalten zwischen dem festliegenden Ständer 8 und dem drehbaren Ständer 8' erfolgt mit Hilfe einer umεchaltbaren Versorgungseinheit, hier eines geeignet umschaltbaren Wech¬ selrichters. Dieser versorgt entweder für die Funktionen Direktstart, Drehungleichförmigkeits-Verringerung, Fahr- zeugbremsung und -beschleunigung εowie die Generatorfunk¬ tion den festgelegten Ständer 8 oder für die Funktionen elektomagnetische Kupplung, Synchronisierung sowie Schwung¬ rad-Start den drehbaren Ständer 8' mit den hierfür jeweils erforderlichen Strömen und Spannungen, wobei er zwiεchen diesen trägheitslos und ohne merkliche Zeitverzögerung umschalten kann.
Anders als in Fig. 4 wird die Funktion "Synchronisierung" durch Momenterzeugung zwischen dem drehbaren Ständer 8' und dem Läufer 9 gesteuert, waε steuerungstechnisch wegen der Abstützung gegen die drehzahlvariable Triebwelle 10 auf¬ wendiger ist. Dies liegt daran, daß bei der Maschine 4 gemäß Fig. 5 die Überbrückungεkupplung 60 in Abtriebεrich- tung gesehen hinter der durch den festliegenden Ständer 8 und den Läufer 9 gebildeten elektrischen Maschine liegt, während sie bei der Maschine 4 gemäß Fig. 4 bei festlie¬ gendem Ständer vor der elektrischen Maschine liegt. Bei der (nicht gezeigten) Ausführungsform, bei der die Rollen der Triebwelle 10 und der Abtriebswelle 55 gegenüber Fig. 5 vertauscht sind, ist dieser funktionelle Unterschied zu Fig. 4 nicht vorhanden.
Bei anderen Ausführungsformen werden die beiden Ständer 8, 8' simultan und unabhängig mit Hilfe zweier unabhängiger Versorgungseinrichtungen, hier Wechselrichter gespeiεt. Dies ermöglicht eine Ausführung von dem festliegenden Stän- der 8 zugeordneten Funktionen, z.B. der Generatorfunktion und der Drehungleichförmigkeits-Verringerung auch während der Ausführung von dem drehbaren Ständer 8' zugeordneten Funktionen, z.B. der elektromagnetischen Kupplungsfunktion.
Eine weitere (nicht gezeigte) Auεführungεform der elektri¬ schen Maschine mit einem Läufer, einem permanent festlie¬ genden Ständer und einer mechanischen Kupplung zwiεchen dem Antriebsaggregat und der elektrischen Maschine erlaubt eine aktive Getriebesynchronisierung, stellt jedoch keine elek- tromagnetische Kupplungsfunktion bereit.
Die Fig. 6a - c veranschaulichen die Funktion der Drehun¬ gleichförmigkeitsverringerung und die Überlagerung von Wechsel- und Gleich-Drehmoment.
Fig. 6a zeigt (mit durchgezogener Linie) die Drehzahl n einer Welle als Funktion des Kurbelwellenwinkels φ . Die Welle führt um eine mittlere Drehzahl (hier 3000 Umdrehun¬ gen pro Minute) periodisch Drehzahlschwankungen zu kleine ren und größeren Drehzahlen hin aus, welche in dieεem idea¬ lisierten Beispiel insgesamt einen im wesentlichen sinus¬ förmigen Verlauf haben. Bei der Welle handelt eε εich bei- spielsweise um die Kurbelwelle eines Vierzylinder-ViertaT<t- Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, die in der zweiten Ordnung (d.h. bei einer Frequenz von 100 Hz) eine relativ große, von den Gas- und Maεεenkräften herrührende Drehung- leichförmigkeit aufweist. Zur Veranschaulichung ist auch das für eine Umdrehung der Welle benötigte Winkelintervall eingezeichnet. Im allgemeinen treten bei einer Welle außer¬ dem (hier nicht dargestellte) Drehungleichförmigkeiten höherer Ordnungen und solche stochastiεcher Natur auf. Ihr Verlauf ist also i.a. nicht sinuεförmig.
Im weεentlichen proportional zu den Drehungleichförmigkei¬ ten sind Schwankungen des Drehmoments Mv deε Verbrennungε¬ motorε um ein mittleres Drehmoment. Die durchgezogene Linie in Fig. 6a veranschaulicht damit auch den Verlauf des Mo¬ tor-Drehmoments Mv als Funktion deε Kurbelwellenwinkels ψ .
Fig. 6b veranschaulicht das Gesamt-Drehmoment Me als Funk¬ tion deε Wellenwinkelε ψ, daε von einer mit der Welle ge- koppelten elektriεchen Maεchine mit festliegendem Ständer aufgebracht wird. Der Verlauf des Maschinendrehmoments Me entspricht weitgehend dem der Drehungleichförmigkeit und des Motor-Drehmoments Mv, ist jedoch entgegengesetzt ge¬ richtet. D.h. , bei einer Drehungleichförmigkeit zu höheren Drehzahlen hin (sog. poεitive Drehungleichförmigkeit) er¬ zeugt die elektriεche Maεchine ein die Welle bremεendeε Drehmoment (sog. negatives Drehmoment) , wohingegen sie bei einer Drehungleichförmigkeit zu niederen Drehzahlen hin (sog. negative Drehungleichförmigkeit) ein antreibendes Drehmoment (sog. positives Drehmoment) erzeugt. Der Betrag des Drehmoments Me ist so gewählt, daß die Drehungleichför¬ migkeit - und die zu ihr proportionale Schwankung deε Dreh¬ moments Mv - durch dessen Wirkung wesentlich verringert wird oder sogar praktisch verεchwindet, wie in Fig. 6a durch die gestrichelte Linie veranschaulicht ist. Bei der in Fig. 6b gezeigten Betriebsweise sind die negati¬ ven und positiven Drehmomentextrema betragsmäßig gleich groß. Die bei einer Bremsphaεe gewonnene Energie ist also im wesentlichen gleich groß wie die bei der folgenden An- triebsphase aufzuwendende Energie. Der Energiefluß nach außen ist somit Null, es wird nur im Inneren des System zeitweise Bremsenergie zwischengeεpeichert. Daε Syεtem arbeitet also in dieser Betriebsweiεe alε reiner Drehun¬ gleichförmigkeits-Verringerer mit schnell variierendem Drehmoment, ohne Erzeugung eineε Zusatz-Drehmoments.
