WO2008055687A2 - Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen maschine - Google Patents

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WO2008055687A2
WO2008055687A2 PCT/EP2007/009700 EP2007009700W WO2008055687A2 WO 2008055687 A2 WO2008055687 A2 WO 2008055687A2 EP 2007009700 W EP2007009700 W EP 2007009700W WO 2008055687 A2 WO2008055687 A2 WO 2008055687A2
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gear
rotor
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Bernhard Hoffmann
Reinhard Rasch
Thomas Fink
Volker Hirschmann
Bernhard Schachtner
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Compact Dynamics Gmbh
Iwis Motorsysteme Gmbh & Co. Kg
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • a drive device with an electric machine in particular an internal combustion engine for a motor vehicle is presented, which has an electrical machine designed in the form of a starter / generator unit.
  • Known starter / generator systems allow, on the one hand, a fast, quiet start of the combustion engine coupled thereto and, on the other hand, a high generator power in order to provide energy for electrical consumers of the motor vehicle.
  • a first variant provides for the use of a generator or alternator arranged parallel to the drive shaft of the internal combustion engine, wherein the generator or the alternator is coupled to the internal combustion engine via a (wedge) belt.
  • Star a generator or alternator arranged parallel to the drive shaft of the internal combustion engine, wherein the generator or the alternator is coupled to the internal combustion engine via a (wedge) belt.
  • 2o ter / generator unit uses a swing-used dual clutch machine with mechanical energy storage.
  • the starter / generator unit is provided separately from the drive shaft of the drive motor.
  • the starter / generator unit also referred to as crankshaft starter generator
  • crankshaft starter generator is provided on the drive shaft.
  • Coaxial, crankshaft-mounted, in-line systems are generally too expensive for mass applications. Another disadvantage is that additional space is required for the assembly between engine and transmission.
  • the electrical machine used as a starter / generator unit has two different operating modes.
  • the starter key of the motor vehicle when the starter key of the motor vehicle is actuated, the electric machine assumes the function of a starter or engine for starting the internal combustion engine.
  • the stator windings of the Kraft mecanicakkumulator corresponding currents are supplied so that the rotor is acted upon by a starting torque, which allows the starting of the internal combustion engine.
  • the electric machine is switched to the generator mode, in which the rotor is rotated via the crankshaft of the internal combustion engine and thus a voltage is induced in the stator windings, which, for example, for the power supply of the electrical system or the consumer of the connected thereto Motor vehicle serves.
  • the starter / generator unit located on the crankshaft is arranged on the output side of the internal combustion engine between the internal combustion engine and the transmission.
  • such an arrangement results in an axial extension of the entire drive device.
  • the jigs which serve to mate the transmission and the engine must be changed and adjusted, which involves high costs in mass production of the engine / transmission unit Episode has.
  • V-belts are made of rubber with a textile or steel cable insert. You can transfer much larger torques than flat belt with the same footprint. Due to the higher friction, the forces on the bearings are much lower. Since the V-belt is relatively high (thick), it comes in the deflection to a compression inside and thus Kir5 heating. You can also tap V-belts to allow small pulley diameters or reduce losses. However, a toothed V-belt is also available still a V-belt, because it works non-positively by the wedge effect on the flanks.
  • FR 1 018 568 shows an electric machine with a stator and a rotor.
  • the machine acts as a starter and a generator and also includes a gearbox.
  • DE 10 2004 008 388 A1 shows a starter for an internal combustion engine.
  • the starter can be connected to an electric machine.
  • DE 199 27 261 A1 relates to a drive system comprising a drive shaft with a flywheel assembly and an electric machine provided therein.
  • the electric machine can also be operated as a generator and comprises an external rotor and a stator.
  • DE 1 062 133 relates to a planetary gear change gear for bicycle hubs.
  • WO 2006/042605 A1 shows a fluid pressure generator which has an actuating device which is formed by an electromagnetic coil arrangement, a soft-magnetic magnet yoke arrangement cooperating therewith and a magnetically soft magnetic armature arrangement cooperating therewith ,
  • an electrical machine coupled in a conventional manner to the drive shaft of a drive unit is only conditionally suitable for the entire range of requirements.
  • An electric machine that can be operated as a generator at high speed, is in engine operation as a starter for a so-called. Cold start little suitable. Therefore, separate i5 electrical machines have been used for the starter and generator.
  • Another concept is ISAD, in which a so-called integrated starter alternator damper (ISAD) is arranged in the drive train.
  • the ISAD system is an electric machine whose rotor is mounted on the crankshaft instead of the flywheel between the engine and the transmission. ISAD assumes the function of electric starter
  • ISAD enables intelligent power electronics that control the ISAD operating state depending on the load and charge state of the storage batteries. 5
  • the arrangement presented achieves improved functionality with a more compact design in that the electric machine is coupled to or contained in the drive train via a transmission variable in its transmission ratio.
  • the Coupling is preferably realized in a form-fitting manner in order to further increase the efficiency.
  • the presented arrangement can be realized without significant axial lengthening of the overall arrangement.
  • the additionally required axial space is limited to the maximum length of the starter / generator unit.
  • the presented arrangement is extremely easy to maintain because the electrical machine is easily accessible from the outside, even when installed in the motor vehicle - for example, in contrast to the ISAD concept.
  • the presented arrangement permits very efficient start-stop operation and improved generator efficiency. This leads to a gasoline saving.
  • the internal combustion engine starts quietly and quickly with the presented arrangement. So takes the startup process only a few 100 ms, so it is barely noticeable to the driver.
  • An electronic controller may be configured to automatically shut down the engine when the vehicle comes to a stop. As soon as the driver switches from the brake pedal to the gas pedal, this can be detected by the electronic control, which can then restart the electric machine - and thus the internal combustion engine - without the driver noticing a delay.
  • the presented arrangement can thus replace generator, starter, standard battery, standard belt system and starter ring gear in comparison to a modern motor vehicle. In addition to the actual starter generator, only the belt system and the battery management would have to be supplemented or replaced.
  • the battery / accumulator is a 12V battery, which may be a fully sealed gel battery.
  • the electric machine can also serve as a drive of a fuel pump. Furthermore, the electric machine can be designed as an external rotor. Here, the rotor of the electric machine is rotatably mounted around the outside of the stand. The rotor of the electric machine is coupled for transmitting torque from the drive unit to the electric machine - generator operation - or vice versa - starter operation - via a toothed belt, a gear chain arrangement, or a gear arrangement with the drive unit form-fitting manner.
  • Chain drives have a variety of metallic links and are characterized by a high longitudinal stiffness with minimal damping. The simplicity of the drive and the resulting flexibility in the chain guide, low friction
  • Timing belts which can likewise be used, are a temperature-resistant composite of a nylon fabric, an elastomer and a solid glass fiber strand.
  • the electric machine is preferably a permanent-magnet axial-flow machine or a synchronous machine, an asynchronous machine, a reluctance machine, or a permanent-magnet machine. These types of electrical machines,
  • the transmission has a transmission ratio, which is variable by a preferably electrically actuated actuator.
  • the actuator may be a linear acting actuator or a rotary acting actuator.
  • the transmission ratio of the 5 gear can also be changed by an arrangement of two freewheels that cause the switching of the electric machine associated gear when changing between motor and generator operation.
  • the electric machine and the actuator are coupled by an electronic control unit which controls the switching from the first to the second mode as well as the changing of the gear ratio.
  • the transmission variable in its gear ratio is preferably a planetary gear.
  • the epicyclic gear is at least partially surrounded by the stator of the electric machine in the radial direction.
  • the actuator is set up to take a first and a second position, and possibly one or more intermediate positions.
  • the planetary gear has a Monradwelle which is rotatably connected to the rotor of the electric machine, a central wheel which is rotatably mounted on the Primaradwelle and disposed longitudinally displaceable between a first and a second position 5, one or more planetary gears with the central wheel in the first Position in operative engagement, a Umlaufradmba which is rotatably mounted on the Monradwelle and which is in operative engagement with the central wheel in its second position, wherein the Umlaufradvii has a Umlaufradywelle which is positively coupled to the drive unit.
  • the actuator can be attached externally to the epicyclic gearbox or installed in its interior.
  • the actuator is accommodated in one embodiment on the Umlaufradisme.
  • the actuator can be a DC or AC motor with a spindle-nut drive to move the central wheel on the central wheel shaft in the longitudinal direction. It is also possible to use an electromagnet arrangement as the actuator.
  • the electric machine is adapted to be supplied in a first mode in which it operates as a starter motor for the drive unit, energy for starting the drive unit and that in a second mode in which they are used as a generator for Energy supply of electrical loads works, with rotation of the rotor relative to the stator electrical energy supplies 5 gie.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective illustration of a drive device in a motor vehicle
  • FIG. 2a shows the structure of a starter / generator unit in a drive device according to a first exemplary embodiment in a first position, in which the electric machine is connected to the vehicle via a transmission Combustion engine is coupled.
  • FIG. 2b shows the embodiment from FIG. 2a in a second position.
  • FIG. 3 shows the structure of a starter / generator unit in a drive device according to a second embodiment in a between a first and a second position, in which the electric machine is coupled via a transmission with the internal combustion engine.
  • Fig. 4 shows the structure of a starter / generator unit in a drive device in a further variant.
  • FIG. 1 an internal combustion engine 10 of a motor vehicle is shown schematically, via whose driven by the piston of the internal combustion engine 1 (not shown in detail) crankshaft torque via a (not shown) transmission clutch (or in an automatic transmission via a converter) on the Transmission input shaft of a manual or automatic transmission for driving the (not shown in detail) suspension of the motor vehicle mounted wheels is transmitted.
  • a first pinion 12 which replaces a V-belt pulley in conventional internal combustion engines.
  • This first pinion 12 meshes with a toothed belt 14, which is also in engagement with a second pinion 16.
  • the second pinion 16 is rotatably connected to a shaft 18 of a transmission 20.
  • the transmission 20, an electric machine 22 is connected downstream.
  • the gear 20 and the electric machine 22 are uniformly housed in a housing 24.
  • a high-pressure fuel pump 26, an air conditioning compressor, or other accessory may be arranged on the side remote from the second pinion 16 side of the housing 24, a high-pressure fuel pump 26, an air conditioning compressor, or other accessory may be arranged.
  • the electric machine 22 with the gear 20 serves as a starter / generator unit and is schematically illustrated in a first embodiment in Rg. 2. It is a permanently excited electrical machine 22 and, on the one hand, enables a simple start of the internal combustion engine 10, in particular at low ambient temperatures, also a so-called cold start, and, on the other hand, a high generation. with low losses to provide after starting the engine 10 energy for electrical consumers of the motor vehicle.
