WO2016087101A1 - Elektrische antriebseinheit, hybridantriebseinrichtung und fahrzeug - Google Patents

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Cleef Thackwell
Gerd Stöhr
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/197—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil in which the rotor or stator space is fluid-tight, e.g. to provide for different cooling media for rotor and stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/18—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays
    • H02P25/184—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays wherein the motor speed is changed by switching from a delta to a star, e.g. wye, connection of its windings, or vice versa
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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K2006/4833—Step up or reduction gearing driving generator, e.g. to operate generator in most efficient speed range
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2306/00—Other features of vehicle sub-units
    • B60Y2306/03—Lubrication
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors

Definitions

  • Electric drive unit Electric drive unit, hybrid drive device and vehicle
  • the invention relates to an electric drive unit.
  • the invention further relates to a hybrid drive device and a vehicle.
  • a drive train for a hybrid drive which comprises an internal combustion engine, an electric drive unit and a transmission unit. Between a drive shaft of the internal combustion engine and an input shaft of the transmission unit, a first transfer clutch is arranged. The electric
  • Electric drive unit is a variety of known electric motors such. one
  • the first transfer clutch is designed as a switchable non-positive or positive transfer clutch. This transmits a torque from the output shaft to the input shaft and vice versa.
  • the transmission of torque in both directions allows to use the electric drive unit both as a motor and as a generator.
  • the connection of the electric drive unit is functionally directly after the internal combustion engine and in front of the gear unit. Due to the first transmission clutch, the transmission unit can be driven purely electrically without connection of the internal combustion engine.
  • a rotor of the electric drive unit is rotatable coaxially to the input shaft and / or slidably mounted in the axial direction on an intermediate shaft, whereby the rotor or the intermediate shaft can be separated from the drive train .
  • a second transfer clutch is provided between the rotor and the input shaft, which acts positively and / or non-positively, in particular as a switchable coupling, for example as a wedge, claw, tooth or Friction clutch is formed and with the help of the electric drive unit is switched on and off.
  • Magnetic materials especially neodymium, dysprosium and terbium, high cost.
  • the invention has the object, in an electric drive unit for a hybrid drive, in particular for a vehicle of the type described the power output and the
  • Electric or hybrid electric vehicle having mechanical power generated by an output member for outputting electrical energy generated in the electric drive unit, comprising a combination of the following features:
  • the drive unit is equipped with an asynchronous machine with a rotor cage,
  • the asynchronous machine is designed with a stator provided with a wave winding
  • the wave winding is designed with a star-delta switching device
  • the rotor is formed with a rotor internal cooling device
  • stator with a wave winding allows a reduction of the windings of the stator and a shortening of the conductors, from which the wave winding is formed, compared with a loop winding. This makes it possible to save on conductor material and reduce the thermal power losses occurring during operation compared to a design with loop windings and weight and volume of the stator.
  • the wave winding is formed with copper conductors. This results in higher efficiency, reduced installation space and reduced costs.
  • the wave winding is designed with profile wires whose
  • Cross-sectional contour of that of the wave winding receiving stator is adapted. This is against a formation of the wave winding with round wires, i. Ladders with a circular cross-sectional contour, a higher slot fill factor achievable. A higher slot fill factor increases the efficiency and efficiency of the asynchronous machine.
  • the star-delta switch enables a simple and reliable way
  • the rotor of the asynchronous machine is formed with a rotor internal cooling device, which dissipates heat not only on surfaces of the rotor, but also from its interior, i. at least almost at the place of origin of the heat, allows and thus significantly increases the effectiveness of the rotor cooling.
  • the rotor is traversed by coolant channels, through which a coolant can be conducted and conducted during operation.
  • the internal rotor cooling device is formed cooperatively with optionally further cooling devices of the electric drive unit.
  • the internal rotor cooling is advantageously formed cooperatively or combined with cooling devices of other elements and / or assemblies of the electric or hybrid drive.
  • the transmission gear from the rotor to the output element of the electric drive unit is used to translate the speed of the rotor to the speed of the output element.
  • the rotor of the asynchronous machine is operated at a higher speed than that
  • Output element This embodiment is particularly advantageous if, when the electric drive unit according to the invention is used in a hybrid drive, the output element is directly connected to e.g. an internal combustion engine, i. in particular with its crankshaft, to be coupled or can.
  • the output element of the electrical according to the invention is directly connected to e.g. an internal combustion engine, i. in particular with its crankshaft, to be coupled or can.
  • crankshaft In order to operate an internal combustion engine with the highest possible efficiency and, above all, the lowest possible fuel consumption, a rather low rotational speed is preferred for the crankshaft. In contrast, the asynchronous machine in its upper speed range, ie at high speeds, the best efficiency. Unlike one
  • the asynchronous machine will be preferred to operate at high speeds, optimally at speeds higher than the speeds at which the engine has a high efficiency and its lowest fuel consumption.
  • Asynchronous machine and the internal combustion engine can work in the optimal for their operation speed ranges and so a particularly economical drive is obtained.
  • the asynchronous machine is at the optimum speed range, i. at the highest possible efficiency, works. This increases energy utilization and reduces thermal losses and
  • the transmission gear is formed with a planetary gear.
  • An embodiment with a planetary gear allows in particular a compact, coaxial arrangement of the transmission gear both with the rotor and with the output element of the electric drive unit according to the invention.
  • an available space of the electric drive unit according to the invention available space is particularly well utilized.
  • the transmission can be without increasing the size of the
  • Electric drive unit according to the invention limited.
  • electrical according to the invention is a further preferred embodiment of the electrical according to the invention.
  • a planetary gear also commonly referred to as epicyclic gear, comprises in a simple form two central gears, one of which is preferably formed as a ring gear and the other as a sun gear, and at least one planet gear.
  • the circulation of the at least one planet wheel is coaxial with the two central wheels.
  • each planetary gear performs a rotation about its web shaft, and the at least one web shaft runs around coaxially with the two central wheels.
  • the planetary gear is forced, i. his degree is equal to one. This means that when driving a shaft of the
  • Planetary gear rotation of the second shaft is unique.
  • the two-shaft operation is obtained in that one of the central wheels with its shaft or the at least one ridge shaft is stationary.
  • the circulation ratio which forms a possible form of two-shaft operation, one of the central wheels is stationary with its shaft. Drive and take place via the other, rotating the central wheels with its shaft and the at least one web shaft.
  • the sun gear is fixed, the ring gear rotatably connected to the rotor and the at least one web shaft connected to the output member of the electric drive unit.
  • the transmission gear is arranged in and / or near a coolant and / or lubricant space for at least the rotor.
  • This cooling and / or lubricant space is preferably an oil space.
  • This lubrication and / or cooling of the transmission is very easy, without having to provide a complex cooling and / or lubricant supply or even a separate cooling and / or lubricating device for the transmission gear.
  • the transmission can be so with little effort in cooling and / or lubrication of the electric drive unit and possibly other components of a hybrid drive device in which the electric drive unit used, include, in particular of clutches for coupling the electric drive unit with an internal combustion engine and / or a transmission, in particular a manual transmission, particularly preferably an automatic transmission.
  • the rotor has a rotor carrier with a substantially in the axial and in
  • German Patent Application DE 10 2013 006 857.6 describes an electrical machine with a rotor internal cooling device, according to which the rotor internal cooling device of the electric drive unit according to the invention is preferably formed and by which an uneven cooling of the magnet arrangement of the rotor is reduced.
  • the arrangement of laminated core and rotor cage is not a magnet arrangement in the strict sense, since it is not formed with magnets, in particular not with permanent magnets.
  • Magnetic field occurs, this arrangement of laminated core and rotor cage is hereinafter referred to, also in the context of the description of the embodiments, as a magnet assembly.
  • At least one of the coolant channels of the rotor internal cooling device is formed by a coolant and / or lubricant intended for cooling and / or lubricating at least the rotor.
  • the at least one coolant channel with a cooling and / or lubricating oil, particularly preferably a gear and / or bearing oil for cooling and / or lubricating preferably of the transmission gear, a rotor bearing in particular of the rotor carrier in preferably a bearing and / or gear and / or drive housing, formed through-flow.
  • Hybrid drive device connected assemblies such. Clutches or transmissions, may be formed with the same coolant and / or lubricant, preferably cooling and / or lubricating oil, flowed through, i. in a common cooling and / or
  • the asynchronous machine forms the means for forming the star-delta Switching an open, a predetermined phase number exhibiting multi-phase system with open windings and is a circuit arrangement for feeding the asynchronous machine from a substantially furnished for delivering a first DC voltage
  • Energy source provided with a given phase number having multi-phase voltage, comprising a first inverter stage for supplying a predetermined number of phases corresponding number of first terminals of the asynchronous machine from the power source and a second converter stage for supplying one with the predetermined
  • the shaft winding of the stator which is connected to the device for star-delta switching, designed with open windings whose terminals form the first and second terminals of the asynchronous machine.
  • the energy source with at least one accumulator, preferably a traction battery of a vehicle, and / or at least one fuel cell and / or at least one
  • Capacitor in particular with at least one so-called supercapacitor
  • a hybrid drive device which is provided by at least one electric drive unit of the type described above, by at least one internal combustion engine and by at least one clutch device for selectively connecting and / or disconnecting a force flow between the internal combustion engine and the output element of the at least one electric drive unit is marked.