Ein Beispiel für eine demgegenüber modifizierte Betriebs¬ weise des Systems mit überlagertem Gleich-Drehmoment iεt in Fig. 6c gezeigt: Der zeitliche Verlauf deε Gesamt-Drehmo- ments Me entspricht dem von Fig. 6b, es ist jedoch global um einen bestimmten Betrag ΔMe (den sog. Hub) in negative Richtung verschoben. Der Hub ΔMe wird im allgemeinen lang¬ sam variieren, in dem hier dargestellten kurzen Zeitrahmen von ungefähr einer Umdrehungεperiode iεt er jedoch in guter Näherung konstant. Der Hub ΔMe iεt hier kleiner alε die Amplitude der schnelle Variation des Drehmoments, so daß das Gesamt-Drehmoment Me alternierend positive und negative Werte annimmt. Gemittelt über die schnelle Drehmomentvaria¬ tion erhält man ein konstantes Drehmoment -ΔMe. Dem Ver- brennungsmotor wird also im Mittel mechanische Energie entzogen, die weitgehend in elektriεche Energie umgewandelt und dem System entnommen wird. Die elektrische Maschine hat also in dieser Betriebsart neben der Funktion als Drehun¬ gleichförmigkeits-Verringerer die Funktion eines elektri- sehen Generators, der Strom z.B. zum Ausgleichen der Be¬ triebsverluste des Systems, zum Laden der Fahrzeugbatterie und/oder zum Betreiben elektrischer Verbraucher liefern kann. Entsprechende Verhältnisεe liegen bei einer alε Kupp¬ lung wirkenden elektriεchen Maεchine mit drehbarem Statur vor: Die Maεchine überträgt für die Kupplungεfunktion ein nur langεam variierendes Drehmoment, dem zur Drehungleich- förmigkeitsverminderung im Abtriebsbereich ein schnell variierendes Drehmoment, wie in Fig. 6a überlagert wird.
Falls der Hub ΔMe größer als die Amplitude zur Verringerung der Drehungleichförmigkeit ist, wirkt die elektrische Ma¬ schine nur noch bremsend und nicht mehr antreibend, wobei die Bremswirkung in ihrem Betrag entsprechend Fig. 6b und 6c gegenphasig zur Drehungleichförmigkeit variiert.
Allein durch eine entsprechende Einstellung der (Softwa¬ re-) Steuerung der elektrischen Maschine - ohne jegliche konstruktive (Hardware-)Änderungen - sind kleine und sehr große Generator- und Kupplungεleiεtungen einεtellbar. Be¬ grenzend wirkt nur die Größe der elektriεchen Maschine. Damit kann ein und derselbe Maschinentyp beispielsweiεe für kleine und große Kraftfahrzeugtypen ohne konεtruktive An¬ passung verwendet werden.
Der globale Drehmomentverlauf kann auch in positiver Rich- tung verschoben sein (positiver Hub) . Die elektrische Ma¬ schine arbeitet dann neben ihrer Funktion als Drehungleich- förmigkeitε-Verringerer alε (antreibender) Motor, z.B. um ein Getriebeelement zwecks Synchronisierung zu beschleuni¬ gen oder den Verbrennungsmotor bei einer Fahrzeugbeschleu- nigung zu unterstützen.
Das in Fig. 7 dargestellte Antriebsεyεtemε eineε Kraftfahr- zeugε, z.B. eineε Perεonenkraftwagenε, weiεt alε Antriebε- aggregat einen Verbrennungεmotor 1 auf, bei dem eε sich beispielsweise um einen Vierzylinder-Viertakt-Otto- oder Dieselmotor handelt. Das vom Verbrennungsmotor 1 erzeugte Drehmoment kann über einen Antriebsstrang 2 auf Antriebs¬ räder 3 übertragen werden. In Abtriebsrichtung ist im An¬ triebsstrang 2 nach dem Verbrennungsmotor 1 über eine Triebwelle 10 (hier die Kurbelwelle des Verbrennungεmotorε 1) zunächst eine elektrische Maschine 4 angeordnet. Auf dieεe folgen über eine Abtriebεwelle 55 ein Getriebe 6 und ein Achsantrieb 7, welcher das Drehmoment vom Getriebe 6 auf die Antriebsräder 3 überträgt. Bei dem Getriebe 6 kann es sich um ein Schaltgetriebe oder ein automatisches Ge¬ triebe handeln. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungs¬ formen ist im Antriebsstrang 2 zwischen Verbrennungsmotor 1 und elektrischer Maschine 4 eine weitere (durch Steuerung betätigte) Kupplung angeordnet, um beim Bremsen mit der elektrischen Maschine 4 einen Mitlauf des Verbrennungsmo¬ tors 1 zu vermeiden.
Die elektrische Maschine 4 - hier eine Drehstrom-Wander¬ feld-Maschine in Asynchron- oder Synchron-Bauart - ent¬ spricht der in Fig. 5 gezeigten Maschine mit elektrisch umschaltbarem Doppelständer. Sie umfaßt zwei äußere Ständer 8, 8' und einen inneren bürstenloεen Läufer 9, der εich in Axialrichtung über die Wirkfläche beider Ständer 8, 8' erstreckt. Der erste, antriebsseitige Ständer 8 stützt sich drehfest gegen den Verbrennungsmotor 1, ein (nicht gezeig¬ tes) Fahrzeugchassis oder ein (nicht gezeigtes) Kupplungs- gehäuse ab, wohingegen der zweite, antriebsεeitige Ständer 8' drehfest mit der Abtriebswelle 55 verbunden ist. Der Läufer 9 sitzt direkt auf der Triebwelle 10 oder einer Verlängerung hiervon und ist mit dieser drehfest gekoppelt. Die Triebwelle 10 und der Läufer 9 sowie die Abtriebswelle und der drehbare Ständer 8' rotieren also jeweils gemein¬ sam, ohne Zwischenschaltung eineε Getriebes. Die Triebwelle 10 und die Abtriebswelle 55, die zwischen dem Läufer 9 und dem drehbaren Ständer 8' getrennt sind, εind mit einer im Inneren des Läufers 9 integrierten formschlüssigen Über- brückungskupplung 60, hier einer steuerbar betätigbaren Klauenkupplung koppelbar.