  • the electric machine 22 in the present embodiment comprises an outer rotor 30, which - separated by an air gap 32 - is arranged rotatably about a stator 34 with one or more stator windings 36.
  • the electric machine 22 can also be designed as an internal rotor machine.
  • the stator windings 36 may be, for example, form bar windings which have a very high fill factor in the winding grooves (not shown) of the stator 34.
  • the electric machine assumes the function of a starter for starting the internal combustion engine 10 when the starter key is actuated.
  • a corresponding energy is supplied to the stator windings 36 from the vehicle battery 42 via a power and control electronics unit 40, so that the rotor 30 is subjected to a starting torque which enables starting of the internal combustion engine 10.
  • the electrical machine power and control electronics unit 140 is switched to the generator mode, the rotor 30 with its permanent magnet elements 30a via the crankshaft of the engine 10, the two pinions 12, 16 and the timing belt 14 is rotated and thus In the stator windings 36, a voltage is induced which serves to supply energy to electrical consumers of the motor vehicle. So u. a. the voltage supplied by the stator windings 36 or the current from the power and control electronics unit 40 is converted into a DC supply voltage for the vehicle electrical system or the consumers of the motor vehicle connected thereto and the vehicle battery 42.
  • the transmission 20 is a switchable planetary gear in which a controllable switching device is provided.
  • the transmission 20 may also be a spur gear (not illustrated here). This would have the advantage that an axis offset required from structural conditions would be easy to implement. In addition, spur gears are cheaper to manufacture.
  • the rotor 30 of the electric machine 22 has a plurality along its inner circumference arranged permanent magnets 30a and is rotatably connected via a bell 44 with one end of a Primaradwelle 46.
  • the stator 34 of the electric DC machine 22 has corresponding stator windings 36, which are accommodated in soft-flux parts leading to magnetic flux.
  • On the central wheel shaft 46 is a central tooth Rad 48 rotatably on longitudinal grooves 46a and between a first and a second position (see, see. 2a, 2b) arranged to be longitudinally displaceable.
  • the central gear 48 meshes in the first position (see Fig. 2a) with one or more (two to about five) gears 50 surrounding the central gear 48.
  • the gears 50 are rotatably mounted at its two end faces in a Umlaufradmba 52, in which in turn the Monradwelle 46 is rotatably mounted.
  • the Umlaufradmba 52 has in the region of the other end of the Monradwelle 46 an annular collar 54 with an internal toothing. With this internally toothed annular collar 54, the central gear 48 is in the second position (see Fig. 2b) in operative engagement.
  • the Umlaufradxx 52 has an outwardly projecting from the housing 24 internally toothed hollow shaft 58.
  • Linear actuator 64 which comprises, for example, a DC motor 60 and a spindle / nut assembly 62 to be rotated by it.
  • the nut of the spindle / nut assembly 62 has a driver 66 which engages in a recess 68 of the central gear 48 to see this with activated DC motor 60 between the first and the second position - via an idle position - to change the gear ratio of the transmission 20 and to move here.
  • the internal combustion engine 10 sets the second pinion 16 in rotation so that the hollow shaft 58 of the revolving wheel carrier 52 rotates.
  • the gears 50 disposed about the central gear 48 are rotated about their own longitudinal axis. Since the central gear 48 for the generator operation is in its second position (Fig. 2b) in which the central gear 48 is engaged with the internal teeth of the annular collar 54 of the Umlaufradlys 52, the derhen the gears 50, while the hollow shaft 58 of the Umlaufradlys 52 is engaged with the central gear 48. Since the central gear 48 rotatably seated on the Monradwelle 46, this is, and with it the bell 44, which is coupled to the rotor with the permanent magnet, set in rotation.
  • FIG. 3 schematically serving as a starter / generator unit electric machine 122 to the transmission 120 is used schematically illustrated in a second embodiment.
  • This variant of the concept also allows a simple and quick start of the internal combustion engine 10 even at low ambient temperatures and on the other hand a high generator power with low losses in order to provide energy for electrical consumers of the motor vehicle after starting the internal combustion engine 10.
  • the individual components / functions of the second embodiment of the starter / generator unit are provided with reference numerals increased by 100, as long as they have a correspondence in the first embodiment.
  • the electric machine 122 in the present embodiment comprises an outer rotor 130, which - separated by an air gap 132 - is arranged rotatably about a stator 134 with a plurality of stator windings 136.
  • the electric machine 122 may also be configured as an internal rotor machine.
  • a transverse flux machine is shown, which assumes the function of a starter for starting the internal combustion engine 10 during engine operation when the starter key is actuated.
  • the stator windings 136 are supplied with a corresponding energy from the vehicle battery 142 via a power and control electronics unit 140, so that the rotor 130 is subjected to a starting torque which makes it possible to start the internal combustion engine 10.
  • the electric machine is switched over by the power and control electronics unit 140 into the generator mode, the rotor 130 with its permanent magnet elements 130a via the crankshaft of the internal combustion engine 10, the two pinions 12, 16 and the toothed belt 14 (FIGS. see Rg. 1) set in rotation and thus in the stator windings 136, a voltage is induced, which serves to supply power to electrical consumers of the motor vehicle.
  • the voltage supplied by the stator windings 136 or the current from the power and control electronics unit 140 is converted into a DC supply voltage for the electrical system or the consumers of the motor vehicle connected thereto and the vehicle battery 142.
  • the rotor 130 of the electric machine 122 has a plurality of permanent magnets 130a of alternating magnetic orientation arranged along its inner circumference, and is connected via a bell 144 to one end of a
  • the stator 134 of the electric machine 122 has corresponding stator windings 136 which are received in magnetic flux leading to the soft iron parts 134a, 134b, 134c.
  • the transmission 120 is a switchable epicyclic gear in which a controllable switching device is provided.
  • a central gear 148 seated on the central gear shaft 146 meshes with a plurality (two to about five) gears 150 surrounding the central gear 148.
  • the gears 150 are rotatably mounted at its two end faces in a Umlaufraduza 152, which in turn is rotatably mounted on the Monradwelle 146 but fixed in the longitudinal direction.
  • the central wheel shaft 146 has in the region of one end (in Hg. 3 left) a circular disc-shaped end plate 146a with an outwardly facing radial toothing 146b.
  • the peripheral wheel carrier 152 has, radially outside the end plate 146a, a tubular extension 152a which projects beyond the end plate 146a and has an axial internal toothing 152b at its free edge.
  • the multipole actuator 160 forms an actuator described in detail below which acts on a movable gear member.
  • the Monradwelle 146 is designed as a hollow shaft. In the central gear shaft 146, an actuator rod 170 is rotatable and along the central longitudinal axis of the central gear shaft 146 taken longitudinally displaceable. The end plate 146a facing at one end of the Aktorstabes 170 (in Fig.
  • the multipole actuator 160 is formed by a solenoid coil assembly 164a, a soft magnet magnetic yoke assembly 164b 1 and 164b "cooperating therewith, and a soft magnet magnetic armature assembly 164b cooperating with the magnet magnet yoke assembly comprising two circular cylindrical halves 164b '.
  • i5 and 164b are formed with recesses for respective excitation coils of the solenoid coil assemblies 164a 'and 164a.” In each of the recesses, an excitation coil is received which is flush with the respective end surfaces 172a, 172b of the shell halves 164b 1 and 164b ".
  • the end faces 172a, 172b of the magnetic yoke halves 164b 'and 164b "define a working cavity 180 in which the magnet armature assembly 164c is movably received along the central axis M.
  • Magnetic armature assembly 164c is a circular soft iron-containing armature disc having a shape described in detail below.
  • the solenoid coil assembly 164a' and 164a" has a smaller outer diameter than the armature disc 164c, so that the electromagnet Coil assembly 164a 'and 164a " caused magnetic flux can penetrate into the armature disk 164c with virtually no significant leakage losses. This achieves a particularly efficient magnetic circuit that achieves very short stroke times and high holding forces.
  • the armature disk 164c can - regardless of the design of the magnetic yoke or the magnetic coil assembly - also be a closed disk of soft iron, provided that the design of the magnetic yoke or the magnetic coil arrangement ensures that the leakage losses or eddy current losses low enough for the respective Are intended purpose.
  • the armature is designed as a multipole anchor whose anchor poles are aligned with the respective stator poles out.
  • the anchor poles are formed by weakening 180c or thickenings of the otherwise substantially the contour of the end face of the entirety of all pole webs following armature disc.
  • the armature disk 164c is rigidly connected to the actuator rod 170 and longitudinally movably received within a working cavity 180 defined by the shell halves 164b 1 and 164b "of the magnet yoke assembly along the center axis M.
  • the actuator rod 170 is longitudinally movably received in the central gear shaft 146 Energizing the (in Fig. 3 left) coils of the solenoid coil assembly 164a 'is induced in the magnetic yoke assembly 164b a low-turbulence magnetic field, the armature disc 164c moves with the Aktorstab 170 in the direction of the respective shell half 164b 1 , 164b ", in which the energized coil is located.
  • gear disc 148 moves with its outer teeth 148b in an engaged position with the internal teeth 152b of the Umlaufradumbles 152.
  • gear disc 148 moves with its outer teeth 148b in an engaged position with the internal teeth 152b of the Umlaufradumbles 152.
  • other coils of the solenoid coil assembly 164a "moves the gear wheel 148 with its radial toothing 148b in an engaged position with the radial toothing 146b of the end plate 146a.
  • the actuator rod 170 extends beyond the gear disc 148 with an outer profile 176 longitudinally displaceable in a provided with a opposite inner profile 194 hollow stub shaft 190 which carries the second pinion 16 to couple the electric machine 22 via the gear 120 with the drive unit 10 positively.
  • the stub shaft 190 is rotatably mounted on the stand 134 in turn.
  • the internal combustion engine 10 sets the second pinion 16 in rotation so that the stub shaft 190 and - via the inner profile 194 and the outer profile 176 - the actuator rod 170 rotates.
  • the gears 150 rotate freely while the hollow shaft stub rotates 190 rotates with the gear wheel 148. Since the gear disc 148 rotationally fixed to the Gottradwelle 146 sits, this is, and with it the bell 144, which is coupled to the rotor 130 with the permanent magnet, set in rotation. As a result, the stator windings 136 of the stator 134 provide the electric machine 122 with corresponding current. An over or reduction by the gears 50 does not take place. Thus, in generator operation of the electric machine 122, rotation of the hollow stub shaft 190 at a gear ratio of 1: 1 is transmitted to the central gear shaft 146; Thus, the electric machine rotates in regenerative operation with the speed of the drive unit.