  • Hybrid drive device can be used both in an engine operation of the electric drive unit, preferably for traction, but also for a starter function for the internal combustion engine, as well as in a generator operation, in which the electric drive unit as Generator, in particular for charging a traction battery or other energy storage, is used.
  • the traction can be done together with the internal combustion engine or solely by the electric drive unit with decoupled internal combustion engine.
  • the hybrid drive device may advantageously comprise a plurality of electric drive units, each having a separate or at least partially a common output element. Such a hybrid drive device is simple and compact and very efficient in operation.
  • the above object is also achieved by a vehicle having an electric drive unit of the type described above and / or a hybrid drive device of the type described above.
  • a vehicle having an electric drive unit of the type described above and / or a hybrid drive device of the type described above.
  • Such a ausgestaltetes vehicle is equipped in a simple manner with a compact, powerful and economical drive.
  • FIG. 1 shows a roughly schematic representation of a drive train of a motor vehicle with a hybrid drive device that is equipped with an electric drive unit, as used in the prior art
  • Figure 2 is a rough schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 3 shows a roughly schematic representation of one half of a longitudinal section through an electric drive unit according to the invention, used in a drive train of a motor vehicle with a hybrid drive device,
  • Figure 4 is a rough schematic representation of a winding scheme for an example of a
  • Wave winding and Figure 5 is a rough schematic diagram of an example of a device for star-delta switching, as in one embodiment of the
  • Electric drive unit according to the invention is used.
  • FIG. 1 shows a drive train of a motor vehicle with a hybrid drive device 301 roughly schematically and designated by reference numeral 300.
  • the powertrain 300 includes the hybrid drive device 301, which is equipped with an electric drive unit 302, as used in the prior art. Furthermore, the hybrid drive device 301, which is equipped with an electric drive unit 302, as used in the prior art. Furthermore, the hybrid drive device 301, which is equipped with an electric drive unit 302, as used in the prior art. Furthermore, the
  • Hybrid drive device 301 an internal combustion engine 303 and a first
  • Coupling device 304 which serves for selectively connecting and / or disconnecting a power flow between the internal combustion engine 303 and an output element 305 of the electric drive unit 302.
  • the electric drive unit 302 is configured with a stator 306 and a rotor 307.
  • the rotor 307 is formed, in particular, with a magnet arrangement not shown in detail in FIG. 1, with at least one permanent magnet, and non-positively connected to the output element 305.
  • the output element 305 is formed with a rotor shaft of the rotor 307.
  • the power flow from the output member 305 on a dual-clutch transmission 31 1 can be conducted, in particular optionally via the second clutch means 309 to a first input shaft 312 of the dual-clutch transmission 31 1 and the third Coupling device 310 to a second input shaft 313 of the dual-clutch transmission 31 1.
  • the power flow via a differential gear 315 on drive wheels 316 of the motor vehicle can be conducted.
  • FIG. 2 shows, starting from the arrangement according to FIG. 1, a roughly schematic representation of an exemplary embodiment of a drive train 103 of a motor vehicle 102 with a hybrid drive device 101, which is equipped with an exemplary embodiment of an electric drive unit 100 according to the invention.
  • the electric drive unit 100 is provided with an asynchronous machine 104 indicated in a symbolic longitudinal section illustration with a rotor cage, in particular a rotor cage formed with copper conductors, having rotor 105 formed.
  • This asynchronous machine 104 further has a stator 106 which is formed with a wave winding 107, in particular with open windings, ie open winding ends.
  • the asynchronous machine 104 thus represents an open, multi-phase system with open windings having a predetermined phase number. In this case, both winding ends of each of the windings or phase windings for each phase of the asynchronous machine 104 are provided by a circuit 108 for feeding the
  • a star-delta switching of the wave winding 107 of the asynchronous machine 104 is vorrisebar in operation.
  • the rotor 105 of the asynchronous machine 104 is formed with a rotor internal cooling device 109, which is symbolically indicated in FIG. 2 by a tubular coolant channel encompassed by the rotor internal cooling device 109. Through the coolant channel, a coolant can be conducted; Arrows 1 10 symbolize this coolant flow.
  • Rotor inner cooling device 109 resulting in the operation of the induction motor 104 resulting heat energy from the interior of the rotor 105 is derived.
  • the electric drive unit 100 of the hybrid drive device 101 has an output element 1 12, which can be coupled via the first clutch device 304 to the internal combustion engine 303 for selectively connecting and / or disconnecting a power flow between the internal combustion engine 303 and the output element 1 12.
  • the dual clutch 308 with the second 309 and the third 310 clutch device the power flow from the output element 1 12 back to the dual clutch transmission 31 1 can be conducted, and as in the arrangement of Figure 1 in particular selectively via the second clutch means 309 to the first input shaft 312 of Dual clutch transmission 31 1 and over the third
  • a in Figure 2 symbolically indicated transmission gear 1 13 is arranged. This is advantageous
  • Transmission gear 1 13 coaxial with the rotor 105 and the output member 1 12 configured and arranged.
  • the transmission gear 1 13 is formed as a planetary gear for a two-shaft operation with circulation ratio, wherein the planetary gear a Translation of in particular 1: 1, 5 to 1: 2 by which ratio the speed of the rotor 105 is higher than the rotational speed of the output element 1 12 and thus both of the internal combustion engine and the first and second input shaft 312, 313rd
  • FIG. 3 shows a roughly schematic representation of a half of a longitudinal section separated along a rotation axis 1 14 by the exemplary embodiment of FIG
  • the electric drive unit 100 shown in FIG. 2 is used in the drive train 103 of the motor vehicle 102 with the hybrid drive device 101.
  • the hybrid drive device 101 is an example of details of a spatial arrangement of the individual
  • a rotatable about the axis of rotation input hub 1 15 is on the one hand with the in Figure 3 simplicity of the internal combustion engine 303, in particular its crankshaft, and on the other hand with an inner plate set of here with a
  • the output member 1 12 is formed here with a hollow shaft-like bearing portion 1 16 and rotatably mounted in bearings 1 17 about the rotation axis 1 14 in a drive housing 1 18. Further, the output member 1 12 is configured with a coupling support portion 1 19, in which it is non-positively connected to one outer disk set each of the first 304, the second 309 and the third 310 clutch device. An inner disc set of the second
  • Coupling device 309 is non-positively connected to first input shaft 312, and an inner plate set of third coupling device 310 is non-positively connected to second input shaft 313, which here comprises hollow shaft-like first input shaft 312, with both first input shaft 312 and second input shaft 313 around the first input shaft 312 Rotation axis 1 14 are rotatably arranged.
  • the rotor 105 of the asynchronous machine 104 has a rotor carrier 120 with a support region 121 extending essentially in the axial and circumferential direction of the rotor 105 and a magnet arrangement 122 arranged on the support region 121 and formed with a laminated core and the rotor cage.
  • the rotor 105 furthermore has at least one at least partially between the magnet arrangement 122 and the rotor carrier 120
  • coolant channel 123 is provided and / or trained, from the rotor inner cooling device 1 10 encompassed coolant channel 123.
  • the at least one coolant channel 123 is arranged along a boundary surface along which the magnet arrangement 122 lies on the
  • the Magnet arrangement 122 has a hollow cylindrical shape and mounted on the boundary surface, which forms a cylindrical, to the axis of rotation 1 14 coaxial surface of the support portion 121, for example by press fitting.
  • the at least one coolant channel 123 is then formed by axial and / or tangential and / or helical recesses formed along the boundary surface into the support region 121 and / or the magnet arrangement 122.
  • FIG. 3 symbolizes a coolant channel 123 aligned axially along the boundary surface.
  • the rotor support 120 comprises a bearing area 124 which is designed coaxially with respect to the axis of rotation 1 14 and in which it is rotatably mounted about bearings 125 in the drive housing 1 18 about the axis of rotation 1 14.
  • the transmission gear 1 13 is arranged in the power flow between the rotor carrier 120 and the output element 1 12 of the electric drive unit 100.
  • the transmission gear 1 13 is arranged.
  • an external toothing sun gear 126 coaxial with the axis of rotation 1 14 non-positively connected to the drive housing 1 18 and thus fixed.
  • Transmission gear 1 13 is non-positively connected to the bearing portion 124 of the rotor carrier 120 and thus rotatable together with the rotor support 120 about the rotation axis 1 14.
  • the ring gear 127 thereby rotates with the rotor 105.
  • At least one planetary gear 128 of the transmission gear 1 13 is engaged with both the sun gear 126 and the ring gear 127.
  • the at least one planetary gear 128 is rotatably mounted on the output member 1 12 such a Umlaufradachse 129 that it with the output member 1 12 to the
  • Rotation axis 1 14 can rotate.
  • a ratio between the rotational speeds of the rotor 105 and the output element 1 12 is obtained, in which the rotor rotates faster than the output element.
  • sun gear 126 and ring gear 127 are dimensioned such that a ratio of 1: 1, 5 to 1: 2 results.
  • the transmission gear 1 13 is shown in FIG 3 in the interior of the rotor carrier 120 in a provided there cooling and / or lubricant space, in particular oil chamber 130, the
  • Hybrid drive device 101 is arranged.
  • oil chamber 130 for receiving a certain supply of a coolant and / or lubricant, in particular an oil configured.
  • a coolant and / or lubricant in particular an oil configured.