Die elektrische Maschine 4 erfüllt mehrere Funktionen: Sie fungiert einerseits als elektromagnetische Anfahr- und Schaltkupplung und als aktive Getriebe-Synchronisierein¬ richtung, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 - 5 bereits erläutert wurde, und ersetzt damit eine herkömmliche Fahr- kupplung und erlaubt die Verwendung eineε unsynchronisier- ten Getriebes. Daneben dient sie als Drehungleichförmig¬ keits-Verringerer, wie im Zusammenhang mit Fig. 6 bereits erläutert wurde. Weiter fungiert sie als Generator zur Ladung einer Fahrzeugbatterie 11 und zur Versorgung elek¬ trischer Verbraucher und ersetzt damit eine herkömmlicher¬ weise im Kraftfahrzeug vorhandene Lichtmaschine. Die Gene¬ ratorfunktion kann ferner zum Abbremsen deε Fahrzeugε oder des Verbrennungsmotors 1 dienen. Außerdem kann die elek- trische Maschine 4 als Zusatzmotor ("Booster") fungieren, z.B. um den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen deε Fahr¬ zeugs zu unterstützen. Auch dient sie als Direkt-Starter für den Verbrennungsmotor und kann somit auch einen her¬ kömmlicherweise beim Kraftfahrzeug gesondert vorgesehenen Starter ("Anlasser") ersetzen. Schließlich fungiert sie aufgrund des Massenträgheitsmoments des Läufers 9 alε Schwungrad und kann εo daε bei herkömmlichen Kraftfahrzeu¬ gen i.a. vorhandene, auf der Kurbelwelle εitzende Schwung¬ rad erεetzen.
Die elektrische Maschine 4 ist durch eine Sprühflüssig- keitskühlung 12 innengekühlt. Nach Durchlaufen eines Küh¬ lers 13 und einer Pumpe 14 wird die Kühlflussigkeit - hier ein geeignetes Öl - an den Läufer 9, und zwar in der Nähe von dessen Rotationsachse, gesprüht. Sie wandert aufgrund der Läuferrotation fliehkraftbedingt nach außen und kühlt dabei Läufer 9 und Ständer 8, 8', und verläßt dann ein Gehäuse 15 der elektrischen Maschine 4, um in einem ge¬ schlossenen Kreislauf wieder in den Kühler 13 einzutreten. Der Kühlmittelfluß erfolgt verlustleistungs- und drehzahl¬ abhängig durch entsprechende Steuerung der Pumpe 14, der¬ art, daß sich jeweils im wesentlichen nur eine gerade benö¬ tigte Mindestmenge der Kühlflüεεigkeit im Inneren des Ge¬ häuses 15 befindet. Ein (nicht gezeigtes) Ausgleichsgefäß erlaubt diese Variation der Kühlflüssigkeitsmenge im Gehäu¬ se 15. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungεformen ist die elektrische Maschine (oder nur der Läufer) in ein Kupp- lungs- und/oder Getriebegehäuse integriert und wird durch ein darin befindliches Schmier- und/oder Kühlfluid (z.B. Kupplungs- oder Getriebeöl) mit gekühlt.
Die elektrische Maschine 4 ist außerdem auf der Seite der Triebwelle 10 mit einem Drehtranεformator 16 (sog. Resol¬ ver) ausgerüstet, der vorzugweise mehr als 8 Pole, hier z.B. 12 Pole auweist. Er besteht aus zwei benachbart an¬ geordneten Leiterplatten, von denen eine feststeht und die andere sich mit der Triebwelle 10 dreht. Die Leiterplatten tragen auf ihren zugewandten Oberflächen durch Leiterbahnen gebildete Windungen, derart daß sich ein drehwinkelabhängi- ges Transformator-Übersetzungsverhältniε ergibt. Der Dreh¬ transformator 16 arbeitet nach dem Transponder-Prinzip: Die feststehenden Windungen (festehende Platine) werden aktiv mit Strom/Spannung beaufschlagt und strahlen elektromagne¬ tische Energie zu den drehbaren Windungen (drehbare Plati¬ ne) hin ab. Letztere strahlen einen Teil dieser Energie wieder zurück, wobei dieser Teil aufgrund deε drehwinkel- abhängigen Übertragungεverhältniεεes vom Drehwinkel ab¬ hängt. Der rückgestrahlte Teil erzeugt in den feststehenden Windungen ein drehwinkelabhängiges Signal. Eine Auswertung dieses Signals liefert den momentanen Drehwinkel der Trieb¬ welle 10 mit einer Genauigkeit von wenigstens 0,5 Grad. Bei einfacheren Ausführungεformen wird ein Inkrementalgeber verwendet oder völlig auf einen entεprechenden Geber ver¬ zichtet.
Ein Wechεelrichter 17 liefert in umschaltbarer Weise entwe- der dem festliegenden Ständer 8 oder dem drehbaren Ständer 8' oder beiden parallel bei einer sehr hohen Taktfrequenz (z.B. 10-100 kHz) sinuεbewertete pulεweitenmodulierte Span¬ nungsimpulse, die unter der Wirkung der Maschineninduktivi¬ tät im wesentlichen sinusförmige Dreiphasen-Ströme ergeben, deren Amplitude, Frequenz und Phase frei vorwählbar ist. Die Zuführung zum drehbaren Ständer 8 ' erfolgt über Dreh¬ kontakte, hier Schleifer/Schleifring-Kontakte. Der Wechεelrichter 17 iεt ein Spannungszwischenkreis-Wech¬ selrichter und umfaßt drei Baugruppen: einen Gleichspan- nungsumsetzer 18 (Eingangsbaugruppe) , welcher Gleichspan¬ nung von einem niedrigen Niveau (hier 12 V) auf ein höheres Zwischenkreisniveau (hier 60 V oder 350 V) und in umgekehr¬ ter Richtung umsetzt, einen elektrischen Zwischenkreisεpei- cher 19, hier ein Kondenεator bzw. eine Anordnung parallel geschalteter Kondensatoren, und einen Maschinenwechselrich¬ ter 21 (Ausgangsbaugruppe) , welcher aus der Zwiεchenkreiε- Gleichεpannung die (getaktete) Dreiphasen-Wechselεpannung variabler Amplitude, Frequenz und Phaεe erzeugen kann oder
- bei generatoriεchem Betrieb der elektriεchen Maεchine 4 - derartige beliebige Wechεelεpannungen in die Zwiεchen- kreis-Gleichspannung umsetzen kann. Bei anderen (nicht gezeigten) Auεführungεformen liegt daε Zwiεchenkreiεniveau am oberen Rand deε ohne beεonderen Berührungεεchutz zuläε- sigen Niederspannungεbereichs, hier 60 V.
Die drei Baugruppen 18, 19, 20 des Wechselrichters 17 sind in einem metallischen Gehäuse 21 hermetisch eingeschlosεen, welcheε mit einem geeigneten Siedekühlmittel gefüllt iεt. Bei dieεem handelt eε sich z.B. um einen Fluorkohlenwasser¬ stoff, der bei einem geeigneten Druck (etwa zwischen 50 mbar und 3 bar) einen geeigneten Siedepunkt, z.B. bei 60° C, hat. Verdampftes Siedekühlmittel kann in einem Kondensa- tionεkühler 22 kondenεieren und in flüεεiger Form in einem geschlossenen Kreislauf in das Gehäuse 21 zurückkehren. Daε Gehäuse 21 mit dem Kühlkreiεlauf iεt hermetiεch dicht.