  • FIG. 4 schematically serving as a starter / generator unit electric machine 222 is schematically illustrated with a gear 220 in a further variant.
  • This variant also allows a simple and quick start of the internal combustion engine 10 even at low ambient temperatures and on the other hand, a high generator power with low losses to provide after starting the engine 10 energy for electrical consumers of the motor vehicle.
  • the individual components / functions of this starter / generator unit are provided with reference numerals increased by 100, provided they have a correspondence in one of the previous variants.
  • the electric machine 222 comprises an external rotor 230, which is arranged rotatably about a stator 234 with a plurality of stator windings 236.
  • the electric machine 222 may also be configured as an internal rotor machine.
  • the electric machine 222 is realized as a transverse flux machine, which assumes the function of a starter for starting the internal combustion engine 10 during engine operation when the starter key is actuated.
  • the stator windings 236 are supplied with energy from the vehicle battery via a power and control electronics unit (not illustrated here in detail), so that rotor 230 is acted upon by a starting torque which makes it possible to start the internal combustion engine 10.
  • the electric machine is switched by the power and control electronics unit in the generator mode, wherein the rotor 230 via the crankshaft of the engine 10, the two pinions 12, 16 and the toothed belt 14 (see Fig. 1) in rotation offset and thus in the stator windings 236, a voltage is induced, which is used to power electrical
  • the rotor 230 of the electric machine 222 has a plurality along its inner circumference arranged permanent magnets 230 a with alternating magnetic orientation and is rotatably connected via a bell 244 with one end of a Monradwelle 246.
  • the stator 234 of the electric machine 222 has corresponding stator windings 236 which are received in magnetic flux leading to soft iron parts 234a, 234b, 234c.
  • the transmission 220 is a switchable epicyclic gearbox in which a torque-controlled gear ratio change of 1: 1 and for example 1: 5 is provided.
  • a central gear (sun gear) 246a seated on a rotor carrier 246 meshes with a plurality of - two to about five - gears (planet gears) 250a, 250b surrounding the central gear (sun gear) 246a.
  • the gears (pia- Netengan) 250a, 250b are connected to each other and run on a common axis 250c.
  • the axis 250 c is mounted in a Umlaufradong (planet carrier) 252.
  • the planet gears 250a, 250b and mesh radially outward in a ring gear 256.
  • the ring gear 256 is rotatably mounted on the shaft 290.
  • the Umlaufradsammlung 5 (planet carrier) 252 is in turn firmly connected to the shaft 290.
  • Between the rotor carrier 246 and the shaft 290 is in the region of one end of the shaft 290 (in Fig. 4, left) a slip-on sleeve 294 pressed with a toothing.
  • the freewheels used here act as a directional coupling that transmits torque in one direction by traction and allows idling in the opposite direction. These clutches interrupt torque transmission when the Drive side of the clutch rotates faster than the driven part. Once equal speed is reached again, torque and rotary motion are transmitted. This ensures that in the generator mode, a torque transmission via the one freewheel takes place while the other freewheel is free, and in the engine operation, the other freewheel transmits the torque during which a freewheel runs free.
  • the multipole actuator of the second embodiment can be used instead of the DC motor with the spindle / nut assembly.
  • the gear disc with a radial toothing and an external toothing two radial toothings can be used, which are to be brought into engagement with corresponding radial toothings on the Umlaufradisme and the Gottradwelle.
  • only one external toothing can be brought into engagement with two correspondingly designed internal toothings on the peripheral wheel carrier or the central wheel shaft. All these variations are to be regarded as revealed.
  • the illustrated dimensions and proportions are not restrictive but merely exemplary understood. Embodiments deviating from the exemplary embodiments shown should also be considered to have been detected; the limit is defined by the following claims and their scope.

Abstract

Antriebsvorrichtung, mit einem Antriebsaggregat, und mit einer elektrischen Maschine, die einen Ständer und einen durch das Antriebsaggregat in Rotation zu versetzenden Läufer umfasst, wobei die elektrische Maschine dazu eingerichtet ist, dass ihr in einer ersten Betriebsart, in der sie als Anlassermotor für das Antriebsaggregat arbeitet, Energie zum Starten des Antriebsaggregats zugeführt wird und dass sie in einer zweiten Betriebsart, in der sie als Generator zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern arbeitet, bei Rotation des Läufers relativ zum Ständer elektrische Energie liefert; der Läufer der elektrischen Maschine über ein in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbares Getriebe mit dem Antriebsaggregat gekoppelt ist, und die Kopplung formschlüssig realisiert ist.

Description

Antriebsvorrichtunα mit einer elektrischen Maschine
Beschreibung
5 Hintergrund
Hier wird eine Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, insbesondere eine Verbrennungsmaschine für ein Kraftfahrzeug vorgestellt, welche eine in Form einer Starter/Generator-Einheit ausgestaltete elektrische Maschine aufweist.
lo Bekannte Starter/Generator-Systeme ermöglichen einerseits einen schnellen, leisen Start der damit gekoppelten Verbrennungsmaschine und andererseits eine hohe Generatorleistung, um Energie für elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
i5 Zur Ausgestaltung derartiger Starter/Generator-Systeme sind unterschiedliche Alternativen bekannt. Eine erste Variante sieht die Verwendung eines parallel zu der Antriebswelle der Verbrennungsmaschine angeordneten Generators oder Lichtmaschine vor, wobei der Generator oder die Lichtmaschine über einen (Keil-)Riemen mit der Verbrennungsmaschine gekoppelt ist. Gemäß einer weiteren Variante wird als Star-
2o ter/Generator-Einheit eine schwungnutzende Doppelkupplungsmaschine mit mechanischem Energiespeicher verwendet.
Den beiden zuvor genannten Varianten ist gemeinsam, dass die Starter/Generator- Einheit getrennt von der Antriebswelle des Antriebsmotors vorgesehen ist. Bei einer 5 dritten Variante ist die (auch als Kurbelwellen-Startergenerator bezeichnete) Starter/Generator-Einheit auf der Antriebswelle vorgesehen.
Stand der Technik
Gleichachsige, kurbelwellenmontierte Inline-Systeme sind grundsätzlich zu teuer für0 Massen-Anwendungen. Nachteilig ist auch, dass für die Montage zwischen Motor und Getriebe zusätzlicher Raum benötigt wird.
Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Antriebsvorrichtung mit einer auf der Antriebswelle angeordneten Starter/Generator-Einheit ist beispielsweise in den5 Druckschriften DE 196 16 504 Al, WO 98/05882, DE 197 05 610 Al, DE 19645 943 Al, oder DE 197 45 995 Al beschrieben. Bei diesen bekannten Antriebsvorrichtungen dient als Antriebsaggregat ein Verbrennungsmotor, dessen Kurbelwelle mit einer als Starter/Generator-Einheit dienenden elektrischen Maschine verbunden ist. Die elektrische Maschine umfasst einen Läufer und einen den Läufer umgebenden Ständer, wobei die Wicklungen des Ständers mit dem Kraftfahrzeugakkumulator verbunden sind. Der Läufer der elektrischen Maschine steht abtriebsseitig über eine Getriebe- 5 kupplung mit einem Getriebe in Verbindung.
Die als Starter/Generator-Einheit dienende elektrische Maschine hat zwei unterschiedliche Betriebsmodi. In einem Motorbetrieb übernimmt die elektrische Maschine bei Betätigen des Anlasserschlüssels des Kraftfahrzeuges die Funktion eines Anlas- lo sers oder Motors zum Starten des Verbrennungsmotors. Hierzu werden den Ständerwicklungen von dem Kraftfahrzeugakkumulator entsprechende Ströme derart zugeführt, dass der Läufer mit einem Anlaufdrehmoment beaufschlagt wird, welches das Starten des Verbrennungsmotors ermöglicht. Nach dem Starten des Verbrennungsmotors wird die elektrische Maschine in den Generatorbetrieb umgeschaltet, in i5 dem der Läufer über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Rotation versetzt und somit in den Ständerwicklungen eine Spannung induziert wird, welche beispielsweise zur Energieversorgung des Bordnetzes bzw. der daran angeschlossenen Verbraucher des Kraftfahrzeuges dient.
2o Bei diesen bekannten Antriebsvorrichtungen ist die auf der Kurbelwelle befindliche Starter / Generator-Einheit auf der Abtriebsseite des Verbrennungsmotors zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet. Eine derartige Anordnung hat jedoch eine axiale Verlängerung der gesamten Antriebsvorrichtung zur Folge. Darüber hinaus müssen die Montagevorrichtungen, welche zum Zusammenfügen des 5 Getriebes und des Motors dienen, aufgrund der Anordnung der Starter/Generator- Einheit zwischen dem Motor und dem Getriebe verändert und angepasst werden, was hohe Kosten bei der Serienfertigung der Motor-Getriebe-Einheit zur Folge hat.
In der Regel ist die sich nicht im Antriebsstrang befindliche Starter/Generator-Einheito über einen sog. Keilriemen mit dem Antriebsstrang gekoppelt. Keilriemen bestehen aus Gummi mit einer Textil- oder Stahlseileinlage. Sie können bei gleichem Platzbedarf wesentlich größere Drehmomente als Flachriemen übertragen. Durch die höhere Reibung sind die Kräfte auf die Lager wesentlich geringer. Da der Keilriemen relativ hoch (dick) ist, kommt es bei der Umlenkung zu einer Stauchung innen und somit zur5 Erwärmung. Man kann Keilriemen auch zahnen, um kleine Scheibendurchmesser zu erlauben oder die Verluste zu verringern. Jedoch ist auch ein gezahnter Keilriemen immer noch ein Keilriemen, da er kraftschlüssig durch die Keilwirkung an den Flanken arbeitet.
Die FR 1 018 568 zeigt eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Läu- fer. Die Maschine wirkt als Anlasser und als Generator und umfasst ferner ein Getriebe.
Die DE 197 45 997 Al zeigt eine Anordnung einer kombinierten Starter-Generator- Maschine an einer Brennkraftmaschine, die im Antriebsstrang positioniert ist, entwe- der hinter der Kupplung an der Getriebeeingangswelle oder vor der Kupplung an der Antriebswelle des Verbrennungsmotors über eine formschlüssige Zahnradverbindung. Damit gibt es stets eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Starter-Generator-Maschine.