  • Lubricant space in particular oil chamber 130, in a single or multi-circuit coolant and / or lubricant circulation, in particular oil circulation passes.
  • This cooling and / or Lubricant circulation, in particular oil circulation is indicated symbolically in Figure 3 by arrows; for this coolant and / or lubricant circulation, in particular oil circulation, and the coolant flow 1 1 1 in at least one coolant channel 123 of the rotor inner cooling device 1 10.
  • the arrows 131 denote a coolant and / or lubricant circulation, especially oil circulation, for cooling and / or lubricating the dual clutch 308 with the second clutch means 309 and the third clutch means 310, the arrows 132 a coolant and / or lubricant circulation, in particular oil circulation, for cooling and / or lubricating the first clutch means 304, the arrows 133 a cooling and / or
  • Lubricant circulation in particular oil circulation, for cooling and / or lubricating the bearings 1 17, the arrows 134 a coolant and / or lubricant circulation, in particular oil circulation, for cooling and / or lubricating the bearings 125 and cooling an air gap 138 between the rotor 105 and stator 106 of the asynchronous machine 104, the arrows 135 a cooling and / or
  • Lubricant circulation especially oil circulation, for cooling end windings of the
  • Lubricant circulation for cooling the stator 106 via cooling and / or lubricant grooves 139 on Statorau present.
  • Coolant channel 123 of the rotor inner cooling device 1 10 passed.
  • the transmission gear 1 13 is cooled directly from the coolant and / or lubricant space, in particular oil chamber, 130 and / or lubricated.
  • Arrow 137 symbolizes a coolant and / or lubricant return, in particular oil return, to the coolant and / or lubricant chamber, in particular oil chamber, 130.
  • Lubricant circulation in particular oil circulation, 132 and 133 formed with a bore in the manner of a hollow shaft.
  • coolant and / or lubricant circulations it is possible even at a high power density in the hybrid drive device described to keep the thermal load of the individual elements and / or assemblies low.
  • a so-called ATF - "Automatic Transmission Fluid" - which can be loaded with temperatures of up to a maximum of 150 ° C., is used as the coolant and / or lubricant, it being found that during operation of a hybrid drive device designed according to the invention
  • a coolant and / or lubricant temperature of about 90 ° C can be maintained, ie not exceeded.
  • a very effective cooling, in particular of the rotor 105 is achieved, which is much higher without the measures described for cooling
  • FIG. 5 is a rough schematic diagram of an example of the circuit arrangement 108 for feeding the asynchronous machine 104 is shown with a device for star-delta switching, as in the above-described embodiment of
  • FIG. 4 shows a rough schematic representation of a section of a winding scheme carried out in a manner known per se for an example of a wave winding to illustrate a possible structure of the wave winding 107.
  • a winding scheme is e.g. known from the monograph by Müller / Ponick: "Calculation of Electrical Machines.”
  • the conductors of the wave winding are always guided in the direction of rotation of the rotor from one stator to a next Statornut without recess as in a loop winding, which in particular very space-saving end windings can be achieved 4, the stator slots are numbered 1, 2, 3,... and, for example, a conductor is placed sequentially in a first, seventh, thirteenth, etc. stator slot.
  • the circuit arrangement 108 is configured to feed the asynchronous machine 104 and thereby designed as a device for star-delta switching of the asynchronous machine 104.
  • the asynchronous machine 104 forms an open multiphase system having a predetermined number of phases, here in particular a three-phase system. It is according to the
  • the wave winding 107 of the stator 106 which is connected to the device for star-delta switching, designed with open windings, whose
  • connections the first U, V, W and second X, Y, Z terminals of the asynchronous machine 104 form.
  • the first U, V, W and second X, Y, Z terminals are the
  • Asynchronous machine 104 combined to the multiple line 109.
  • a power source not shown, for supplying a first DC voltage, preferably constituted by a traction battery of a vehicle, a fuel cell or the like, is connectable to terminals P and N.
  • the circuit arrangement 108 generates a predetermined phase number from the first DC voltage
  • the circuit arrangement 108 comprises a first Inverter stage of semiconductor switches Q1 1, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16, here transistors with flyback diodes, for feeding the predetermined number of phases, here the phase number 3, matching number of first terminals U, V, W of the asynchronous machine 104 from the power source , Further, a second converter stage of semiconductor switches Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26, here also transistors with flyback diodes, provided for feeding the number of second terminals X, Y, Z of the asynchronous machine 104 with a second DC voltage corresponding to the predetermined number of phases. This second DC voltage can be obtained from a second, independent energy source.
  • two switch elements V1, V2 are preferably provided for controlling the predetermined number of phases.
  • the second inverter stage Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26 optionally, obtaining the second DC voltage from the first DC voltage of the power source at the terminals P, N and supplying the second DC voltage obtained from the first DC voltage of the power source to the second inverter stage Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26.
  • the first Q1 1, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16 and the second Q21, Q22, Q23, Q24, Q25, Q26 converter stage are arranged to feed the
  • Asynchronous machine 104 the first U, V, W and second X, Y, Z terminals of the
  • Asynchronous machine 104 to connect either to a star connection or a delta connection.
  • the invention enables the construction of a compact and powerful
  • Hybrid drive device 101 which is very flexible due to its compact design.
  • an installation position longitudinally or transversely in a vehicle 102 is possible, ie with a position of the axis of rotation 1 14 in the longitudinal or transverse direction of the vehicle 102, without that associated space constraints for the hybrid drive device 101 force noticeable restrictions on the performance of the hybrid drive device 101.

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Abstract

Um bei einem elektrischen Antriebsaggregat für einen Hybridantrieb, insbesondere für ein Fahrzeug, Leistungsabgabe und Wirkungsgrad zu steigern und thermische Belastung, benötigten Bauraum sowie Herstellungskosten zu minimieren, wird eine elektrische Antriebseinheit (100), insbesondere für ein Fahrzeug (102) mit Elektro- oder Hybridantrieb, vorgeschlagen mit einem Abtriebselement (112) zum Abgeben in der elektrischen Antriebseinheit erzeugter mechanischer Energie, umfassend eine Kombination folgender Merkmale: die Antriebseinheit ist mit einer Asynchronmaschine (104) mit einem einen Läuferkäfig, insbesondere einen mit Kupferleitern ausgebildeten Läuferkäfig, aufweisenden Rotor (105) ausgebildet; die Asynchronmaschine ist mit einem mit einer Wellenwicklung (107) ausgestatteten Stator (106) ausgebildet; die Wellenwicklung ist mit einer Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung ausgebildet; der Rotor ist mit einer Rotorinnenkühleinrichtung (110) ausgebildet; in einem Kraftfluss zwischen dem Rotor und dem Abtriebselement ist ein Übersetzungsgetriebe (113) angeordnet. Vorgeschlagen werden ferner eine Hybridantriebseinrichtung (101) mit einer elektrischen Antriebseinheit und ein Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit (100) und/oder Hybridantriebseinrichtung.

Description

Beschreibung
Elektrische Antriebseinheit, Hybridantriebseinrichtung und Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Hybridantriebseinrichtung und ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Aus der Druckschrift DE 103 49 558 A1 ist ein Antriebsstrang für einen Hybridantrieb bekannt, der eine Brennkraftmaschine, ein elektrisches Antriebsaggregat und eine Getriebeeinheit umfasst. Zwischen einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine und einer Eingangswelle der Getriebeeinheit ist eine erste Übertragungskupplung angeordnet. Das elektrische
Antriebsaggregat ist koaxial zu einer Drehachse der Eingangswelle angeordnet. Als
elektrisches Antriebsaggregat ist eine Vielzahl bekannter Elektromotoren wie z.B. ein
Asynchronmotor einsetzbar. Bei dem beschriebenen Antriebsstrang soll die konstruktive Anbindung des elektrischen Antriebsaggregats vereinfacht und der Systemwirkungsgrad optimiert werden. Die erste Übertragungskupplung ist als schaltbare kraft- oder formschlüssige Übertragungskupplung ausgebildet. Diese überträgt ein Drehmoment von der Abtriebswelle auf die Eingangswelle und umgekehrt. Die Übertragung des Drehmoments in beide Richtungen ermöglicht, das elektrische Antriebsaggregat sowohl als Motor als auch als Generator einzusetzen. Die Anbindung des elektrischen Antriebsaggregats erfolgt funktionell direkt nach der Brennkraftmaschine und vor der Getriebeeinheit. Durch die erste Übertragungskupplung lässt sich die Getriebeeinheit rein elektrisch ohne Anbindung der Brennkraftmaschine antreiben.
Weiter wird in der Druckschrift DE 103 49 558 A1 als vorteilhaft bezeichnet, dass ein Rotor des elektrischen Antriebsaggregats koaxial zur Eingangswelle dreh- und/oder in axialer Richtung verschiebbar auf einer Zwischenwelle gelagert ist, wodurch der Rotor bzw. die Zwischenwelle vom Antriebsstrang getrennt werden kann. Bei rein verbrennungsmotorischem Betrieb des Antriebsstrangs wird die Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der Getriebeeinheit nicht durch das elektrische Antriebsaggregat beeinflusst. Insbesondere ist zwischen dem Rotor und der Eingangswelle eine zweite Übertragungskupplung vorgesehen ist, die form- und/oder kraftschlüssig wirkt, insbesondere als schaltbare Kupplung, z.B. als Keil-, Klauen-, Zahn- oder Reibungskupplung ausgebildet ist und mit deren Hilfe das elektrische Antriebsaggregat zu- und abgeschaltet wird.