Der Gleichεpannungsumεetzer 18 iεt niederεpannungεεeitig mit der Fahrzeugbatterie 11 und verschiedenen Niederspan¬ nungverbrauchern 23, wie beispielεweiεe Beleuchtung und elektroniεche Geräte, verbunden. Der Wechselrichter 17 kann einerseitε Strom auf niedrigem Spannungεniveau zum Laden der Fahrzeugbatterie 11 und Versorgen der Niederspannungs¬ verbraucher 23 liefern, andererseits kann er der Fahrzeug¬ batterie 11 Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Starten des Verbrennungsmotors 1 entnehmen. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen befindet sich die Fahrzeug¬ batterie auf Zwischenkreiεniveau und iεt direkt mit dem Zwischenkreis gekoppelt.
Der Zwischenkreisspeicher 19 ist verbunden mit einem exte¬ rnen Zusatzspeicher 24, bei dem es sich um einen elektri¬ schen Speicher, hier eine Zusatzkapazität 25, und/oder einen Schwungradspeicher 26 handeln kann. Der Zusatzspei- eher 24 hat in erster Linie die Aufgabe, die beim Drehung- leichförmigkeits-Verrringern in einer Bremεphase gewonnene Energie zwischenzuεpeichern und für die anεchließende An¬ treibphase wieder abzugeben. Daneben dient er auch der Speicherung derjenigen Energie, die beim Anfahren (d.h. Schlupfenergie) , beim abbremsenden Synchronisieren sowie bei anderen, durch die elektrische Maschine 4 vermittelten Bremsvorgängen anfällt. Diese Energie kann z.B. für ent¬ sprechende Funktionen mit Energiebedarf wiederverwendet werden. Schließlich kann er die Fahrzeugbatterie 11 beim Startvorgang des Verbrennungsmotors 1 entlasten, indem dieser Energie nur langsam entnommen und im Zusatzspeicher 24 gespeichert wird. Hier steht εie dann für eine εchnelle Entnahme beim Startvorgang zur Verfügung.
Hingegen hat der (innere) Zwiεchenkreisspeicher 19 im we¬ sentlichen die Aufgabe, der Maschinen-Wechεelrichtergruppe 20 Spannung mit der für daε Takten notwendigen hohen Flan¬ kensteilheit - also schnell - zu liefern. Er braucht dazu keine εehr hohe Kapazität (er hat z.B. 2 μF) , vorteihaft für die Schnelligkeit εind vielmehr geringe Zuleitungεin- duktivitäten, waε durch die Anordnung im Inneren des Wech¬ selrichters 17 sichergestellt iεt (und zwar vorzugεweiεe auf derεelben Platine, auf der auch die elektroniεchen Schalter deε Maεchinen-Wechselrichters 20 angeordnet εind) . Der Zuεatzspeicher 24 kann hingegen relativ langsam arbei¬ ten, so daß hier die Zuleitungskapazitäten aufgrund der externen Anordnung nicht stören. Die Zusatzkapazität 25 kann insbesondere 50 bis 10000 mal größer sein (sie ist hier z.B. 4,7 mF für die Speicherung der Drehungleichför- migkeits-Energie) als die des Zwischenkreisspeicherε 19.
Noch größere Speicherkapazitäten εind mit dem Schwungrad¬ speicher 26 erreichbar, der hier eine eigene wechselrich¬ tergesteuerte elektrische Maschine 27 und eine damit gekop¬ pelte Schwungmasse 28 umfaßt. Letztere kann durch ein ge¬ sondertes Schwungrad gebildet oder in den Läufer der elek- trischen Maschine 27 integriert sein. Das Masεenträgheitε moment der Schwungmasse 28 beträgt vorzugεweiεe 0,05 biε 2 kgm2. Eε iεt auch möglich, in dem Schwungradspeicher 26 ein Mehrfaches der zum Starten deε Verbrennungsmotors 1 benötigten Energie zu speichern und ihm zum Starten schnell (d.h. in weniger als einer Sekunde) die jeweils nötige Startenergie zu entnehmen.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist kein gesonderter Zusatzspeicher 24 vorgesehen. Hier ist der Zwischenkreiεεpeicher 19 εo dimenεioniert und ggf. außer¬ halb des Wechselrichters 17 angeordnet, daß er die Funk¬ tionen des Zusatzεpeicherε 24 mit übernehmen kann.
Beim Anfahren mit großem Kupplungεschlupf ist die vom Ver- brennungsmotor 1 abgegebene Leiεtung i.a. wesentlich größer als die von den Antriebsrädern 3 abgeführte. Für den Fall, daß die Speicherkapazität und/oder -leistung nicht aus¬ reicht, um die Differenzenergie bzw. -leistung aufzunehmen, ist ein elektrischer Widerstand 124 zum Verheizen eines Teils oder der ganzen Differenzleistung vorgesehen. Er ist elektrisch über eine (nicht gezeigte) Steuereinrichtung mit dem Zwiεchenkreiε verbunden. Thermisch ist er mit dem Kühl¬ kreislauf des Verbrennungsmotor 1 gekoppelt.
Der Zwischenkreis mit seinem hohen Spannungsniveau (hier 350 V) verεorgt verschiedene Hochleistungεverbraucher, wie eine Klimamaschine 29 und Servoantriebe 30 mit elektrischer Energie. Während derartige Hochleistungεverbraucher her¬ kömmlicherweise durch mechanische Kopplung vom Verbren¬ nungsmotor 1 angetrieben werden, erlaubt das hier zur Ver¬ fügung stehende hohe Spannungsniveau einen wirkungsgradmä- ßig günstigeren, rein elektrischen Antrieb.