Die DE 10 2004 008 388 Al zeigt einen Anlasser für einen Verbrennungsmotor. Der Anlasser ist mit einer elektrischen Maschine verbindbar.
Die DE 199 27 261 Al betrifft ein Antriebssystem umfassend eine Antriebswelle mit einer darin vorgesehenen Schwungmassenanordnung und einer Elektromaschine. Die Elektromaschine kann auch als Generator betrieben werden und umfasst einen Außenläufer und einen Ständer.
Die DE 43 36 162 Al betrifft eine Anlasser-Generator-Baueinheit, die als Gleichstrom- Scheibenläufer-Maschine ausgeführt ist. In der Druckschrift ist ein den Ständer der elektrischen Maschine umgebendes Umlaufrädergetriebe gezeigt.
Die DE 1 062 133 betrifft ein Umlaufräderwechselgetriebe für Fahrradnaben.
Die WO 2006/042605 Al zeigt einen Fluid-Druckerzeuger, der eine Betätigungsein- richtung hat, die durch eine Elektromagnet-Spulenanordnung, eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Joch-Anordnung, sowie eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Anker-Anordnung gebildet ist.
Problem Die Aufgabe besteht nun darin, eine Antriebsvorrichtung mit einer mit der Antriebswelle eines Antriebsaggregats gekoppelten elektrischen Maschine bereitzustellen, welche sich möglichst einfach und kostengünstig, sowie ohne eine wesentliche axiale - A -
Verlängerung der Antriebsvorrichtung realisieren lässt und für die Großserienfertigung geeignet ist.
Lösung und deren Vorteile gegenüber dem Stand der Technik 5 Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche definieren bevorzugte und/oder vorteilhafte Varianten. Weiterhin wird die Aufgabe durch die Verwendung eines in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbaren Getriebes gelöst.
lo Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass eine in herkömmlicher Weise mit der Antriebswelle eines Antriebsaggregats gekoppelte elektrische Maschine nur bedingt für das gesamte Anforderungsspektrum geeignet ist. Eine elektrische Maschine, die als Generator mit hoher Drehzahl zu betreiben ist, ist im Motorbetrieb als Anlasser für einen sog. Kaltstart wenig geeignet. Daher wurden bisher auch separate i5 elektrische Maschinen für den Anlasser und für den Generator eingesetzt. Ein weiteres Konzept ist ISAD, bei dem im Antriebsstrang ein sog. Integrierter Starter Alternator Dämpfer (ISAD) angeordnet ist. Das System ISAD ist eine elektrische Maschine, deren Rotor anstelle der Schwungscheibe zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe auf der Kurbelwelle montiert ist. ISAD übernimmt die Funktion des elektrischen Star-
2o ters (Starter) und der Lichtmaschine (Alternator); gleichzeitig kann die elektrische Maschine Ungleichförmigkeiten im Motorlauf und im Antriebsstrang ausgleichen (Dämpfer) und so zu mehr Komfort beitragen. Dazu befähigt ISAD eine intelligente Leistungselektronik, die in Abhängigkeit vom Last- und Ladezustand der Speicherakkumulatoren den ISAD-Betriebszustand steuert. 5
Dabei ist eine elektrische Maschine, die als Anlassermotor mit ausreichend hohem Drehmoment zu betreiben ist, für einen Generatorbetrieb überdimensioniert. Dies führt zu elektrischen Verlusten, also einem reduzierten Wirkungsgrad. Dabei ist nämlich nachteiligerweise die Leistungselektronik für das hohe Drehmoment des Anlass-o Vorgangs des Verbrennungsmotors auszulegen und auch das hohe Massenträgheitsmoment der mechanisch überdimensionierten elektrischen Maschine ist für die gesamte Energiebilanz negativ.
Angesichts dieser sich widersprechenden Forderungen und Eigenschaften erreicht die5 vorgestellte Anordnung eine verbesserte Funktionalität bei kompakterer Bauform, indem die elektrische Maschine über ein in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbares Getriebe mit dem Antriebsstrang gekoppelt oder in diesem enthalten ist. Die Kopplung ist dabei vorzugsweise formschlüssig realisiert um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.
Die vorgestellte Anordnung lässt sich ohne wesentliche axiale Verlängerung der Ge- samtanordnung realisieren. Der zusätzlich benötigte axiale Bauraum ist auf die maximale Länge der Starter/Generator-Einheit beschränkt. Allerdings ist es meist bevorzugt, die elektrische Maschine mit ihrem Getriebe anstelle eines herkömmlichen Starters oder einer herkömmlichen Lichtmaschine bei der Verbrennungsmotors vorzusehen.
Des weiteren ist die vorgestellte Anordnung äußerst wartungsfreundlich, da die elektrische Maschine auch im im Kraftfahrzeug eingebauten Zustand - zum Beispiel im Gegensatz zu dem ISAD-Konzept - leicht von außen zugänglich ist.
Die vorgestellte Anordnung erlaubt einen sehr effizienten Start-Stopp-Betrieb und eine verbesserte Generatoreffizienz. Damit führt sie zu einer Benzin-Einsparung. Der Verbrennungsmotor startet mit der vorgestellte Anordnung leise und schnell. So dauert der Startvorgang lediglich wenige 100 ms, ist also für den Fahrer kaum bemerkbar. Eine elektronische Steuerung kann dazu eingerichtet sein, dass sich der Verbrennungsmotor selbsttätig abschaltet, wenn das Fahrzeug zum Stehen kommt. Sobald der Fahrer von dem Bremspedal auf das Gaspedal wechselt, kann dies von der elektronischen Steuerung detektiert werden, die daraufhin die elektrische Maschine - und damit den Verbrennungsmotor - wieder startet kann, ohne dass der Fahrer eine Verzögerung bemerkt. Die vorgestellte Anordnung kann damit im Ver- gleich zu einem heutigen Kraftfahrzeug Generator, Anlasser, Standard-Batterie, Standard-Riemensystem und Starterzahnkranz ersetzen. Zusätzlich zum eigentlichen Startergenerator müsste lediglich das Riemensystem, sowie das Batteriemanagement ergänzt bzw. ausgetauscht werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Batterie/ Akkumulator um eine 12 V Batterie, die eine voll versiegelte Gel-Batterie sein kann.
Die elektrische Maschine kann auch als Antrieb einer Kraftstoffpumpe dienen. Weiterhin kann die elektrische Maschine als Außenläufer ausgestaltet sein. Hierbei ist der Läufer der elektrischen Maschine außen um den Ständer herum drehbar gelagert. Der Läufer der elektrischen Maschine ist zur Übertragung von Drehmoment von dem Antriebsaggregat zur elektrischen Maschine - Generatorbetrieb - oder umgekehrt - Starterbetrieb - über einen Zahnriemen, eine Zahnrad-Kettenanordnung, oder eine Zahnradanordnung mit dem Antriebsaggregat formschlüssig gekoppelt. Kettentriebe haben eine Vielzahl metallischer Kettenglieder und sind gekennzeichnet durch eine hohe Längssteifigkeit mit minimaler Dämpfung. Die Einfachheit des Antriebs und die sich ergebende Flexibilität in der Kettenführung, eine geringe Reibung
5 sind weitere Vorteile, die sich außerdem in längerer Motorenlebensdauer niederschlagen, da die Abstände der Wartungsintervalle steigen. Für den Motorenhersteller ergeben sich folgende wesentliche
Verbesserungspotenziale: Steigerung der Lebensdauer aller Steuertriebskomponenten, erhebliche Kostenreduzierung durch Verkleinerung des Zugmittels als auch von lo Komponenten, sichere Einhaltung von Emissionsgrenzwerten während der Motorlebensdauer.
Zahnriemen, wie sie ebenfalls eingesetzt werden können, sind ein temperaturfester Materialverbund aus einem Nylongewebe, einem Elastomer und einem festen Glas- i5 faserzugstrang.
Die elektrische Maschine ist vorzugsweise eine permanent-erregte Axialflussmaschine oder eine Synchronmaschine, eine Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine, oder eine permanent-erregte Maschine. Diese Typen von elektrischen Maschinen,
20 aber auch andere Arten, haben eine regelbare Drehzahl und Leistung und sind mit dem Antriebsaggregat synchronisierbar. Außerdem haben sie einen hohen Wirkungsgrad. Das Getriebe hat ein Übersetzungsverhältnis, das durch einen vorzugsweise elektrisch zu betätigenden Aktor veränderbar ist. Der Aktor kann ein linear wirkender Aktor oder ein rotatorisch wirkender Aktor sein. Das Übersetzungsverhältnis des 5 Getriebes kann auch durch eine Anordnung von zwei Freiläufen verändert werden, die beim Wechsel zwischen motorischem und generatorischem Betrieb das Umschalten des der elektrischen Maschine zugeordneten Getriebes bewirken.
Die elektrische Maschine und der Aktor sind durch eine elektronische Steuereinheito gekoppelt, die das Umschalten aus der ersten in die zweite Betriebsart sowie das Verändern des Übersetzungsverhältnisses steuert.
Das in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbare Getriebe ist vorzugsweise ein Umlaufgetriebe. Das Umlaufgetriebe ist in radialer Richtung zumindest teilweise von5 dem Ständer der elektrischen Maschine umgeben. Der Aktor ist dazu eingerichtet, eine erste und eine zweite Position, sowie ggf. eine oder mehrere Zwischen positio- nen einzunehmen. Das Umlaufgetriebe hat eine Zentralradwelle, die mit dem Läufer der elektrischen Maschine drehfest verbunden ist, ein Zentralrad, das auf der Zentralradwelle drehfest und zwischen einer ersten und einer zweiten Position längsverschiebbar angeordnet 5 ist, ein oder mehrere Umlaufräder, die mit dem Zentralrad in dessen erster Position im Wirkeingriff stehen, einen Umlaufradträger, der auf der Zentralradwelle drehbar gelagert ist und der mit dem Zentralrad in dessen zweiter Position im Wirkeingriff steht, wobei der Umlaufradträger eine Umlaufradträgerwelle aufweist, die mit dem Antriebsaggregat formschlϋssig gekoppelt ist.
10
Der Aktor kann an das Umlaufgetriebe außen angebaut oder in dessen Innern eingebaut sein. Der Aktor ist in einer Ausführungsform an dem Umlaufradträger aufgenommen ist. Der Aktor kann ein Gleichstrom- oder Wechselstrommotor mit einem Spindel-Mutter-Trieb sein, um das Zentralrad auf der Zentralradwelle in Längsrich- i5 tung zu verschieben. Es ist auch möglich, als Aktor eine Elektromagnetanordnung einzusetzen.