Im Licht gestiegener Anforderungen an Hybridantriebe wird die Leistungsfähigkeit eines Antriebsaggregats der beschriebenen Art beim Einsatz einer Asynchronmaschine als unbefriedigend, deren Bauraum und Gewicht als zu groß und deren Leistungsdichte als zu gering bezeichnet. Dagegen verursacht der Einsatz einer leistungsfähigeren und kompakteren, permanentmagneterregten Synchronmaschine durch die dafür benötigten, teuren
Magnetwerkstoffe, insbesondere Neodym, Dysprosium und Terbium, hohe Kosten.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Die Erfindung hat die Aufgabe, bei einem elektrischen Antriebsaggregat für einen Hybridantrieb, insbesondere für ein Fahrzeug, der beschriebenen Art die Leistungsabgabe und den
Wirkungsgrad weiter zu steigern und zugleich die thermische Belastung des elektrischen Antriebsaggregats zu senken. Dabei sind zugleich der benötigte Bauraum sowie die
Herstellungskosten zu minimieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Antriebseinheit, insbesondere für ein
Fahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb, mit einem Abtriebselement zum Abgeben in der elektrischen Antriebseinheit erzeugter mechanischer Energie, umfassend eine Kombination folgender Merkmale:
• die Antriebseinheit ist mit einer Asynchronmaschine mit einem einen Läuferkäfig,
insbesondere einen mit Kupferleitern ausgebildeten Läuferkäfig, aufweisenden Rotor ausgebildet;
• die Asynchronmaschine ist mit einem mit einer Wellenwicklung ausgestatteten Stator ausgebildet;
• die Wellenwicklung ist mit einer Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung ausgebildet;
• der Rotor ist mit einer Rotorinnenkühleinrichtung ausgebildet;
• in einem Kraftfluss zwischen dem Rotor und dem Abtriebselement ist ein
Übersetzungsgetriebe angeordnet.
Dabei weist die Asynchronmaschine gegenüber einer permanentmagneterregten
Synchronmaschine den Vorzug einer einfachen und kostengünstigen Rotorbauweise auf.
Insbesondere können dafür kostengünstig verfügbare Werkstoffe eingesetzt werden. Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei Ausbildung des Läuferkäfigs mit Kupferleitern durch deren besonders niedrigen, spezifischen ohmschen Widerstand, wodurch im Betrieb auftretende thermische Verlustleistungen gegenüber einer Ausbildung mit z.B. Aluminiumleitern und damit die Betriebstemperatur der Asynchronmaschine deutlich verringert werden können und so eine verbesserte Leistungsabgabe und ein verbesserter Wirkungsgrad trotz des höheren Gewichts der Kupferleiter erzielt werden. Da die Betriebstemperatur niedrig bleibt, bleiben auch durch eine Temperaturabhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit des Werkstoffs des Läuferkäfigs bedingte Schwankungen elektrischer Ströme im Läuferkäfig niedrig, so dass für die elektrische Antriebseinheit stabile Betriebsbedingungen erzielt werden. Darüber hinaus weist Kupfer ein höheres Elastizitätsmodul auf als z.B. Aluminium, d.h. eine höhere mechanische Festigkeit. Insbesondere bei hohen Drehzahlen wird dadurch eine Verformung des Läuferkäfigs durch Fliehkräfte gering gehalten. Insgesamt werden geringere Verformungen erzielt als bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, bei der durch die in Schlitze eines Rotor- Eisenkörpers eingesetzten Permanentmagnete bzw. durch eine Schwächung des Rotor- Eisenkörpers durch die Schlitze für die Permanentmagnete mit größeren Verformungen bei hohen Drehzahlen zu rechnen ist.
Die Ausbildung des Stators mit einer Wellenwicklung ermöglicht eine Verkleinerung der Wickelköpfe des Stators und eine Verkürzung der Leiter, aus denen die Wellenwicklung gebildet ist, verglichen mit einer Schleifenwicklung. Damit lässt sich Leitermaterial einsparen und lassen sich die im Betrieb auftretenden thermischen Verlustleistungen gegenüber einer Ausbildung mit Schleifenwicklungen sowie Gewicht und Volumen des Stators verringern.
Bevorzugt ist außerdem auch die Wellenwicklung mit Kupferleitern ausgebildet. Damit werden ein höherer Wirkungsgrad, verringerter Bauraum und verringerte Kosten erzielt.
Besonders bevorzugt ist die Wellenwicklung mit Profildrähten ausgeführt, deren
Querschnittskontur derjenigen von die Wellenwicklung aufnehmenden Statornuten angepasst ist. Damit ist gegenüber einer Ausbildung der Wellenwicklung mit Runddrähten, d.h. Leitern mit kreisförmiger Querschnittskontur, ein höherer Nutfüllfaktor erreichbar. Durch einen höheren Nutfüllfaktor werden Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad der Asynchronmaschine gesteigert.
Die Stern-Dreieck-Umschaltung ermöglicht in einfacher und zuverlässiger Weise ein
Ausschöpfen mit der Asynchronmaschine erreichbarer Drehmomente in allen
Drehzahlbereichen, da die Asynchronmaschine bei geringen Drehzahlen wegen ihrer in Sternschaltung höheren Ströme ein höheres Drehmoment aufweist als in Dreieckschaltung, bei der Dreieckschaltung dagegen ein höheres Drehmoment bei hohen Drehzahlen zur Verfügung steht. Bevorzugt wird nach der Erfindung eine lastabhängige Stern-Dreieck-Umschaltung vorgenommen.
Um auch unter hoher Belastung der Asynchronmaschine deren Betriebstemperatur in jedem Fall niedrig halten zu können, ist der Rotor der Asynchronmaschine erfindungsgemäß mit einer Rotorinnenkühleinrichtung ausgebildet, die eine Wärmeabfuhr nicht nur an Oberflächen des Rotors, sondern auch aus dessen Innerem, d.h. wenigstens nahezu am Ort der Entstehung der Wärme, ermöglicht und damit die Wirksamkeit der Rotorkühlung bedeutend steigert.
Insbesondere ist der Rotor dazu von Kühlmittelkanälen durchzogen, durch die ein Kühlmittel leitbar ist und im Betrieb geleitet wird. Besonders bevorzugt ist die Rotorinnenkühleinrichtung mit ggf. weiteren Kühleinrichtungen der elektrischen Antriebseinheit zusammenwirkend ausgebildet. Insbesondere bei einem Einsatz in einem Fahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb ist die Rotorinnenkühlung vorteilhaft mit Kühleinrichtungen weiterer Elemente und/oder Baugruppen des Elektro- oder Hybridantriebs zusammenwirkend oder kombiniert ausgebildet.
Das Übersetzungsgetriebe vom Rotor zum Abtriebselement der elektrischen Antriebseinheit dient einer Übersetzung der Drehzahl des Rotors zur Drehzahl des Abtriebselements. Damit wird der Rotor der Asynchronmaschine mit einer höheren Drehzahl betrieben als das
Abtriebselement. Besonders vorteilhaft ist diese Ausbildung, wenn das Abtriebselement beim Einsatz der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit in einem Hybridantrieb unmittelbar mit z.B. einem Verbrennungsmotor, d.h. insbesondere mit dessen Kurbelwelle, gekoppelt werden soll bzw. kann. Das Abtriebselement der erfindungsgemäßen elektrischen
Antriebseinheit weist im Betrieb dann dieselbe Drehzahl auf wie die Kurbelwelle. Um einen Verbrennungsmotor mit möglichst hohem Wirkungsgrad und vor allem möglichst geringem Kraftstoffverbrauch zu betreiben, wird für die Kurbelwelle eine eher geringere Drehzahl bevorzugt. Dagegen weist die Asynchronmaschine in ihrem oberen Drehzahlbereich, also bei hohen Drehzahlen, den besten Wirkungsgrad auf. Im Gegensatz zu einer
permanentmagneterregten Synchronmaschine, deren Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen am höchsten ist, wird die Asynchronmaschine bevorzugt bei hohen Drehzahlen zu betreiben sein, und zwar optimal bei Drehzahlen, die höher sind als die Drehzahlen, bei denen der Verbrennungsmotor einen hohen Wirkungsgrad und seinen geringsten Kraftstoffverbrauch aufweist. Durch das Übersetzungsgetriebe werden die Drehzahlen des Rotors und des Abtriebselements vorteilhaft derart aneinander angepasst, dass bei dem genannten Einsatz der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit in einem Hybridantrieb sowohl die
Asynchronmaschine als auch der Verbrennungsmotor in den zu ihrem Betrieb optimalen Drehzahlbereichen arbeiten können und so ein besonders wirtschaftlicher Antrieb erhalten wird. Zugleich wird damit erreicht, dass auch bei rein elektrischer Betriebsart eines derartigen Hybridantriebs, d.h. bei abgeschaltetem und/oder abgekuppeltem Verbrennungsmotor und Antrieb des beispielhaft genannten Fahrzeugs lediglich mit der elektrischen Antriebseinheit, die Asynchronmaschine im optimalen Drehzahlbereich, d.h. bei höchstmöglichem Wirkungsgrad, arbeitet. Dies erhöht die Energieausnutzung und verringert thermische Verluste und
Belastungen.