Eine Steuereinrichtung 31 bestimmt, welcher Ständer 8, 8' angesteuert wird und gibt dem Wechselrichter 17 durch ent¬ sprechende Ansteuerung seiner Halbleiterschalter zu jedem Zeitpunkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phase die von ihm zu erzeugende Wechselspannung haben soll. Die Steuer¬ einrichtung 31, die beispielsweise durch ein entsprechend programmierteε Mikrocomputer-System gebildet sein kann, bestimmt zunächst den Betrag und die Richtung des Drehmo- ments, welches die elektrische Maschine 4 zu einem bestimm¬ ten Zeitpunkt erzeugen soll. Sie kann dies z.B. mit Hilfe gespeicherter Kennfeldwerte tun, die für die verschieden¬ sten Betriebszustände für Kupplungsvorgänge das Soll-Dreh¬ moment (oder den Soll-Kupplungsschlupf) sowie für Getriebe- synchronisierungs-Vorgänge die Soll-Drehzahl, jeweilε alε Funktionen der Zeit, repräεentieren. Gegebenenfallε kann die Drehmomentbeεtimmung ergänzt sein durch eine laufende Messung dieser Größen und eine rückgekoppelte Regelung, welche die Einhaltung der Vorgaben sicherstellt. Zur Dreh- ungleichförmigkeits-Verringerung kann die Steuereinrichtung 31 Betrag und Richtung des zu erzeugenden Drehmoments mit Hilfe einer Kennfeldsteuerung ermitteln, indem sie alε Eingangεinformation vom Drehtranεformator 16 die Winkel¬ stellung der Triebwelle 10, die momentane mittlere Drehzahl und ggf. weitere Betriebsparameter, wie z.B. die Drosεel- klappenstellung, erhält und aus einem gespeicherten Kenn¬ feld die momentan zu erwartende Drehungleichförmigkeit in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern ermittelt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die tatsächlich momentan vorliegende Drehungleichförmigkeit zu ermitteln, z.B. durch Berechnung der momentanen Drehgeεchwindigkeit auf der Grundlage der vom Drehtranεformator 16 gelieferten Informa- tion und/oder durch Auεwertung der momentan im Verbren¬ nungsmotor 1 vorliegenden Gasdrücke, welche mit Hilfe von Gasdrucksensoren 32 detektierbar sind, εowie durch Erfaε- sung der momentanen Drehmoments des Verbrennungsmotors 1 mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Drehmomentnabe im An¬ triebsεtrang. Möglich iεt auch eine Kombination von Rege¬ lung und Steuerung. Auε dem εo ermittelten Wert für die momentane Drehungleichförmigkeit wird ein entεprechender (gegenphaεiger) Wert für daε εchnell variierende Soll-Dreh- moment der elektrischen Maschine 4 abgeleitet, dem ggf. ein positiveε oder negativeε Gleich-Drehmoment gewünεchter Stärke additiv überlagert wird. Zum Starten deε Verbren¬ nungsmotors 1 kann das Soll-Drehmoment auf der Grundlage gespeicherter Werte bestimmt werden, die den zeitlichen Soll-Verlauf der Drehzahl oder des Drehmoments der elek¬ trischen Maschine 4 während des Startvorgangs vorgeben, ggf. ergänzt durch eine Meεεung dieser Größen und eine rückgekoppelte Regelung, welche die Einhaltung der Vorgaben sicherstellt.
In einem zweiten Schritt bestimmt die Steuereinrichtung 31, welche Amplitude, Frequenz und Phase der Spannung bzw. des Stroms vom Wechselrichter 17 bereitgestellt werden muß, damit die elektrische Maεchine 4 dieεes Soll-Geεamtdrehmo- ment herbeiführt. Dieεe Beεtimmung erfolgt bei der elek¬ trischen Asynchronmaεchine auf der Grundlage einer feld¬ orientierten Regelung, welche auf einer Modellrechnung der elektriεchen Maεchine 4 beruht und als Eingangsinformation im wesentlichen die meßbaren elektrischen Ständergrößen (Amplitude, Frequenz und Phase von Strom und Spannung) und die momentane mittlere Läuferdrehzahl verwendet.
In Fig. 7 ist die Steuereinrichtung 31 als außerhalb des
Wechselrichtergehäuseε 21 angeordnet dargestellt. Um die Zuleitungsinduktivitäten gering zu halten und auch an der
Siedebadkühlung zu partizipizieren, ist sie jedoch bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen im Inneren "des Wechselrichtergehäuseε 21 angeordnet.
Die Steuereinrichtung 31 teilt verεchiedene, zur Erfüllung ihrer Steueraufgaben dienende Sensoren bzw. davon abgelei¬ tete Sensorinformationen mit einem Motorsteuergerät 33 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 1. Im einzelnen handelt es sich z.B. um den Drehtransformator 16 (Winkellagegeber) , die Gasdrucksensoren 32, daneben (nicht gezeigte) Sensoren zur Erfaεεung der mittleren Drehzahl, deε Laεtzustandes des Verbrennungsmotors 1 (z.B. über die Drosselklappenεtellung) und dessen Drehmoments (z.B. mit Hilfe einer Drehmomentna¬ be) , sowie die Drehzahl des Achsantriebs 7 und der einge¬ legten Gangεtufe.
Außerdem kommuniziert die Steuereinrichtung 31 mit einer Vielzahl weiterer Steuergeräte: ein (nicht gezeigtes) Ener¬ gieverbrauchs-Steuergerät gibt an, wieviel Energie zum Laden der Fahrzeugbatterie 11, zur Versorgung der Nieder- spannungsverbraucher 23 und der Hochleistungεverbraucher 29, 30 benötigt wird, εo daß die Steuereinrichtung 31 eine entsprechende globale Drehmomentverstellung ΔMe (siehe Fig. 6c) veranlassen kann. Das Motorsteuergerät 33 gibt der Steuereinrichtung 31 vor, ob die elektrische Maεchine 4 zusätzlich zu ihrer Kupplungs- und Synchronisierungεfunk- tion sowie der Schwingungsverringerungs-Funktion fahrzeugb¬ eschleunigend oder -bremsend wirken soll, so daß dieεe eine entsprechende globale Drehmomentverschiebung ΔMe veranlas¬ sen kann und ggf. die Drehungleichförmigkeits-Verringe- rungsfunktion vorübergehend abεchalten kann. Entεprechend gibt ein ASR-Steuergerät 34 der Steuereinrichtung 31 bei Vorliegen von Antriebεεchlupf vor, daß die elektriεche Maschine 4 vorübergehend den Kupplungsεchlupf vergrößern soll oder als generatorische Bremse wirken soll, ggf. bevor das ASR-Steuergerät bei verbleibendem Antriebsschlupf als massivere Maßnahme ein Einbremsen der betroffenen An- triebεräder durch die Radbremεe veranlaßt. Zuεätzlich kann das ASR-Steuergerät seine Schlupfinformation an das Mόtor- steuergerät 33 übergeben, um außerdem eine Verringerung des Verbrennungsmotor-Drehmoments zu veranlasεen. Daε Motor¬ steuergerät 33 führt auch eine automatische Start-Stop- Steuerung durch und gibt der Steuereinrichtung 31 vor, ob die elektrische Maschine 4 den Verbrennungsmotor 1 starten soll.