Vorgestellt wird also die Verwendung eines in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbaren Getriebe, das zwischen ein Antriebsaggregat und eine elektrische Maschine
2o geschaltet ist, wobei die elektrische Maschine dazu eingerichtet ist, dass ihr in einer ersten Betriebsart, in der sie als Anlassermotor für das Antriebsaggregat arbeitet, Energie zum Starten des Antriebsaggregats zugeführt wird und dass sie in einer zweiten Betriebsart, in der sie als Generator zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern arbeitet, bei Rotation des Läufers relativ zum Ständer elektrische Ener- 5 gie liefert.
Kurzbeschreibunα der Zeichnung
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung be-0 schrieben.
Rg. 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung eine Antriebsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, 5 Fig. 2a zeigt den Aufbau einer Starter/Generator-Einheit in einer Antriebsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer ersten Stellung, bei der die elektrische Maschine über ein Getriebe mit der Verbrennungsmaschine gekoppelt ist. Rg. 2b zeigt das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2a in einer zweiten Stellung.
Rg. 3 zeigt den Aufbau einer Starter/Generator-Einheit in einer Antriebsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung, bei der die elektrische Maschine über ein Getriebe mit der Verbrennungsmaschine gekoppelt ist.
Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Starter/Generator-Einheit in einer Antriebsvorrichtung in einer weiteren Variante.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In Fig. 1 ist schematisch ein Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, über dessen von den Kolben des Verbrennungsmotors 1 angetriebene (nicht im Einzelnen gezeigte) Kurbelwelle ein Drehmoment über eine (nicht gezeigte) Getriebekupplung (bzw. bei einem Automatikgetriebe über einen Wandler) auf die Getriebeeingangswelle eines Schalt- oder Automatikgetriebes zum Antrieb der am (nicht im Einzelnen gezeigten) Fahrwerk des Kraftfahrzeugs angebrachten Räder übertragen wird. Auf der Kurbelwelle sitzt ein erstes Ritzel 12, das eine Keilriemenscheibe bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren ersetzt. Dieses erste Ritzel 12 kämmt mit einem Zahnriemen 14, der außerdem mit einem zweiten Ritzel 16 im Eingriff steht. Anstelle der beiden Ritzel 12, 16 und dem Zahnriemen 14 können auch zwei ständig im Eingriff stehende Zahnräder oder eine Kette verwendet werden, die zwei Ritzel 12, 16 miteinander formschlüssig verbindet. Das zweite Ritzel 16 ist mit einer Welle 18 eines Getriebes 20 drehfest verbunden. Dem Getriebe 20 ist eine elektrische Maschine 22 nachgeschaltet. Das Getriebe 20 und die elektrische Maschine 22 sind baueinheitlich in einem Gehäuse 24 untergebracht. Auf der von dem zweiten Ritzel 16 abliegenden Seite des Gehäuses 24 kann eine Kraftstoff- Hochdruckpumpe 26, ein Klimakompressor, oder ein anderes Nebenaggregat angeordnet sein.
Die elektrische Maschine 22 mit dem Getriebe 20 dient als Starter/Generator-Einheit und ist in einer ersten Ausführungsform in Rg. 2 schematisch veranschaulicht. Sie ist eine permanent-erregte elektrische Maschine 22 und ermöglicht einerseits einen einfachen Start des Verbrennungsmotors 10 - insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen auch einen sog. Kaltstart - und andererseits eine hohe Genera- torleistung mit niedrigen Verlusten, um nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 Energie für elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Die elektrische Maschine 22 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform einen Außen-Läufer 30, welcher - durch einen Luftspalt 32 getrennt - um einen Ständer 34 mit einer oder mehreren Ständerwicklungen 36 drehbar angeordnet ist. Die elektrische Maschine 22 kann jedoch auch als Innenläufermaschine ausgestaltet sein. Die Ständerwicklungen 36 können zum Beispiel Formstabwicklungen sein, die einen sehr hohen Füllfaktor in den (nicht gezeigten) Wicklungsnuten des Ständers 34 haben.
Im Motorbetrieb übernimmt die elektrische Maschine bei Betätigen des Anlasserschlüssels die Funktion eines Anlassers zum Starten des Verbrennungsmotors 10. Hierzu wird den Ständerwicklungen 36 über eine Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 40 eine entsprechende Energie von der Fahrzeugbatterie 42 zugeführt, so dass der Läufer 30 mit einem Anlaufdrehmoment beaufschlagt wird, welches das Starten des Verbrennungsmotors 10 ermöglicht. Nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 wird die elektrische Maschine Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 140 in den Generatorbetrieb umgeschaltet, wobei der Läufer 30 mit seinen Permanentmagnetelementen 30a über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10, die beiden Ritzel 12, 16 und den Zahnriemen 14 in Rotation versetzt und somit in den Ständerwicklun- gen 36 eine Spannung induziert wird, welche zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeuges dient. So wird u. a. die von den Ständerwicklungen 36 gelieferte Spannung bzw. der Strom von der Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 40 in eine Versorgungsgleichspannung für das Bordnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher des Kraftfahrzeugs und die Fahrzeugbatterie 42 umgewandelt.
Das Getriebe 20 ist ein schaltbares Umlaufgetriebe, bei dem eine steuerbare Umschaltvorrichtung vorgesehen ist. Das Getriebe 20 kann auch ein - hier nicht veranschaulichtes - Stirnradgetriebe sein. Dieses hätte als Vorteil, dass ein ggf. aus baulichen Gegebenheiten geforderter Achsversatz einfach zu realisieren wäre. Außerdem sind Stirnradgetriebe in der Herstellung günstiger. Der Läufer 30 der elektrischen Maschine 22 hat eine Vielzahl entlang seines Innenumfangs angeordneter Permanentmagnete 30a und ist über eine Glocke 44 mit einem Ende einer Zentralradwelle 46 drehfest verbunden. Der Ständer 34 der elektrischen Gleichstromma- schine 22 hat entsprechende Ständerwicklungen 36, die in Magnetfluss führenden Weicheisenteilen aufgenommen sind. Auf der Zentralradwelle 46 ist ein Zentralzahn- rad 48 drehfest über Längsnuten 46a und zwischen einer ersten und einer zweiten Position (siehe Hg. 2a, 2b) längsverschiebbar angeordnet.
Das Zentralzahnrad 48 kämmt in der ersten Position (siehe Fig. 2a) mit einem oder mehreren (zwei bis ca. fünf) Zahnrädern 50, die das Zentralzahnrad 48 umgeben. Die Zahnräder 50 sind an ihren beiden Stirnseiten in einem Umlaufradträger 52 drehbar gelagert, in dem seinerseits die Zentralradwelle 46 drehbar gelagert ist. Der Umlaufradträger 52 hat im Bereich des anderen Endes der Zentralradwelle 46 einen Ringbund 54 mit einer Innenverzahnung. Mit diesem innenverzahnten Ringbund 54 steht das Zentralzahnrad 48 in dessen zweiter Position (siehe Fig. 2b) im Wirkeingriff. Der Umlaufradträger 52 hat eine aus dem Gehäuse 24 nach außen ragende innenverzahnte Hohlwelle 58. In die Hohlwelle 58 ragt ein (nicht gezeigter) gegengleich geformter Zapfen, der das zweite Ritzel 16 trägt um die elektrische Maschine 22 über das Getriebe 20 mit dem Antriebsaggregat 10 formschlüssig zu koppeln. Ein am Gehäuse 24 drehfest aufgenommener Statorträger 63 trägt außerdem einen
Linearaktor 64, der zum Beispiel einen Gleichstrommotor 60 und eine von diesem in Rotation zu versetzende Spindel/Mutteranordnung 62 umfasst. Die Mutter der Spindel / Mutteranordnung 62 hat einen Mitnehmer 66, der in eine Ausnehmung 68 des Zentralzahnrads 48 eingreift um dieses bei aktiviertem Gleichstrommotor 60 zwi- sehen der ersten und der zweiten Position - über eine Leerlaufposition - zum Verändern des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 20 hin und her zu bewegen.
Im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 22 versetzt der Verbrennungsmotor 10 das zweite Ritzel 16 in Rotation, so dass sich die Hohlwelle 58 des Umlauf- radträgers 52 dreht. Damit werden die um das Zentralzahnrad 48 herum angeordneten Zahnräder 50 um ihre eigene Längsachse in Rotation versetzt. Da sich das Zentralzahnrad 48 für den generatorischen Betrieb in seiner zweiten Position befindet (Fig. 2b), in der das Zentralzahnrad 48 mit der Innenverzahnung des Ringbunds 54 des Umlaufradträgers 52 im Eingriff steht, derhen die Zahnräder 50 frei, während die Hohlwelle 58 des Umlaufradträgers 52 mit dem Zentralzahnrad 48 im Eingriff steht. Da das Zentralzahnrad 48 drehfest auf der Zentralradwelle 46 sitzt, wird diese, und mit ihr die Glocke 44, die an den Läufer mit den Permanentmagneten gekoppelt ist, in Rotation versetzt. Dies hat zur Folge, dass die Ständerwicklungen 36 des Ständers 34 der elektrischen Maschine 22 entsprechenden Strom liefern. Eine Über- oder Untersetzung durch die Zahnräder 50 findet nicht statt. Damit wird im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 22 eine Rotation der Hohlwelle 58 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 auf die Zentralradwelle 46 übertragen; somit dreht die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb mit der Drehzahl des Antriebsaggregates.
Im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 22 versetzt aufgrund der Bestro- mung der Ständerwicklung 36 der Läufer 30 über die Glocke 44 die Zentralradwelle 46 in Rotation. Auf der Zentralradwelle 46 ist das Zentralzahnrad 48 durch den Linearaktor 64 drehfest in seine erste Position gebracht (Rg. 2a), in der das Zentralzahnrad 48 mit den Zahnrädern 50 im Eingriff steht. Damit wird eine Rotation der Zentralradwelle 46 durch die Zahnräder 50 mit einem Untersetzungsverhältnis auf deren Umlaufradträger 52 bzw. die Hohlwelle 58 übertragen. So steht in der Funktion als Anlasser des Verbrennungsmotors 10 das Drehmoment der elektrischen Maschine um das Untersetzungsverhältnis des Getriebes hoch gesetzt für das Antriebsaggregat zur Verfügung.