Die erfindungsgemäße Kombination der vorbeschriebenen Merkmale ermöglicht es, eine effiziente elektrische Antriebseinheit in einem kleinstmöglichen Bauraum zu verwirklichen. Mit der Erfindung ist es nicht länger erforderlich, aus Gründen einer Einschränkung des der elektrischen Antriebseinheit verfügbaren Bauraums permanentmagneterregte
Synchronmaschinen gegenüber Asynchronmaschinen in einer solchen elektrischen
Antriebseinheit und insbesondere in damit ausgebildeten Hybridantrieben zu bevorzugen. Die erfindungsgemäße Kombination der einzelnen dargestellten Merkmale ermöglicht es, eine hohe Leistungsdichte und Effizienz zu erreichen, so dass die dargestellte Asynchronmaschine auch für den Einsatz in Hybridfahrzeugen vorgesehen werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ist das Übersetzungsgetriebe mit einem Planetengetriebe ausgebildet. Eine Ausgestaltung mit einem Planetengetriebe ermöglicht insbesondere eine kompakte, koaxiale Anordnung des Übersetzungsgetriebes sowohl mit dem Rotor als auch mit dem Abtriebselement der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit. Dadurch wird ein der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit verfügbarer Bauraum besonders gut ausgenutzt. Insbesondere lässt sich das Übersetzungsgetriebe ohne Vergrößerung der Abmessungen der
erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit in diese einfügen. Auch wird damit eine durch das Hinzufügen des Übersetzungsgetriebes bewirkte Erhöhung des Gewichts der
erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit eng begrenzt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen
Antriebseinheit ist das Planetengetriebe für einen Zweiwellen betrieb mit Umlaufübersetzung ausgebildet, wobei das Planetengetriebe eine Übersetzung von insbesondere 1 :1 ,5 bis 1 :2 aufweist. Ein Planetengetriebe, allgemein auch als Umlaufrädergetriebe bezeichnet, umfasst in einer einfachen Form zwei Zentralräder, von denen eines bevorzugt als Hohlrad und das andere als Sonnenrad ausgebildet ist, sowie wenigstens ein Umlaufrad. Der Umlauf des wenigstens einen Umlaufrades erfolgt koaxial zu beiden Zentralrädern. Dabei vollführt jedes Umlaufrad eine Drehung um seine Stegwelle, und die wenigstens eine Stegwelle läuft koaxial zu den beiden Zentralrädern um. Im Zweiwellenbetrieb ist das Planetengetriebe zwangläufig, d.h. sein Laufgrad ist gleich eins. Das bedeutet, dass beim Antrieb einer Welle des
Planetengetriebes die Drehung der zweiten Welle eindeutig ist. Der Zweiwellenbetrieb wird dadurch erhalten, dass eines der Zentralräder mit seiner Welle oder die wenigstens eine Stegwelle stillsteht. Bei der Umlaufübersetzung, die eine mögliche Form des Zweiwellenbetriebs bildet, steht eines der Zentralräder mit seiner Welle still. An- und Abtrieb erfolgen über das andere, drehende der Zentralräder mit seiner Welle und über die wenigstens eine Stegwelle. Besonders bevorzugt ist bei der vorliegenden Erfindung das Sonnenrad festgelegt, das Hohlrad drehend mit dem Rotor und die wenigstens eine Stegwelle mit dem Abtriebselement der elektrischen Antriebseinheit verbunden. Auf diese Weise wird sehr einfach und kompakt durch entsprechende Wahl der Umfänge des Sonnenrades und des Hohlrades eine bevorzugt erwünschte Übersetzung der Drehzahl des Abtriebselements zur Drehzahl des Rotors von insbesondere 1 :1 ,5 bis 1 :2 erhalten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ist das Übersetzungsgetriebe in und/oder nahe einem Kühl- und/oder Schmiermittelraum für wenigstens den Rotor angeordnet. Bevorzugt ist dieser Kühl- und/oder Schmiermittelraum ein Ölraum. Damit wird eine Schmierung und/oder Kühlung des Übersetzungsgetriebes sehr einfach ermöglicht, ohne eine aufwendige Kühl- und/oder Schmiermittelzuführung oder gar eine gesonderte Kühl- und/oder Schmiereinrichtung für das Übersetzungsgetriebe vorsehen zu müssen. Das Übersetzungsgetriebe lässt sich so mit geringem Aufwand in eine Kühlung und/oder Schmierung der elektrischen Antriebseinheit und ggf. weiterer Baugruppen einer Hybridantriebseinrichtung, in der die elektrische Antriebseinheit zum Einsatz kommt, einbeziehen, wie insbesondere von Kupplungen zum Kuppeln der elektrischen Antriebseinheit mit einem Verbrennungsmotor und/oder einem Getriebe, insbesondere einem Schaltgetriebe, besonders bevorzugt einem automatischen Schaltgetriebe. Nach einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit weist der Rotor einen Rotorträger mit einem sich im wesentlichen in axialer und in
Umfangsrichtung des Rotors erstreckenden Tragbereich und eine auf dem Tragbereich angeordnete, mit einem Blechpaket und dem Läuferkäfig ausgebildete Magnetanordnung auf, wobei der Rotor mindestens einen zumindest teilweise zwischen der Magnetanordnung und dem Rotorträger vorgesehenen und/oder ausgebildeten, von der Rotorinnenkühleinrichtung umfassten Kühlmittelkanal aufweist. Es sei erwähnt, dass in der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 006 857.6 eine elektrische Maschine mit einer Rotorinnenkühleinrichtung beschrieben ist, gemäß der die Rotorinnenkühleinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit bevorzugt ausgebildet ist und durch die eine ungleichmäßige Kühlung der Magnetanordnung des Rotors vermindert ist. Außerdem ist anzumerken, dass die Anordnung aus Blechpaket und Läuferkäfig keine Magnetanordnung im strengen Sinne darstellt, da sie nicht mit Magneten, insbesondere nicht mit Permanentmagneten, ausgebildet ist. Der
Einfachheit halber und weil auch in der Anordnung aus Blechpaket und Läuferkäfig Ströme induziert werden, die in magnetische Wechselwirkung mit einem vom Stator erzeugten
Magnetfeld tritt, ist diese Anordnung aus Blechpaket und Läuferkäfig im Folgenden, auch im Rahmen der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, als Magnetanordnung bezeichnet.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ist wenigstens der wenigstens eine Kühlmittelkanal der Rotorinnenkühleinrichtung von einem zum Kühlen und/oder Schmieren wenigstens des Rotors bestimmten Kühl- und/oder Schmiermittel durchströmbar ausgebildet. Bevorzugt ist der wenigstens eine Kühlmittelkanal mit einem Kühl- und/oder Schmieröl, besonders bevorzugt einem Getriebe- und/oder Lageröl zum Kühlen und/oder Schmieren bevorzugt des Übersetzungsgetriebes, einer Rotorlagerung insbesondere des Rotorträgers in vorzugsweise einem Lager- und/oder Getriebe und/oder Antriebsgehäuse, durchströmbar ausgebildet. Weitere mit der elektrischen Antriebseinheit in einer
Hybridantriebseinrichtung verbundene Baugruppen, wie z.B. Kupplungen oder Getriebe, können mit dem selben Kühl- und/oder Schmiermittel, bevorzugt Kühl- und/oder Schmieröl, durchströmbar ausgebildet sein, d.h. in einem gemeinsamen Kühl- und/oder
Schmiermittelkreislauf zusammengefasst sein.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit bildet die Asynchronmaschine zum Ausbilden der Einrichtung zur Stern-Dreieck- Umschaltung ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem mit offenen Wicklungen und ist eine Schaltungsanordnung zum Speisen der Asynchronmaschine aus einer im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichteten
Energiequelle mit einer die vorgegebene Phasenzahl aufweisenden Mehrphasenspannung vorgesehen, umfassend eine erste Umrichterstufe zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl erster Anschlüsse der Asynchronmaschine aus der Energiequelle und eine zweite Umrichterstufe zum Speisen einer mit der vorgegebenen
Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse der Asynchronmaschine aus der Energiequelle über wenigstens ein Schalterelement zum wahlweisen Gewinnen der zweiten Gleichspannung aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle und zum Liefern dieser aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle gewonnenen zweiten Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe, wobei die erste und die zweite Umrichterstufe dazu eingerichtet sind, zum Speisen der Asynchronmaschine die ersten und zweiten Anschlüsse der
Asynchronmaschine wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung zu verbinden. Bevorzugt ist eine derartige Stern-Dreieck-Umschaltung gemäß der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2014 217 269.1 mit dem Anmeldetag 29.08.2014 ausgebildet. Dabei ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Wellenwicklung des Stators, die mit der Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung verbunden ist, mit offenen Wicklungen ausgestaltet, deren Anschlüsse die ersten und zweiten Anschlüsse der Asynchronmaschine bilden. Vorteilhaft ist die Energiequelle mit wenigstens einem Akkumulator, bevorzugt einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, und/oder wenigstens einer Brennstoffzelle und/oder wenigstens einem
Kondensator, insbesondere mit wenigstens einem sogenannten Superkondensator,
ausgebildet.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Hybridantriebseinrichtung, die durch wenigstens eine elektrische Antriebseinheit der vorbeschriebenen Art, durch wenigstens einen Verbrennungsmotor und durch wenigstens eine Kupplungseinrichtung zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen eines Kraftflusses zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Abtriebselement der wenigstens einen elektrischen Antriebseinheit gekennzeichnet ist. Dabei ist der Kraftfluss sowohl vom Verbrennungsmotor an das Abtriebselement als auch vom
Abtriebselement an den Verbrennungsmotor richtbar, so dass die erfindungsgemäße
Hybridantriebseinrichtung sowohl in einem Motorbetrieb der elektrischen Antriebseinheit, bevorzugt zur Traktion, aber auch für eine Anlasserfunktion für den Verbrennungsmotor, als auch in einem Generatorbetrieb verwendbar ist, bei dem die elektrische Antriebseinheit als Generator, insbesondere zum Laden einer Traktionsbatterie oder anderer Energiespeicher, dient. Die Traktion kann dabei gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor oder aber allein durch die elektrische Antriebseinheit bei entkuppeltem Verbrennungsmotor erfolgen. Auch kann die Hybridantriebseinrichtung vorteilhaft mehrere elektrische Antriebseinheiten aufweisen, die je ein gesondertes oder wenigstens teilweise ein gemeinsames Abtriebselement aufweisen. Eine derartige Hybridantriebseinrichtung ist einfach und kompakt aufgebaut und sehr effizient im Betrieb.