Bei jeder Art von Bremsen gewonnene Energie wird - soweit möglich - im Zusatzspeicher 24 gespeichert, um zum späteren Antreiben der elektrischen Maschine 4 wiederverwendet oder der Fahrzeugbatterie 11 zugeleitet zu werden. Überschu߬ energie wird im Widerstand 124 verheizt.
Die in Fig. 8 näher dargestellte elektrische Maschine 4 hat einen Außendurchmeεεer von ungefähr 250 mm und eine Länge in Axialrichtung von 55 mm und erbringt bei einem Gewicht von 10-15 kg ein Dauerdrehmoment von ca. 50 Nm und ein Spitzendrehmoment von ca. 150 Nm. Sie kann Drehzahlen erreichen, die den Spitzendrehzahlen üblicher Verbrennungε- motoren (ca. 6000 biε 10000 U/min) entεpricht und iεt dreh- zahlfeεt biε 14000 U/min. Die elektrische Maschine 4 hat einen außenliegenden Ständer 8 (zur Vereinfachung ist hier nur ein Ständer dargestellt, für den anderen gilt entspre- chendes) , welcher Nuten 35 in Richtung der Triebwelle 10 (Axialrichtung) aufweiεt. Der Ständer 8 trägt eine Drei- Phaεen-Wicklung 36, die εo auεgebildet iεt, daß εie bei Beaufschlagung mit Drei-Phasen-Strom zwölf Pole ausbildet. Pro Pol sind drei Nuten 35, insgesamt also sechεunddreißig Nuten 35 vorhanden. (Bei anderen (nicht gezeigten) Ausfüh- rungεformen εind zweckε Verringerung von Streueffekten pro Pol wenigεtens 6, vorzugεweiεe neun Nuten vorhanden.) Die Pole laufen mit der Drehεtrom-Oεzillation in einer Kreiεbe- wegung im Ständer 8 um. Für einen beεtimmten Zeitpunkt iεt ihre momentane Lage durch Pfeile, welche die Bezugszeichen "S" (für Südpol) und "N" (für Nordpol) tragen, veranschau¬ licht. Ein die Nuten 35 nach außen abschließender Rücken 37 ist in Radialrichtung relativ dünn, seine Dicke beträgt (an der Stelle einer Nut 35) vorzugsweise 3-25 mm. Der Ständer 8 ist aus dünnen Statorblechen (die Dicke beträgt hier 0,25 mm) aus einem Material mit niedrigen Ummagnetiεierungsver- lusten (hier kleiner als 1 W/kg bei 50 Hz und einem Tesla) aufgebaut, mit senkrecht zur Axialrichtung verlaufenden Blechebenen.
Der innenliegende Läufer 9 ist bei der Aεynchron-Maεchine als Käfigläufer mit im wesentlichen in Axialrichtung ver¬ laufenden Käfigstäben, die jeweils stirnseitig mit einem Kurzschlußring 38 verbunden sind, ausgebildet. Beim der Synchronmaschine trägt der Läufer 9 eine entsprechende Zahl von Polen wie der Ständer 8 (hier zwölf Pole) , die durch Permanentmagnete oder entsprechend erregte Spulen gebildet sein können. In Fig. 8 ist die Synchronmaschine ebenfalls veranschaulicht, indem die bei ihr vorhandenen Läuferpole (Bezugsziffer 39) schematiεch angedeutet sind.
Der Luftspalt 40 zwischen Läufer 9 und Ständer 8 ist rela¬ tiv groß; seine Weite beträgt 0,25 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm.
Bei anderen (nicht gezeigten) Auεführungεformen iεt der Läufer außenliegend und der Ständer innenliegend.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist in einer elektri¬ schen Maschine 4 mit nur einem (festliegenden) Ständer 8 eine reibschlüεsige Kupplung 5, die als Anfahr- und Schalt- kupplung dient, integriert. Bei dieεer Ausführungεform hat die elektriεche Maεchine 4 eine Synchroniεierfunktion, jedoch keine elektromagnetiεche Kupplungεfunktion. Inner¬ halb deε z.B. am Motor- oder Getriebegehäuse drehfest gelagerten Ständers 8 ist der Läufer 9 an seiner Peripherie einseitig über einen axial seitlich ausragenden Käfig 54 mit der Triebwelle 10 des Verbrennungεmotors 1 drehfest verbunden. Der Läufer 9 ist innen hohl und hat im wesentli- chen die Form eineε flachen Kreiεzylinder-Mantelε. In dem Hohlraum ist die Kupplung 5 - hier eine Lamellenkupplung (Vielflächen-Reibscheibenkupplung) - angeordnet. Sie kann einen Kraftschluß zwischen der Triebwelle 10 mit dem Läufer 9 und in den Hohlraum ragenden Abtriebswelle 55 zum Getrie¬ be 6 herstellen. Hierzu ist der Läufer 9 innenverzahnt und die Abtriebswelle 55 im Bereich des Hohlraums außenver¬ zahnt. In dem Raum dazwischen ist ein Scheibenpaket 56 angeordnet, dessen Scheiben 57 abwechselnd außen- und in- nenverzahnt sind, so daß abwechselnd jeweils eine Scheibe mit dem Läufer 9 (Außenlamelle 57a) und die nächste Scheibe mit der Abtriebεwelle 55 (Innenlamelle 57b) formεchlüεεig verbunden ist. Ohne axialen Druck können die Außen- und Innenlamellen 57a, 57b praktisch frei gegeneinander rotie- ren, die Wellen 10, 55 εind dann entkuppelt. Preßt man die Außen- und Innenlamellen 57a, 57b mit Hilfe einer (nicht dargestellten) steuerbar betätigbaren Druckvorrichtung (z.B. eines Winkelhebels) in Axialrichtung zusammen, stel- len die entstehenden Reibkräfte den Kraftschluß zwischen den Wellen 10, 55 her, εo daß εich das vom Verbrennungs¬ motor 1 und der elektrischen Maεchine 4 erzeugte Drehmoment auf die Abtriebεwelle 55 überträgt. Der Kraftschlußteil (d.h. hier das Scheibenpaket 56) der Kupplung 5 findet vollständig im Läufer 9 Platz, ragt also nicht etwa in Axialrichtung seitlich aus ihm heraus. Die Kupplung 5 iεt als Naßkupplung ausgeführt. Daε Kupplungsöl dient gleich¬ zeitig der Kühlung der elektrischen Maschine 4. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungεformen εind andere εchaltbare kraftschlüssige Kupplungen integriert, z.B. eine Einschei- ben-Kupplung in Trocken- oder Naßbauweise.