In Fig. 3 ist schematisch die als Starter/Generator-Einheit dienende elektrische Maschine 122 mit dem Getriebe 120 dient in einer zweiten Ausführungsform schematisch veranschaulicht. Auch diese Variante des Konzeptes ermöglicht einerseits einen einfachen und schnellen Start des Verbrennungsmotors 10 auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen und andererseits eine hohe Generatorleistung mit niedrigen Verlusten, um nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 Energie für elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Zur Erleichterung des Verständnisses sind die einzelnen Komponenten/Funktionen der zweiten Ausführungsform der Starter/Generator-Einheit mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen, sofern sie eine Entsprechung in der ersten Ausführungsform haben.
Die elektrische Maschine 122 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform einen Außen-Läufer 130, welcher - durch einen Luftspalt 132 getrennt - um einen Ständer 134 mit mehreren Ständerwicklungen 136 drehbar angeordnet ist. Die elektrische Maschine 122 kann jedoch auch als Innenläufermaschine ausgestaltet sein. Vorliegend ist eine Transversalflussmaschine gezeigt, die im Motorbetrieb bei Betätigen des Anlasserschlüssels die Funktion eines Anlassers zum Starten des Verbrennungsmotors 10 übernimmt. Hierzu wird den Ständerwicklungen 136 über eine Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 140 eine entsprechende Energie von der Fahrzeugbatterie 142 zugeführt, so dass der Läufer 130 mit einem Anlaufdrehmoment beaufschlagt wird, welches das Starten des Verbrennungsmotors 10 ermöglicht. Nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 wird die elektrische Maschine durch die Lei- stungs- und Steuerelektronikeinheit 140 in den Generatorbetrieb umgeschaltet, wobei der Läufer 130 mit seinen Permanentmagnetelementen 130a über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10, die beiden Ritzel 12, 16 und den Zahn- riemen 14 (siehe Rg. 1) in Rotation versetzt und somit in den Ständerwicklungen 136 eine Spannung induziert wird, welche zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeuges dient. So wird u. a. die von den Ständerwicklungen 136 gelieferte Spannung bzw. der Strom von der Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 140 in eine Versorgungsgleichspannung für das Bordnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher des Kraftfahrzeugs und die Fahrzeugbatterie 142 umgewandelt.
Der Läufer 130 der elektrischen Maschine 122 hat eine Vielzahl entlang seines In- nenumfangs angeordneter Permanentmagnete 130a mit abwechselnder magne- tischer Orientierung und ist über eine Glocke 144 mit einem Ende einer
Zentralradwelle 146 drehfest verbunden. Der Ständer 134 der elektrischen Maschine 122 hat entsprechende Ständerwicklungen 136, die in Magnetfluss führenden Weicheisenteilen 134a, 134b, 134c aufgenommen sind.
Das Getriebe 120 ist ein schaltbares Umlaufgetriebe, bei dem eine steuerbare Umschaltvorrichtung vorgesehen ist. Ein auf der Zentralradwelle 146 sitzendes Zentralzahnrad 148 kämmt mit mehreren (zwei bis ca. fünf) Zahnrädern 150, die das Zentralzahnrad 148 umgeben. Die Zahnräder 150 sind an ihren beiden Stirnseiten in einem Umlaufradträger 152 drehbar gelagert, der seinerseits auf der Zentralradwelle 146 drehbar aber in Längsrichtung fixiert gelagert ist. Die Zentralradwelle 146 hat im Bereich eines Endes (in Hg. 3 links) eine kreisscheibenförmige Stirnplatte 146a mit einer nach außen gewandten Radialverzahnung 146b. Der Umlaufradträger 152 hat radial außerhalb der Stirnplatte 146a einen die Stirnplatte 146a überragenden rohr- förmigen Fortsatz 152a, der an seinem freien Rand eine axiale Innenverzahnung 152b aufweist.
Zur Umschaltung zwischen zwei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen des Getriebes dient ein Multipolaktor 160. Es ist jedoch auch möglich, andere Typen von Linearaktoren einzusetzen. Der Multipolaktor 160 bildet eine weiter unten im Detail beschriebene Betätigungseinrichtung, die auf ein bewegliches Getriebeglied einwirkt. Die Zentralradwelle 146 ist als Hohlwelle ausgeführt. In der Zentralradwelle 146 ist ein Aktorstab 170 drehbar und längs der Mittellängsachse der Zentralradwelle 146 längsverschieblich aufgenommen. Der Stirnplatte 146a zugewandt ist an einem Ende des Aktorstabes 170 (in Fig. 3 links) eine als das bewegliche Getriebeglied wirkende Zahnradscheibe 148 mit einer zur Radialverzahnung 146b der Stirnplatte 146a passenden Radialverzahnung 148a und einer zur Innenverzahnung 152b des rohrförmi- 5 gen Fortsatzes 152a des Umlaufradträgers 152 passenden Außenverzahnung 148b angeformt.
Durch den Multipolaktor 160 ist der Aktorstab 170 mit der Zahnradscheibe 148 zwischen einer ersten (End-) Position über eine Leerlaufstellung und einer zweiten (End- lo ) Position hin und her zu bewegen. Der Multipolaktor 160 ist gebildet durch eine Elektromagnet-Spulenanordnung 164a, eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Jochanordnung 164b1 und 164b", sowie eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Ankeranordnung 164c. Dabei ist die weichmagnetische Magnet-Jochanordnung aus zwei kreiszylindrischen Hälften 164b' i5 und 164b" mit Ausnehmungen für entsprechende Erregerspulen der Elektromagnet- Spulenanordnung 164a' und 164a" gebildet. In den Ausnehmungen ist jeweils eine Erregerspule aufgenommen, die bündig mit den jeweiligen Stirnflächen 172a, 172b der Schalen-Hälften 164b1 und 164b" abschließen.
2o Die Stirnflächen 172a, 172b der Magnetjoch-Hälften 164b' und 164b" begrenzen einen Arbeitshohlraum 180, in dem die Magnet-Ankeranordnung 164c längs der Mittelachse M beweglich aufgenommen ist.
Die Magnetjochanordnung 164b', 164b" kann hier aus einstückigem Weicheisen ge- 5 bildet sein, aus dem die Polstege bzw. die Zwischenräume ausgeformt sind. In ein derartiges einstückiges Weicheisen-Formteil können Ausnehmungen in Form von Schlitzen, in der Draufsicht längsverlaufenden Rillen, oder Langlöchern eingearbeitet sein. Es ist aber auch möglich, die Magnetjochanordnung als Formteil aus gesintertem Eisenpulver herzustellen oder aus mehreren Teilstücken zu montieren und0 zu ggf. verkleben.
Die Magnet-Ankeranordnung 164c ist eine kreisrunde weicheisenhaltige Ankerscheibe mit einer weiter unten im Detail beschriebenen Gestalt. Die Elektromagnet-Spulenanordnung 164a' und 164a" und die Magnet-Ankeranordnung 164c überlappen sich5 in radialer Richtung bezogen auf die Mittellängsachse M. Die Elektromagnet-Spulenanordnung 164a' und 164a"hat einen geringeren Außendurchmesser als die Ankerscheibe 164c, so dass der aus der Elektromagnet-Spulenanordnung 164a' und 164a" hervorgerufene magnetische Fluss praktisch ohne nennenswerte Streu-Verluste in die Ankerscheibe 164c eindringen kann. Damit wird ein besonders effizienter Magnetkreis realisiert, der sehr geringe Hubzeiten sowie hohe Haltekräfte erreicht.
Die Ankerscheibe 164c kann - unabhängig von der Gestaltung des Magnetjoches bzw. der Magnet-Spulenanordnung - auch eine geschlossene Kreisscheibe aus Weicheisen sein, sofern die Ausgestaltung des Magnetjoches bzw. der Magnet- Spulenanordnung sicherstellt, dass die Streuverluste bzw. Wirbelstromverluste gering genug für den jeweiligen Einsatzzweck sind. Zur Verringerung des Gewichtes bei optimierter magnetischer Flußdichte ist der Anker als Multipolanker ausgebildet, dessen Ankerpole auf die jeweiligen Ständerpole hin ausgerichtet sind. Dazu sind die Ankerpole durch Schwächungen 180c bzw. Verdickungen der ansonsten im Wesentlichen der Kontur der Stirnfläche der Gesamtheit aller Polstege folgenden Ankerscheibe gebildet.
Die Ankerscheibe 164c ist mit dem Aktorstab 170 starr verbunden und in einem durch die Schalen-Hälften 164b1 und 164b" der Magnet-Jochanordnung begrenzten Arbeitshohlraum 180 längs der Mittelachse M geführt längsbeweglich aufgenommen. Der Aktorstab 170 ist in der Zentralradwelle 146 längsbeweglich aufgenommen. Beim Bestromen der (in Fig. 3 linken) Spulen der Elektromagnet-Spulenanordnung 164a' wird in der Magnet-Jochanordnung 164b ein wirbelstromarmes Magnetfeld induziert, das die Ankerscheibe 164c mit dem Aktorstab 170 in Richtung der jeweiligen Schalen-Hälfte 164b1, 164b" zieht, in der sich die bestromte Spule befindet. Damit bewegt sich die am anderen Ende des Aktorstabes 170 befindliche Zahnradscheibe 148 mit ihrer Außenverzahnung 148b in eine Eingriffstellung mit der Innenverzahnung 152b des Umlaufradträgers 152. Beim Bestromen der (in Fig. 3a rechten) anderen Spulen der Elektromagnet-Spulenanordnung 164a" bewegt sich die Zahnradscheibe 148 mit ihrer Radialverzahnung 148b in eine Eingriffsstellung mit der Radialverzahnung 146b der Stirnplatte 146a.