Die oben genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Fahrzeug, welches eine elektrische Antriebseinheit der vorbeschriebenen Art und/oder eine Hybridantriebseinrichtung der vorbeschriebenen Art aufweist. Ein derart ausgestaltetes Fahrzeug ist auf einfache Weise mit einem kompakten, leistungsfähigen und wirtschaftlichen Antrieb ausgestattet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung, in der übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben
Bezugszeichen versehen sind und zu der auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird, zeigen:
Figur 1 eine grob schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinrichtung, die mit einer elektrischen Antriebseinheit ausgestattet ist, wie sie im Stand der Technik verwendet wird,
Figur 2 eine grob schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinrichtung, die mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ausgestattet ist,
Figur 3 eine grob schematische Darstellung einer Hälfte eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit, eingesetzt in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinrichtung,
Figur 4 eine grob schematische Darstellung eines Wickelschemas für ein Beispiel einer
Wellenwicklung, und Figur 5 ein grob schematisches Schaltbild eines Beispiels einer Einrichtung zur Stern- Dreieck-Umschaltung, wie sie in einem Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit zum Einsatz kommt.
Die in der Zeichnung dargestellten Anordnungen und davon insbesondere die
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im nachfolgenden näher beschrieben.
Bevorzugte Ausführunqsform der Erfindung
In Figur 1 ist ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinrichtung 301 grob schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet. Der Antriebsstrang 300 umfasst die Hybridantriebseinrichtung 301 , die mit einer elektrischen Antriebseinheit 302 ausgestattet ist, wie sie im Stand der Technik verwendet wird. Weiterhin umfasst die
Hybridantriebseinrichtung 301 einen Verbrennungsmotor 303 und eine erste
Kupplungseinrichtung 304, die zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen eines Kraftflusses zwischen dem Verbrennungsmotor 303 und einem Abtriebselement 305 der elektrischen Antriebseinheit 302 dient. Die elektrische Antriebseinheit 302 ist mit einem Stator 306 und einem Rotor 307 ausgestaltet. Der Rotor 307 ist insbesondere mit einer in Figur 1 jedoch nicht im Einzelnen dargestellten Magnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten ausgebildet und mit dem Abtriebselement 305 kraftschlüssig verbunden. Insbesondere ist das Abtriebselement 305 mit einer Rotorwelle des Rotors 307 gebildet. Über eine Doppelkupplung 308, umfassend eine zweite 309 und eine dritte 310 Kupplungseinrichtung, ist der Kraftfluss vom Abtriebselement 305 auf ein Doppelkupplungsgetriebe 31 1 leitbar, und zwar insbesondere wahlweise über die zweite Kupplungseinrichtung 309 auf eine erste Eingangswelle 312 des Doppelkupplungsgetriebes 31 1 und über die dritte Kupplungseinrichtung 310 auf eine zweite Eingangswelle 313 des Doppelkupplungsgetriebes 31 1. Von einer Ausgangswelle 314 des Doppelkupplungsgetriebes 31 1 ist der Kraftfluss weiter über ein Differentialgetriebe 315 auf Antriebsräder 316 des Kraftfahrzeugs leitbar.
Figur 2 zeigt, ausgehend von der Anordnung nach Figur 1 , eine grob schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Antriebsstrangs 103 eines Kraftfahrzeugs 102 mit einer Hybridantriebseinrichtung 101 , die mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 100 ausgestattet ist. Die elektrische Antriebseinheit 100 ist mit einer in symbolischer Längsschnitt-Darstellung angedeuteten Asynchronmaschine 104 mit einem einen Läuferkäfig, insbesondere einen mit Kupferleitern ausgebildeten Läuferkäfig, aufweisenden Rotor 105 ausgebildet. Diese Asynchronmaschine 104 weist ferner einen Stator 106 auf, der mit einer Wellenwicklung 107 mit insbesondere offenen Wicklungen, d.h. offenen Wicklungsenden, ausgebildet ist. Die Asynchronmaschine 104 stellt somit ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem mit offenen Wicklungen dar. Dabei sind beide Wicklungsenden jeder der Wicklungen bzw. Wicklungsstränge für jede Phase der Asynchronmaschine 104 durch eine Schaltungsanordnung 108 zum Speisen der
Asynchronmaschine 104 aus einer nicht dargestellten Energiequelle, die im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichtet ist, unabhängig voneinander über eine Mehrfachleitung 109 speisbar, deren Aderanzahl der Gesamtanzahl der Wicklungsenden der Wellenwicklung 107 entspricht. Mit der Schaltungsanordnung 108 ist im Betrieb auch eine Stern-Dreieck-Umschaltung der Wellenwicklung 107 der Asynchronmaschine 104 vornehmbar.
Der Rotor 105 der Asynchronmaschine 104 ist mit einer Rotorinnenkühleinrichtung 109 ausgebildet, die in Figur 2 symbolisch durch einen von der Rotorinnenkühleinrichtung 109 umfassten, röhrenartigen Kühlmittelkanal angedeutet ist. Durch den Kühlmittelkanal ist ein Kühlmittel leitbar; Pfeile 1 10 symbolisieren diesen Kühlmittelstrom. Von der
Rotorinnenkühleinrichtung 109 wird im Betrieb der Asynchronmaschine 104 entstehende Wärmeenergie aus dem Inneren des Rotors 105 abgeleitet.
Die elektrische Antriebseinheit 100 der Hybridantriebseinrichtung 101 weist ein Abtriebselement 1 12 auf, das über die erste Kupplungseinrichtung 304 mit dem Verbrennungsmotor 303 zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen eines Kraftflusses zwischen dem Verbrennungsmotor 303 und dem Abtriebselement 1 12 kuppelbar ist. Über die Doppelkupplung 308 mit der zweiten 309 und der dritten 310 Kupplungseinrichtung ist der Kraftfluss vom Abtriebselement 1 12 wieder auf das Doppelkupplungsgetriebe 31 1 leitbar, und zwar wie bei der Anordnung nach Figur 1 insbesondere wahlweise über die zweite Kupplungseinrichtung 309 auf die erste Eingangswelle 312 des Doppelkupplungsgetriebes 31 1 und über die dritte
Kupplungseinrichtung 310 auf die zweite Eingangswelle 313 des Doppelkupplungsgetriebes 31 1 . Im Gegensatz zur Anordnung nach Figur 1 ist bei der Anordnung nach Figur 2 jedoch in einem Kraftfluss zwischen dem Rotor 105 und dem Abtriebselement 1 12 ein in Figur 2 symbolisch angedeutetes Übersetzungsgetriebe 1 13 angeordnet. Vorteilhaft ist das
Übersetzungsgetriebe 1 13 koaxial zum Rotor 105 und zum Abtriebselement 1 12 ausgestaltet und angeordnet. Bevorzugt ist das Übersetzungsgetriebe 1 13 als Planetengetriebe für einen Zweiwellenbetrieb mit Umlaufübersetzung ausgebildet, wobei das Planetengetriebe eine Übersetzung von insbesondere 1 :1 ,5 bis 1 :2 aufweist, um welche Übersetzung die Drehzahl des Rotors 105 höher ist als die Drehzahl des Abtriebselements 1 12 und damit sowohl des Verbrennungsmotors als auch der ersten und der zweiten Eingangswelle 312, 313.