In entsprechender Weiεe iεt bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen mit elektromagnetischer Kupplungsfunktion eine mechanische Überbrückungεkupplung in die elektriεche Maεchine integriert. Ein Unterεchied zu Fig. 9 besteht dann beispielsweise nur darin, daß die Abtriebεwelle 55 mit dem (dann drehbaren) Ständer 8 drehfest verbunden ist. Fig. 10 zeigt einen schematischen Schaltplan des Wechsel¬ richters 17. Man erkennt den Zwischenkreisspeicher 19 in Form einer Kapazität, welcher der (hier nicht näher darge¬ stellte) Zusatzspeicher 24 sowie der Widerstand 124 par- allelgeschaltet ist. Die Kapazität und der Widerstand sym¬ bolisieren ggf. Parallelschaltungen mehrerer Kondensatoren bzw. Widerstände.
Der Maschinenwechselrichter 20 wird durch drei parallelge- schaltete (aber unabhängig schaltbare) Schaltergruppen 42 gebildet, wobei jede der Schaltergruppen 42 für die Erzeu¬ gung jeweils einer der drei Drei-Phasen-Spannungen zustän dig ist. Jede der Schaltergruppen 42 ist eine Serienschal- tung zweier (unabhängig εchaltbarer) Schalter 43 zwiεchen dem Pluε- und dem Minuspol des Zwischenkreises. Die Serienschaltung ist mittig (d.h. zwischen den Schaltern 43) mit einer Seite jeweilε einer der drei Wicklungen 36a, 36b, 36c der Drei-Phaεenwicklung 36 verbunden; an der anderen Seite sind die drei Wicklungen 36a, 36b, 36c miteinander verbunden.
Parallel zu den Schaltern 43 ist jeweils eine Freilaufdiode 44 geschaltet. Sie iεt εo gepolt, daß εie normalerweise sperrt und, nur wenn der gegenüberliegende Schalter geöff- net wird, einen aufgrund von Selbstinduktion erzeugten, kurzzeitigen Stromfluß in Gegenrichtung durchläßt.
Jeder Schalter 43 εymbolisiert eine Parallelschaltung von mehreren (z.B. fünf) MOS-Feldeffektransistoren, welche von der Steuereinrichtung 31 zur Bildung eines Drei-Phasen- Stroms gewünschter Amplitude, Frequenz und Phase direkt angesteuert werden.
Der Gleichspannungsumsetzer 18 umfaßt zwei Unter-Baugrup- pen, nämlich eine, welche elektrische Energie von dem nied¬ rigen Spannungsniveau (12 V) auf das hohe Zwiεchenkreis- Spannungsniveau (60 V bzw. 350 V) bringen kann, und eine andere, welche - umgekehrt - elektrische Energie von dem hohen Spannungsniveau (60 V bzw. 350 V) auf das niedrige Spannungεniveau (12 V) bringen kann. Bei Ausführungsformen mit im Zwischenkreis angeordneter Fahrzeugbatterie kann die erstgenannte Unter-Baugruppe entfallen.
Bei der ersten Unter-Baugruppe handelt es z.B. sich um einen Hochsetzsteller 45. Dieser wird durch eine Serien¬ schaltung einer mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie 11 verbundenen Induktivität 46 und einen mit deren Minuspol und dem Minuspol des Zwiεchenkreiεes verbundenen Schalter 47 gebildet, wobei dieεe Serienεchaltung mittig über eine (in Durchlaßrichtung gepolte) Hochεetzdiode 48 mit dem Pluspol des Zwischenkreiεes verbunden ist. Bei geschloεse nem Schalter 47 fließt ein Kreisεtrom vom Pluε- zum Minuε pol der Fahrzeugbatterie 11. Nach Öffnen deε Schalters 47 sucht eine Selbstinduktionεεpannung ein Zusammenbrechen dieseε Stromes zu verhindern, mit der Folge, daß kurzzeitig das hohe Zwischenkreiε-Spannungεniveau (60 V bzw. 350 V) überεchritten wird und Strom durch die (ansonsten sperren¬ de) Hochsetzdiode 48 fließt und den Zwischenkreisspeicher 19 auflädt. Durch periodisches Öffnen und Schließen des Schalters 47 erzielt man einen quasi-εtationären Ladeεtrom, z.B. als Vorbereitung des Startvorgangs. Bei dem Schalter 47 handelt eε εich um einen Halbleiterεchalter, welcher direkt von der Steuereinrichtung 31 angesteuert wird.
Die zweite Unter-Baugruppe ist z.B. ein Spannungεunterεet- zer 49, der ähnlich einem Schaltnetzteil funktioniert. Er umfaßt zwei Serienεchaltungen von Schaltern 50 zwiεchen dem Pluε- und Minuspol des Zwischenkreises, mit jeweils par¬ allelgeschalteten Freilaufdioden 51. Die Enden einer Pri¬ märwicklung eines Hochfrequenz (HF) -Transformatorε 52 sind jeweils mit den Mitten dieser Serienschaltungen verbunden. Die Sekundärwicklung des HF-Transformators 52 speist eine Gleichrichtungs- und Glättungεeinheit 53, welche wiederum die Fahrzeugbatterie 11 und ggf. Niederεpannungsverbraucher 23 εpeist. Die Schalter 50 symbolisieren Halbleiterschal¬ ter, welche direkt von der Steuereinrichtung 31 angesteuert werden. Durch periodisches Öffnen und Schließen der Schal¬ ter läßt sich ein hochfrequenter Wechselεtrom erzeugen, welcher in der Sekundärwicklung des HF-Transformators 52 eine entsprechende Wechεelspannung auf niedrigerem Span¬ nungsniveau induziert, welche durch die Einheit 53 gleich¬ gerichtet und geglättet wird. Der genaue Wert der resultie¬ renden Gleichspannung läßt sich mit Hilfe der Schalter 50 durch Variation der Schaltfrequenz genau einstellen.

Claims

Patentansprüche
1. Antriebssyεtem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Ver- brennungsmotor (1) ; und wenigstens einer elektrischen Maschine (4) , die als elektromagnetische Kupplung im Antriebsstrang (2) des Antriebssystems und/oder als aktive Ge¬ triebe-Synchronisiereinrichtung wirkt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, welches für die Funk¬ tion der elektromagnetischen Kupplung und/oder Getrie- be-Synchronisiereinrichtung zwei elektrische Maschinen (4) umfaßt.
Antriebssystem nach Anspruch 2, bei welchem die beiden elektrischen Maschinen (4) koaxial angeordnet sind und/oder ein oder mehrere Teile gemeinsam haben, wie einen Ständerkörper (59) und/oder ein Gehäuse.