Der Aktorstab 170 reicht über die Zahnradscheibe 148 hinaus mit einem Außenprofil 176 längsverschieblich in einen mit einem gegengleichen Innenprofil 194 versehenen hohlen Wellenstummel 190, der das zweite Ritzel 16 trägt um die elektrische Maschine 22 über das Getriebe 120 mit dem Antriebsaggregat 10 formschlüssig zu koppeln. Der Wellenstummel 190 ist seinerseits drehbar an dem Ständer 134 gelagert. Im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 122 versetzt der Verbrennungsmotor 10 das zweite Ritzel 16 in Rotation, so dass sich der Wellenstummel 190 und - über das Innenprofil 194 und das Außenprofil 176 - der Aktorstab 170 dreht. Da sich der Aktorstab 170 für den generatorischen Betrieb durch den Multipolaktor 160 in Längsrichtung in die Position gebracht ist, in der die Radialverzahnung 146b der Stirnplatte 146a mit der Radialverzahnung 148b der Zahnradscheibe 148 im Eingriff steht, drehen die Zahnräder 150 frei, während der hohle Wellenstummel 190 mit der Zahnradscheibe 148 umläuft. Da die Zahnradscheibe 148 drehfest an der Zentralradwelle 146 sitzt, wird diese, und mit ihr die Glocke 144, die an den Läufer 130 mit den Permanentmagneten gekoppelt ist, in Rotation versetzt. Dies hat zur Folge, dass die Ständerwicklungen 136 des Ständers 134 der elektrischen Maschine 122 entsprechenden Strom liefern. Eine Über- oder Untersetzung durch die Zahnräder 50 findet nicht statt. Damit wird im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 122 eine Rotation des hohlen Wellenstummels 190 mit einem Überset- Zungsverhältnis von 1:1 auf die Zentralradwelle 146 übertragen; somit dreht die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb mit der Drehzahl des Antriebsaggregates.
Im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 22 versetzt aufgrund der Bestro- mung der Ständerwicklung 136 der Läufer 130 mit den Permanentmagneten über die Glocke 144 die Zentralradwelle 146 in Rotation. Auf der Zentralradwelle 146 ist die Zahnradscheibe 148 durch den Multipolaktor 160 in die Position gebracht, in der die Zahnradscheibe 148 mit dem Umlaufradträger 152 über dessen axiale Innenverzahnung 152b im Eingriff steht. Damit wird eine Rotation der Zentralradwelle 146 durch die Zahnräder 150 mit einem Untersetzungsverhältnis auf deren Umlaufradträger 152 bzw. den hohlen Wellenstummel 190 übertragen. So steht in der Funktion als Anlasser des Verbrennungsmotors 10 das Drehmoment der elektrischen Maschine um das Untersetzungsverhältnis des Getriebes hoch gesetzt für das Antriebsaggregat zur Verfügung.
In Fig. 4 ist schematisch eine als Starter/Generator-Einheit dienende elektrische Maschine 222 mit einem Getriebe 220 in einer weiteren Variante schematisch veranschaulicht. Auch diese Variante ermöglicht einerseits einen einfachen und schnellen Start des Verbrennungsmotors 10 auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen und andererseits eine hohe Generatorleistung mit niedrigen Verlusten, um nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 Energie für elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Die einzelnen Komponenten/Funktionen dieser Starter/Generator-Einheit sind mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen, sofern sie eine Entsprechung in einer der vorherigen Varianten haben.
Die elektrische Maschine 222 umfasst in dieser Variante einen Außenläufer 230, welcher um einen Ständer 234 mit mehreren Ständerwicklungen 236 drehbar angeordnet ist. Die elektrische Maschine 222 kann jedoch auch als Innenläufermaschine ausgestaltet sein. Vorliegend ist die elektrische Maschine 222 als eine Transversal- flussmaschine realisiert, die im Motorbetrieb bei Betätigen des Anlasserschlüssels die Funktion eines Anlassers zum Starten des Verbrennungsmotors 10 übernimmt. Hierzu wird den Ständerwicklungen 236 über eine - hier nicht im Detail veranschaulichte - Leistungs- und Steuerelektronikeinheit Energie von der Fahrzeugbatterie zugeführt, so dass der Läufer 230 mit einem Anlaufdrehmoment beaufschlagt wird, welches das Starten des Verbrennungsmotors 10 ermöglicht. Nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 wird die elektrische Maschine durch die Leistungs- und Steuerelektronikeinheit in den Generatorbetrieb umgeschaltet, wobei der Läufer 230 über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10, die beiden Ritzel 12, 16 und den Zahnriemen 14 (siehe Fig. 1) in Rotation versetzt und somit in den Ständerwicklungen 236 eine Spannung induziert wird, welche zur Energieversorgung von elektrischen
Verbrauchern des Kraftfahrzeuges dient. So wird u. a. von den Ständerwicklungen 236 gelieferte Spannung bzw. Strom von der Leistungs- und Steuerelektronikeinheit in eine Versorgungsgleichspannung für das Bordnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher des Kraftfahrzeugs und die Fahrzeugbatterie umgewandelt.
Der Läufer 230 der elektrischen Maschine 222 hat eine Vielzahl entlang seines In- nenumfangs angeordneter Permanentmagnete 230a mit abwechselnder magnetischer Orientierung und ist über eine Glocke 244 mit einem Ende einer Zentralradwelle 246 drehfest verbunden. Der Ständer 234 der elektrischen Maschine 222 hat entsprechende Ständerwicklungen 236, die in Magnetfluss führenden Weicheisenteilen 234a, 234b, 234c aufgenommen sind.
Das Getriebe 220 ist ein schaltbares Umlaufgetriebe, bei dem eine drehmomentgesteuerte Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses zwischen 1:1 und zum Beispiel 1:5 vorgesehen ist. Ein auf einem Rotorträger 246 sitzendes Zentralzahnrad (Sonnenrad) 246a kämmt mit mehreren - zwei bis ca. fünf - Zahnrädern (Planetenrädern) 250a, 250b, die das Zentralzahnrad (Sonnenrad) 246a umgeben. Die Zahnräder (Pia- netenräder) 250a, 250b sind miteinander verbunden und laufen auf einer gemeinsamen Achse 250c. Die Achse 250c ist in einem Umlaufradträger (Planetenträger) 252 gelagert. Die Planetenräder 250a, 250b und kämmen radial außen in einem Hohlrad 256. Das Hohlrad 256 ist auf der Welle 290 drehbar gelagert. Der Umlaufradträger 5 (Planetenträger) 252 ist seinerseits mit der Welle 290 fest verbunden. Zwischen dem Rotorträger 246 und der Welle 290 ist im Bereich eines Endes der Welle 290 (in Fig. 4 links) eine Aufsteckhülse 294 mit einer Verzahnung aufgepresst. Auf der Aufsteckhülse 294 ist ein Freilauf 254 montiert.
lo Im motorischen Betrieb (Starterbetrieb) der elektrischen Maschine 222 versetzt aufgrund der Bestromung der Ständerwicklung 236 der Rotor 230 mit den Permanentmagneten über die Glocke 244 den Rotorträger 246 in Rotation. Eine Rotation des Rotorträgers 246 setzt über das Zahnrad 246a die verbundenen Zahnräder (Planetenräder) 250a, 250b in Drehung. Die Planetenzahnräder 250a, 250b stützen sich im i5 Hohlrad 256 ab, das sich über den Freilauf 258 im feststehenden Statorträger abstützt. In dieser Situation ist der Freilauf gesperrt. Das Drehmoment des Rotors 230 wird damit über den mit der Welle 290 fest verbundenen Umlaufradträger (Planetenträger) 252 mit dem vorgesehenen Übersetzungsverhältnis (zum Beispiel 1:5) in die Welle 290 eingeleitet. So steht in der Funktion als Anlasser des Verbrennungs-
2o motors 10 das Drehmoment der elektrischen Maschine um das Untersetzungsverhältnis des Getriebes hoch gesetzt, für das Antriebsaggregat zur Verfügung.
Im generatorischen Betrieb wird die Welle 290 der elektrischen Maschine 222 von der Verbrennungsmaschine in Rotation versetzt. Die Sperrung des ersten Freilaufs 258 5 wird aufgehoben, da sich der Umlaufradträger (Planetenträger) 252 und damit auch das Hohlrad 256 nicht mehr an dem ersten Freilauf 258 abstützt. Der zweite Freilauf 254 überträgt nun das von der Verbrennungsmaschine gelieferte Drehmoment, so dass das Getriebe und mit ihm der Rotor 230 der elektrischen Maschine 222 im direkten Durchtrieb angetrieben werden. Dies hat zur Folge, dass die Ständerwicklungen0 236 des Ständers 234 der elektrischen Maschine 222 entsprechenden Strom liefern. Eine Über- oder Untersetzung durch die Zahnräder (Planetenräder) 250a, 250b findet nicht statt. Somit dreht die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb mit der Drehzahl des Antriebsaggregates. 5 Die hier verwendeten Freiläufe wirken als Richtungskupplung, die in eine Richtung ein Drehmoment durch Kraftschluss übertragen und in Gegenrichtung Leerlauf zulassen. Diese Kupplungen unterbrechen die Drehmomentübertragung, wenn die Ab- triebseite der Kupplung schneller umläuft als das angetriebene Teil. Sobald wieder Drehzahlgleichheit erreicht ist, werden Drehmoment und Drehbewegung übertragen. Damit wird erreicht, dass im Generatorbetrieb eine Drehmomentübertragung über den einen Freilauf erfolgt während der andere Freilauf frei läuft, und im Motorbetrieb der andere Freilauf das Drehmoment überträgt, während der eine Freilauf frei läuft.
Durch diese Freiläufe findet (i) im Generatorbetrieb eine Drehmomentübertragung von der Welle auf die elektrische Maschine statt, ohne dass das Getriebe eine Drehzahl / Drehmomentwandlung vornimmt, es läuft mit; und (ii) im Motorbetrieb findet eine Drehmomentübertragung von der elektrischen Maschine auf die Welle statt, wobei das Getriebe eine Drehzahl / Drehmomentwandlung vornimmt. In beiden Betriebsarten findet keine Drehrichtungsumkehr der Welle oder der elektrischen Maschine statt. Als mögliche Bauformen für Freiläufe können zum Beispiel Freiläufe der GMN Paul Müller Industrie GmbH & Co. KG, Äußere Bayreuther Straße 230, D- 90411 Nürnberg zum Einsatz kommen.
Einzelne Komponenten oder Baugruppen der beiden Ausführungsbeispiele sind gegeneinander austauschbar bzw. miteinander kombinierbar. So kann zum Beispiel der Multipolaktor des zweiten Ausführungsbeispiels, entsprechend umdimensioniert auch in dem ersten Ausführungsbeispiel anstelle des Gleichstrommotors mit der Spindel/Mutteranordnung einsetzbar ist. In ähnlicher Weise können anstelle der Zahnradscheibe mit einer Radialverzahnung und einer Außenverzahnung auch zwei Radialverzahnungen eingesetzt werden, die mit entsprechenden Radialverzahnungen an dem Umlaufradträger bzw. der Zentralradwelle in Eingriff zu bringen sind. Glei- chermaßen kann auch nur eine Außenverzahnung mit zwei entsprechend gestalteten Innenverzahnungen an dem Umlaufradträger bzw. der Zentralradwelle in Eingriff zu bringen sein. Alle diese Variationen sind als offenbart anzusehen. Im Übrigen sind die veranschaulichten Dimensionen und Proportionen nicht einschränkend sondern lediglich beispielhaft zu verstehen. Auch von den gezeigten Ausführungsbeispielen abwei- chende Ausgestaltungen sollen als erfasst gelten; die Grenze ist durch die nachstehenden Ansprüche und deren Schutzumfang definiert.