In Figur 3 ist eine grob schematische Darstellung einer entlang einer Rotationsachse 1 14 abgetrennten Hälfte eines Längsschnitts durch das Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 100 nach Figur 2 wiedergegeben, eingesetzt im Antriebsstrang 103 des Kraftfahrzeugs 102 mit der Hybridantriebseinrichtung 101 . Dabei ist ein Beispiel für nähere Einzelheiten einer räumlichen Anordnung der einzelnen
Konstruktionselemente bzw. Baugruppen der elektrischen Antriebseinheit 100 grob
schematisch angedeutet, eine um die Rotationsachse drehbare Eingangsnabe 1 15 ist einerseits mit dem In Figur 3 der Einfachheit nicht dargestellten Verbrennungsmotor 303, insbesondere dessen Kurbelwelle, und andererseits mit einem Innenlamellensatz der hier mit einer
Lamellenkupplung ausgestalteten ersten Kupplungseinrichtung 304 kraftschlüssig verbunden. Das Abtriebselement 1 12 ist hier mit einem hohlwellenartigen Lagerbereich 1 16 ausgebildet und in Lagern 1 17 um die Rotationsachse 1 14 drehbar in einem Antriebsgehäuse 1 18 gelagert. Ferner ist das Abtriebselement 1 12 mit einem Kupplungsträgerbereich 1 19 ausgestaltet, in dem es mit je einem Außenlamellensatz jeder der ersten 304, der zweiten 309 und der dritten 310 Kupplungseinrichtung kraftschlüssig verbunden ist. Ein Innenlamellensatz der zweiten
Kupplungseinrichtung 309 ist kraftschlüssig mit der ersten Eingangswelle 312 verbunden, und ein Innenlammellensatz der dritten Kupplungseinrichtung 310 ist kraftschlüssig mit der zweiten Eingangswelle 313 verbunden, die hier hohlwellenartig die erste Eingangswelle 312 umfasst, wobei sowohl die erste Eingangswelle 312 als auch die zweite Eingangswelle 313 um die Rotationsachse 1 14 drehbar angeordnet sind.
Der Rotor 105 der Asynchronmaschine 104 weist einen Rotorträger 120 mit einem sich im wesentlichen in axialer und in Umfangsrichtung des Rotors 105 erstreckenden Tragbereich 121 und eine auf dem Tragbereich 121 angeordnete, mit einem Blechpaket und dem Läuferkäfig ausgebildete Magnetanordnung 122 auf. Der Rotor 105 weist weiterhin mindestens einen zumindest teilweise zwischen der Magnetanordnung 122 und dem Rotorträger 120
vorgesehenen und/oder ausgebildeten, von der Rotorinnenkühleinrichtung 1 10 umfassten Kühlmittelkanal 123 auf. Insbesondere ist der mindestens eine Kühlmittelkanal 123 entlang einer Begrenzungsfläche angeordnet, entlang der die Magnetanordnung 122 auf dem
Tragbereich 121 wenigstens teilweise kraft- und formschlüssig aufsitzt. Bevorzugt ist die Magnetanordnung 122 hohlzylinderförmig ausgebildet und auf der Begrenzungsfläche, die eine zylindrische, zur Rotationsachse 1 14 koaxiale Oberfläche des Tragbereichs 121 bildet, durch z.B. Preßsitz montiert. Der mindestens eine Kühlmittelkanal 123 ist dann durch entlang der Begrenzungsfläche in den Tragbereich 121 und/oder die Magnetanordnung 122 eingeformte, axiale und/oder tangentiale und/oder spiralförmige Ausnehmungen gebildet. In Figur 3 ist ein entlang der Begrenzungsfläche axial ausgerichteter Kühlmittelkanal 123 symbolisiert dargestellt. Außerdem umfasst der Rotorträger 120 einen zur Rotationsachse 1 14 koaxial ausgestalteten Lagerbereich 124, in dem er über Lager 125 im Antriebsgehäuse 1 18 um die Rotationsachse 1 14 drehbar gelagert ist.
Im Kraftfluss zwischen dem Rotorträger 120 und dem Abtriebselement 1 12 der elektrischen Antriebseinheit 100 ist das Übersetzungsgetriebe 1 13 angeordnet. Dazu ist ein mit einer Außenverzahnung versehenes Sonnenrad 126 koaxial zur Rotationsachse 1 14 kraftschlüssig mit dem Antriebsgehäuse 1 18 verbunden und damit festgelegt. Ein Hohlrad 127 des
Übersetzungsgetriebes 1 13 ist kraftschlüssig mit dem Lagerbereich 124 des Rotorträgers 120 verbunden und somit mit dem Rotorträger 120 gemeinsam um die Rotationsachse 1 14 drehbar. Das Hohlrad 127 läuft dadurch mit dem Rotor 105 um. Wenigstens ein Umlaufrad 128 des Übersetzungsgetriebes 1 13 steht im Eingriff sowohl mit dem Sonnenrad 126 als auch mit dem Hohlrad 127. Das wenigstens eine Umlaufrad 128 ist am Abtriebselement 1 12 derart um je eine Umlaufradachse 129 drehbar gelagert, dass es mit dem Abtriebselement 1 12 um die
Rotationsachse 1 14 umlaufen kann. Durch diese Anordnung wird eine Übersetzung zwischen den Drehzahlen des Rotors 105 und des Abtriebselements 1 12 erhalten, bei der sich der Rotor schneller dreht als das Abtriebselement. Bevorzugt sind Sonnenrad 126 und Hohlrad 127 derart dimensioniert, dass sich eine Übersetzung von 1 :1 ,5 bis 1 :2 ergibt.
Das Übersetzungsgetriebe 1 13 ist gemäß Figur 3 im Inneren des Rotorträgers 120 in einem dort vorgesehenen Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum 130, der
Hybridantriebseinrichtung 101 angeordnet. Der Kühl- und/oder Schmiermittelraum,
insbesondere Ölraum 130, ist zum Aufnehmen eines bestimmten Vorrats eines Kühl- und/oder Schmiermittels, insbesondere eines Öls, ausgestaltet. Vom Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum 130, ausgehend sind Kühl- und/oder Schmiermittelkanäle angeordnet, durch die das Kühl- und/oder Schmiermittel, insbesondere Öl, vom Kühl- und/oder
Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum 130, in einen ein- oder mehrkreisigen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, gelangt. Dieser Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, ist in Figur 3 symbolisch durch Pfeile angedeutet; zu diesem Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, gehört auch der Kühlmittelstrom 1 1 1 im wenigstens einen Kühlmittelkanal 123 der Rotorinnenkühleinrichtung 1 10. Im einzelnen bezeichnen die Pfeile 131 einen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen und/oder Schmieren der Doppelkupplung 308 mit der zweiten Kupplungseinrichtung 309 und der dritten Kupplungseinrichtung 310, die Pfeile 132 einen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen und/oder Schmieren der ersten Kupplungseinrichtung 304, die Pfeile 133 einen Kühl- und/oder
Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen und/oder Schmieren der Lager 1 17, die Pfeile 134 einen Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen und/oder Schmieren der Lager 125 sowie eine Kühlung eines Luftspalts 138 zwischen Rotor 105 und Stator 106 der Asynchronmaschine 104, die Pfeile 135 einen Kühl- und/oder
Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen von Wickelköpfen der
Wellenwicklung 107 des Stators 106 und die Pfeile 136 einen Kühl- und/oder
Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, zum Kühlen des Stators 106 über Kühl- und/oder Schmiermittelnuten 139 am Statoraußenumfang. Dabei wird insbesondere wenigstens ein Teilstrom des Kühl- und/oder Schmiermittelumlaufs, insbesondere Ölumlaufs, 132 durch die erste Kupplungseinrichtung 304 als Kühlmittelstrom 1 1 1 in den wenigstens einen
Kühlmittelkanal 123 der Rotorinnenkühleinrichtung 1 10 geleitet. Das Übersetzungsgetriebe 1 13 wird unmittelbar aus dem Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum, 130 gekühlt und/oder geschmiert. Der Pfeil 137 symbolisiert einen Kühl- und/oder Schmiermittelrücklauf, insbesondere Ölrücklauf, zum Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum, 130. Bevorzugt ist insbesondere die erste Eingangswelle 312 für den Kühl- und/oder
Schmiermittelumlauf, insbesondere Ölumlauf, 132 und 133 mit einer Bohrung in der Art einer Hohlwelle ausgebildet.
Mit den vorbeschriebenen Kühl- und/oder Schmiermittelumläufen ist es auch bei einer hohen Leistungsdichte in der beschriebenen Hybridantriebseinrichtung möglich, die thermische Belastung der einzelnen Elemente und/oder Baugruppen gering zu halten. Beispielsweise wird als Kühl- und/oder Schmiermittel ein sogenanntes ATF -„Automatic Transmission Fluid" - eingesetzt, das mit Temperaturen bis maximal 150°C belastbar ist. Es ergibt sich, dass im Betrieb einer erfindungsgemäß ausgebildeten Hybridantriebseinrichtung je nach
Betriebsbedingungen für insbesondere den Rotor 105 und die Kupplungseinrichtungen 304, 309, 310 eine Kühl- und/oder Schmiermitteltemperatur von ca. 90°C eingehalten werden kann, d.h. nicht überschritten wird. Dabei wird eine sehr wirksame Kühlung insbesondere des Rotors 105 erzielt, der ohne die beschriebenen Maßnahmen zur Kühlung sehr viel höhere
Temperaturen entwickeln würde. Damit ist durch die Erfindung ein zuverlässiger, stabiler und sicherer Betrieb möglich.