4. Antriebsεyεtem nach Anspruch 1, bei welchem die elek¬ tromagnetische Kupplung durch eine elektrische Maschi¬ ne (4) gebildet wird, welche wenigstens zwei drehbare elektromagnetische Wirkeinheiten aufweist, von denen eine mit einem antriebsseitigen Drehmomentübertrager und die andere mit einem abtriebsseitigen Drehmoment Übertrager gekoppelt oder koppelbar ist.
5. Antriebsεystem nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei welchem die Drehmomentübertrager, welche die elektromagnetische Kopplung trennt, mit einer Über- brückungskupplung (60) , insbesondere einer mechanischen Kupplung, verbindbar sind.
6. Antriebssystem nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Wirkung wenigstens einer der beiden elektromagneti¬ schen Wirkeinheiten durch die Wirkung einer nicht¬ drehbaren Wirkeinheit ersetzbar ist.
7. Antriebssystem nach Anεpruch 6, bei welchem die Wir- kungsersetzung dadurch erfolgt, daß wenigstens eine der drehbaren Wirkeinheiten, insbesondere die ab¬ triebsseitige, gegen Drehung festlegbar ist, insbeεon¬ dere mit Hilfe einer mechaniεchen Bremεe (62) oder Kupplung.
8. Antriebssystem nach Anspruch 6, bei welchem die Wir¬ kungsersetzung dadurch erfolgt, daß wenigstens eine der drehbaren Wirkeinheiten von ihrem Drehmomentüber trager abkoppelbar ist und gegen Drehung festlegbar iεt, inεbesondere mit Hilfe einer oder mehrerer mecha¬ nischer Kupplungen (63, 64) .
9. Antriebssyεtem nach Anεpruch 6, bei welchem die in ihrer Wirkung zu ersetzende elektromagnetische Wirk- einheit doppelt vorhanden ist, und zwar drehbar und nicht-drehbar, und die Wirkungεersetzung dadurch er¬ folgt, daß die drehbare Wirkeinheit elektromagnetisch unwirksam und die nicht-drehbare wirksam gemacht wird, insbesondere indem die Speisung mit drehmomenterzeu- gender bzw. -übertragender elektrischer Energie von der drehbaren auf die nicht-drehbare Wirkeinheit umge¬ schaltet wird.
10. Antriebssystem nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die elektrische Maschine (4) zusätzlich zu einer der dreh¬ baren elektromagnetischen Wirkeinheiten mit einer nicht-drehbaren elektromagnetiεchen Wirkeinheit ausge- rüstet ist, die gleichzeitig mit der einen drehbaren Wirkeinheit eine ihr gegenüber eigenständige Wirkung auf die andere drehbare Wirkeinheit ausüben kann, insbesondere indem die eine drehbare und die zusätzli- ehe nicht-drehbare Wirkeinheit eigenεtändig mit dreh¬ momenterzeugender bzw. -übertragender elektriεcher Energie geεpeist werden.
11. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei welchem die Kupplungsfunktion der elektri¬ sche(n) Maschine(n) (4) die Funktionen einer Anfahr¬ kupplung und/oder Schaltkupplung umfaßt.
12. Antriebsεyεtem nach einem der vorhergehenden Anεprü- ehe, bei welchem die elektriεche Maεchine (4) alε
Schwungmaεεen-Starter mit elektromagnetiεch kuppel¬ barer Schwungmaεεe dient.
13. Antriebεεyεtem nach einem der vorhergehenden Anεprü- ehe, bei welchem die elektriεche Maεchine (4) eine
Dreh- oder Wanderfeldmaschine iεt.
14. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Anεprü¬ che, mit wenigεtenε einem Wechselrichter (17) zum Erzeugen der für die magnetiεchen Felder der elektri¬ schen Maschine (4) benötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase.
15. Antriebsεyεtem nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei welchem die elektrische Maschine (4) außerdem die Funktion einer aktiven Verringerung von Drehung¬ leichförmigkeiten hat.
16. Antriebsεyεtem nach Anspruch 15, bei welchem die elek- trische Maschine (4) zur Verringerung der Drehun¬ gleichförmigkeiten ein εchnell variierendeε Drehmoment (Wechsel-Drehmoment) erzeugt, welches insbeεondere alternierend iεt.
17. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei welchem die elektrische Maschine (4) zur
Erzielung der Kupplungsfunktion und/oder der Synchro- niεierungsfunktion und ggf. weiterer Funktionen mit antreibender Wirkung oder bremεender Wirkung ein poεi- tives bzw. negatives Drehmoment (Gleich-Drehmoment) erzeugen kann, dem sie ggf. das Wechsel-Drehmoment überlagert.
18. Antriebsεystem nach Anspruch 16 oder 17, bei welchem die Kupplungεschlupf oder bei sonstigem bremsendem Gleich-Drehmoment gewonnene Energie (Gleichdrehmoment-
Bremsenergie) und/oder beim Verrin-gern einer positi¬ ven Drehungleichförmigkeit gewonnene Energie (Wechseldrehmoment-Bremsenergie) wenigstens teilweise gespeichert und wiederverwendet wird.
19. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) die Funktion eineε Direkt-Starters und/oder eines Genera tors zur Stromversorgung hat.
20. Antriebsεystem nach einem der vorhergehenden Anεprü¬ che, bei welchem die elektriεche Maεchine (4) eine hohe Drehmomentdichte - bezogen auf das maximale Dreh¬ moment - aufweist (aufweisen) , insbesondere größer als 0,01 Nm/cm3.
21. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, bei welchem in die elektrische Maεchine (4) , und zwar insbesondere in deren Läufer (9) , eine mechani- sehe Kupplung integriert ist.
22. Antriebssystem, insbesondere nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, mit einer Antriebsεchlupfregelung, bei welchem die (bzw. eine) elektriεche Maεchine (4) derart ausgelegt ist, daß mit ihr eine Antriebs- Schlupfverringerung durch Verkleinerung des Antriebs- momentε herbeiführbar iεt, inεbeεondere durch Brems¬ wirkung und/oder - bei als Kupplung wirkender elek¬ trischer Maschine - durch Kupplungsschlupf-Wirkung.
23. Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystem, insbe¬ εondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Antriebsag¬ gregat, insbesondere einem Verbrennungsmotor (1) , wobei ein Kuppeln im Antriebsstrang (2) des Antriebs syεtemε und/oder eine aktive Getriebeεynchroniεierung mit wenigstens einer elektrischen Maschine (4) durch geführt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem ein Antriebs¬ εyεtem nach einem der Anεprüche 1-22 verwendet wird.
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