Claims

Ansprüche
1. Antriebsvorrichtung, mit einem Antriebsaggregat, und mit einer elektrischen Maschine, die einen Ständer und einen durch das Antriebsaggregat in Rotation zu ver- setzenden Läufer umfasst, wobei
- die elektrische Maschine dazu eingerichtet ist, dass ihr in einer ersten Betriebsart, in der sie als Anlassermotor für das Antriebsaggregat arbeitet, Energie zum Starten des Antriebsaggregats zugeführt wird und dass sie in einer zweiten Betriebsart, in der sie als Generator zur Energieversorgung von elekt- rischen Verbrauchern arbeitet, bei Rotation des Läufers relativ zum Ständer elektrische Energie liefert;
- der Läufer der elektrischen Maschine über ein in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbares Getriebe mit dem Antriebsaggregat gekoppelt ist, und
- die Kopplung formschlüssig realisiert ist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Antriebsaggregat ein Verbrennungsmotor ist.
3. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektri- sehe Maschine auch als Antrieb einer Kraftstoffpumpe dient.
4. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine als Außenläufer ausgestaltet ist, und wobei der Läufer der elektrischen Maschine außen um den Ständer herum drehbar gelagert ist.
5. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Läufer der elektrischen Maschine zur Übertragung von Drehmoment über einen Zahnriemen, eine Zahnrad-/Kettenanordnung, oder eine Zahnradanordnung formschlüssig mit dem Antriebsaggregat gekoppelt ist.
6. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine eine Axialflussmaschine, oder eine Synchronmaschine, oder eine permanent-erregte Maschine ist.
7. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis hat, das durch einen vorzugsweise elektrisch zu betätigenden Linearaktor veränderbar ist.
8. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine und der Linearaktor durch eine elektronische Steuereinheit gekoppelt sind, die das elektrische Umschalten der elektrischen Maschine aus der ersten in die
5 zweite Betriebsart sowie das Verändern des Übersetzungsverhältnisses des in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbaren Getriebe steuert.
9. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbare Getriebe ein Umlaufgetriebe ist.
10
10. Antriebsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Umlaufgetriebe zumindest teilweise von dem Ständer der elektrischen Maschine umgeben ist.
11. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Li- i5 nearaktor dazu eingerichtet ist, eine erste und eine zweite Position, sowie eine Zwischenposition einzunehmen.
12. Antriebsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Umlaufgetriebe
20 - eine Zentralradwelle aufweist, die mit dem Läufer der elektrischen Maschine drehfest verbunden ist,
- ein Zentralrad aufweist, das auf der Zentralradwelle drehfest und zwischen einer ersten und einer zweiten Position längsverschiebbar angeordnet ist,
- ein oder mehrere Umlaufräder aufweist, die mit dem Zentralrad in dessen ers- 5 ter Position im Wirkeingriff stehen,
- einen Umlaufradträger aufweist, der auf der Zentralradwelle drehbar gelagert ist und der mit dem Zentralrad in dessen zweiter Position im Wirkeingriff steht, wobei
- der Umlaufradträger eine Umlaufradträgerwelle aufweist, die mit dem An-0 triebsaggregat formschlüssig gekoppelt ist.
13. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Linearaktor an das Umlaufgetriebe außen angebaut oder in dessen Innern eingebaut ist. 5
14. Antriebsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Linearaktor an dem Umlaufradträger aufgenommen ist.
15. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Linearaktor ein permanent-erregter Gleichstrommotor mit einem Spindel-Mutter-Trieb ist, um das Zentralrad auf der Zentralradwelle in Längsrichtung zu verschieben.
5
16. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein auf der Zentralradwelle sitzendes Zentralzahnrad mit mehreren Zahnrädern kämmt, die das Zentralzahnrad umgeben, die Zahnräder in einem Umlaufradträger drehbar gelagert sind, der seinerseits auf lo der Zentralradwelle drehbar aber in Längsrichtung fixiert gelagert ist, die Zentralradwelle eine Stirnplatte mit einer Radialverzahnung hat, und der Umlaufradträger einen rohrförmigen Fortsatz hat, der eine axiale Innenverzahnung aufweist.
i5 17. Antriebsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zur Umschal- tung zwischen zwei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen des Getriebes ein Multipolaktor vorgesehen ist, der Multipolaktor auf ein bewegliches Getriebeglied einwirkt. o
18. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei der die Zentralradwelle ist als Hohlwelle ausgeführt ist, in der ein Aktorstab drehbar und längsverschieblich aufgenommen ist, der Stirnplatte zugewandt an einem Ende des Aktorstabes eine als das bewegliche Getriebeglied wirkende Zahnradscheibe mit einer Radialverzahnung und einer Außen-5 Verzahnung angeformt ist.
19. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei der durch den Multipolaktor der Aktorstab mit der Zahnradscheibe zwischen einer ersten Position über eine Leerlaufstellung und einer zweiten Position hin und her zu bewegen ist.0
20. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei der der Multipolaktor gebildet ist durch
- eine Elektromagnet-Spulenanordnung,
- eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Jochanord-5 nung, sowie
- eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Ankeranordnung.
21. Antriebsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die weichmagnetische Magnet-Jochanordnung aus zwei Hälften mit Ausnehmungen für Erregerspulen der Elektromagnet-Spulenanordnung gebildet ist.
5
22. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei der die Magnetjoch-Hälften einen Arbeitshohlraum begrenzen, in dem die Magnet-Ankeranordnung beweglich aufgenommen ist.
lo 23. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, bei der die Magnet- Ankeranordnung eine weicheisenhaltige Ankerscheibe ist, deren radiale Abmessung so bestimmt ist, dass sie die Elektromagnet-Spulenanordnung in radialer Richtung überragt.
i5 24. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, bei der die Magnet- Ankeranordnung als Multipolanker ausgebildet ist, dessen Ankerpole auf die jeweiligen Ständerpole hin ausgerichtet sind indem die Ankerpole durch Schwächungen bzw. Verdickungen der Ankerscheibe gebildet sind.
20 25. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, bei der beim Bestro- men der Spulen der Elektromagnet-Spulenanordnung in der Magnet-Jochanordnung ein Magnetfeld induziert wird, das die Ankerscheibe mit dem Aktorstab in Richtung der jeweiligen Schalen-Hälfte zieht, in der sich die bestromte Spule befindet, wodurch sich die am Aktorstab befindliche Zahnradscheibe entweder mit ihrer Außen- 5 Verzahnung in eine Eingriffsstellung mit der Innenverzahnung des Umlaufradträgers bewegt oder mit ihrer Radialverzahnung in eine Eingriffsstellung mit der Radialverzahnung der Stirnplatte bewegt.
26. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, bei der der Aktorstabo mit einem Wellenstummel längsverschieblich und drehfest gekoppelt ist um die elektrische Maschine über das Getriebe mit dem Antriebsaggregat formschlüssig zu koppeln.
27. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das in5 seinem Übersetzungsverhältnis veränderbare Getriebe - in der ersten Anlasser-Betriebsart den Läufer der elektrischen Maschine so mit dem Antriebsaggregat koppelt, dass dieses langsamer dreht als die elektrische Maschine, und
- in der zweiten Generator-Betriebsart den Läufer der elektrischen Maschine so 5 mit dem Antriebsaggregat koppelt, dass dieses genauso schnell oder schneller dreht als die elektrische Maschine.
28. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbare Getriebe zwei Freiläufe aufweist, durch lo die
(i) im Generatorbetrieb eine Drehmomentübertragung von der Welle auf die elektrische Maschine stattfindet , ohne dass das Getriebe eine Drehzahl/Drehmomentwandlung vornimmt; und
(ii) im Motorbetrieb eine Dreh momentü bertrag ung von der elektrischen i5 Maschine auf die Welle stattfindet, wobei das Getriebe eine Drehzahl/Drehmomentwandlung bewirkt.
29. Antriebsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbare Getriebe zwei Freiläufe aufweist, durch die in0 beiden Betriebsarten keine Drehrichtungsumkehr der Welle oder der elektrischen Maschine stattfindet.
30. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 28 oder 29, wobei das in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbare Getriebe zwei Freiläufe5 aufweist, durch die im Generatorbetrieb eine Drehmomentübertragung über den einen Freilauf erfolgt während der andere Freilauf frei läuft, und im Motorbetrieb der andere Freilauf das Drehmoment überträgt, während der eine Freilauf frei läuft.
31. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 28 bis 30, wobei0 das in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbare Getriebe zwei Freiläufe aufweist, die als Richtungskupplung wirken, die
(i) in eine Richtung ein Drehmoment durch Kraftschluss übertragen und in
Gegenrichtung Leerlauf zulassen, und
(ii) die Drehmomentübertragung unterbrechen, wenn die Abtriebseite der5 Kupplung schneller umläuft als das angetriebene Teil.
32. Verwendung eines in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbaren Getriebes, das ein Antriebsaggregat mit einer elektrischen Maschine getrieblich verbindet, die dazu eingerichtet ist, dass
- ihr in einer ersten Betriebsart, in der sie als Anlassermotor für das Antriebsag- 5 gregat arbeitet, Energie zum Starten des Antriebsaggregats zugeführt wird und
- sie in einer zweiten Betriebsart, in der sie als Generator zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern arbeitet, bei Rotation des Läufers relativ zum Ständer elektrische Energie liefert, und wobei lo - das Übersetzungsverhältnis des Getriebes in der zweiten Betriebsart von dem
Übersetzungsverhältnis der ersten Betriebsart abweicht.
33. Verwendung eines in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbaren Getriebes nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, das i5 - in der ersten Anlasser-Betriebsart den Läufer der elektrischen Maschine so mit dem Antriebsaggregat koppelt, dass dieses langsamer dreht als die elektrische Maschine, und
- das in der zweiten Generator-Betriebsart den Läufer der elektrischen Maschine so mit dem Antriebsaggregat koppelt, dass dieses genauso schnell oder
20 schneller dreht als die elektrische Maschine.
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