In Figur 5 ist ein grob schematisches Schaltbild eines Beispiels für die Schaltungsanordnung 108 zum Speisen der Asynchronmaschine 104 mit einer Einrichtung zur Stern-Dreieck- Umschaltung dargestellt, wie sie in dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 100 zum Einsatz kommt. Figur 4 zeigt dazu eine grob schematische Darstellung eines Ausschnitts eines in an sich bekannter Weise ausgeführten Wickelschemas für ein Beispiel einer Wellenwicklung zur Verdeutlichung eines möglichen Aufbaus der Wellenwicklung 107. Ein derartiges Wickelschema ist z.B. bekannt aus der Monographie von Müller/Ponick:„Berechnung Elektrischer Maschinen". Dabei sind die Leiter der Wellenwicklung stets in Umlaufrichtung des Rotors von einer Statornut zu einer nächsten Statornut ohne Rücksprung wie bei einer Schleifenwicklung geführt, wodurch insbesondere sehr raumsparende Wickelköpfe erzielbar sind. Bei der Wellenwicklung nach Figur 4 sind die Statornuten mit 1 , 2, 3, ... durchnummeriert und ist z.B. ein Leiter nacheinander in eine erste, siebte, dreizehnte usw. Statornut gelegt.
Die Schaltungsanordnung 108 ist ausgestaltet zum Speisen der Asynchronmaschine 104 und dabei als Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung der Asynchronmaschine 104 ausgebildet. Die Asynchronmaschine 104 bildet ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem, hier insbesondere ein Dreiphasensystem. Dabei ist gemäß der
vorliegenden Erfindung die Wellenwicklung 107 des Stators 106, die mit der Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung verbunden ist, mit offenen Wicklungen ausgestaltet, deren
Anschlüsse die ersten U, V, W und zweiten X, Y, Z Anschlüsse der Asynchronmaschine 104 bilden. In Figur 2 und 3 sind die ersten U, V, W und zweiten X, Y, Z Anschlüsse der
Asynchronmaschine 104 zu der Mehrfachleitung 109 zusammengefasst. Eine im Wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichtete, nicht dargestellte Energiequelle, gebildet bevorzugt durch eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, eine Brennstoffzelle oder dergleichen, ist mit Anschlüssen P und N verbindbar. Die Schaltungsanordnung 108 erzeugt aus der ersten Gleichspannung eine die vorgegebene Phasenzahl aufweisende
Mehrphasenspannung und speist damit die Asynchronmaschine 104 an deren ersten U, V, W und zweiten X, Y, Z Anschlüssen. Dazu umfasst die Schaltungsanordnung 108 eine erste Umrichterstufe aus Halbleiterschaltern Q1 1 , Q12, Q13, Q14, Q15, Q16, hier Transistoren mit Rückschlagdioden, zum Speisen der mit der vorgegebenen Phasenzahl, hier der Phasenzahl 3, übereinstimmenden Anzahl der ersten Anschlüsse U, V, W der Asynchronmaschine 104 aus der Energiequelle. Ferner ist eine zweite Umrichterstufe aus Halbleiterschaltern Q21 , Q22, Q23, Q24, Q25, Q26, hier ebenfalls Transistoren mit Rückschlagdioden, vorgesehen zum Speisen der mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse X, Y, Z der Asynchronmaschine 104 mit einer zweiten Gleichspannung. Diese zweite Gleichspannung kann aus einer zweiten, unabhängigen Energiequelle gewonnen werden. Bevorzugt sind jedoch im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 zwei Schalterelemente V1 , V2 vorgesehen zum
wahlweisen Gewinnen der zweiten Gleichspannung aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle an den Anschlüssen P, N und zum Liefern dieser aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle gewonnenen zweiten Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe Q21 , Q22, Q23, Q24, Q25, Q26. Dabei sind die erste Q1 1 , Q12, Q13, Q14, Q15, Q16 und die zweite Q21 , Q22, Q23, Q24, Q25, Q26 Umrichterstufe dazu eingerichtet, zum Speisen der
Asynchronmaschine 104 die ersten U, V, W und zweiten X, Y, Z Anschlüsse der
Asynchronmaschine 104 wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung zu verbinden.
Die Erfindung ermöglicht den Aufbau einer kompakten und leistungsfähigen
Hybridantriebseinrichtung 101 , die aufgrund ihrer gedrungenen Bauform sehr flexibel einsetzbar ist. Insbesondere ist eine Einbaulage längs oder quer in einem Fahrzeug 102 möglich, d.h. mit einer Lage der Rotationsachse 1 14 in Längs- oder Querrichtung des Fahrzeugs 102, ohne dass damit verbundene Bauraumeinschränkungen für die Hybridantriebseinrichtung 101 merkliche Einschränkungen der Leistungsfähigkeit der Hybridantriebseinrichtung 101 erzwingen.
Bezugszeichenliste
100 Elektrische Antriebseinheit
101 Hybridantriebseinrichtung
102 Kraftfahrzeug
103 Antriebsstrang
104 Asynchronmaschine
105 Rotor von 104
106 Stator von 104
107 Wellenwicklung von 104
108 Schaltungsanordnung zum Speisen von 104
109 Mehrfachleitung zum Speisen von 107 aus 108
1 10 Rotorinnenkühleinrichtung
1 1 1 Pfeile, symbolisieren Kühlmittelstrom in 1 10
1 12 Abtriebselement von 100
1 13 Übersetzungsgetriebe
1 14 Rotationsachse
1 15 Eingangsnabe
1 16 Lagerbereich von 1 12
117 Lager
1 18 Antriebsgehäuse
1 19 Kupplungsträgerbereich von 1 12
120 Rotorträger von 105
121 Tragbereich von 120
122 Magnetanordnung von 105
123 Kühlmittelkanal
124 Lagerbereich von 120
125 Lager
126 Sonnenrad von 1 13
127 Hohlrad von 1 13
128 Umlaufrad von 1 13
129 Umlaufradachse von 1 13
130 Kühl- und/oder Schmiermittelraum, insbesondere Ölraum
131 Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Olumlauf, für
308
132 Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Olumlauf, für 304
133 Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Olumlauf, für
117
134 Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Olumlauf, für
125, 138
135 Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Olumlauf, für Wickel köpfe von 107
136 Pfeile: Kühl- und/oder Schmiermittelumlauf, insbesondere Olumlauf, für
139 von 106
137 Pfeil: Kühl- und/oder Schmiermittelrücklauf, insbesondere Ölrücklauf, zu
130
138 Luftspalt
139 Kühl- und/oder Schmiermittelnuten von 106
300 Antriebsstrang
301 Hybridantriebseinrichtung
302 Elektrische Antriebseinheit (Stand der Technik)
303 Verbrennungsmotor
304 Erste Kupplungseinrichtung
305 Abtriebselement von 302
306 Stator von 302
307 Rotor von 302
308 Doppelkupplung
309 Zweite Kupplungseinrichtung von 308
310 Dritte Kupplungseinrichtung von 308
31 1 Doppelkupplungsgetriebe
312 Erste Eingangswelle
313 Zweite Eingangswelle
314 Ausgangswelle
315 Differentialgetriebe
316 Antriebsräder
N Anschluss von 108
P Anschluss von 108
Q Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q12 Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q13 Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q14 Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe Q15 Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q16 Halbleiterschalter der ersten Umrichterstufe
Q21 Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q22 Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q23 Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q24 Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q25 Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
Q26 Halbleiterschalter der zweiten Umrichterstufe
V1 Schalterelement
V2 Schalterelement
U Erster Anschluss von 104
V Erster Anschluss von 104
W Erster Anschluss von 104
X Zweiter Anschluss von 104
Y Zweiter Anschluss von 104
z Zweiter Anschluss von 104

Claims

Patentansprüche
Elektrische Antriebseinheit (100), insbesondere für ein Fahrzeug (102) mit Elektro- oder Hybridantrieb, mit einem Abtriebselement (1 12) zum Abgeben in der elektrischen Antriebseinheit erzeugter mechanischer Energie, umfassend eine Kombination folgender Merkmale:
• die Antriebseinheit ist mit einer Asynchronmaschine (104) mit einem einen Läuferkäfig, insbesondere einen mit Kupferleitern ausgebildeten Läuferkäfig, aufweisenden Rotor (105) ausgebildet;
• die Asynchronmaschine (104) ist mit einem mit einer Wellenwicklung (107)
ausgestatteten Stator (106) ausgebildet;
• die Wellenwicklung (107) ist mit einer Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung ausgebildet;
• der Rotor (105) ist mit einer Rotorinnenkühleinrichtung (1 10) ausgebildet;
• in einem Kraftfluss zwischen dem Rotor (105) und dem Abtriebselement (1 12) ist ein Übersetzungsgetriebe (1 13) angeordnet.
Elektrische Antriebseinheit (100) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Übersetzungsgetriebe (1 13) mit einem Planetengetriebe ausgebildet ist.
Elektrische Antriebseinheit (100) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Planetengetriebe für einen Zweiwellenbetrieb mit Umlaufübersetzung ausgebildet ist, wobei das Planetengetriebe eine Übersetzung von insbesondere 1 :1 ,5 bis 1 :2 aufweist.
Elektrische Antriebseinheit (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Übersetzungsgetriebe (1 13) in und/oder nahe einem Kühl- und/oder
Schmiermittelraum (130) für wenigstens den Rotor (105) angeordnet ist.
5. Elektrische Antriebseinheit (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rotor (105) einen Rotorträger (120) mit einem sich im wesentlichen in axialer und in Umfangsrichtung des Rotors (105) erstreckenden Tragbereich (121 ) und eine auf dem Tragbereich (121 ) angeordnete, mit einem Blechpaket und dem Läuferkäfig ausgebildete Magnetanordnung (122) aufweist, und wobei der Rotor (105) mindestens einen zumindest teilweise zwischen der Magnetanordnung (122) und dem Rotorträger (120) vorgesehenen und/oder ausgebildeten, von der Rotorinnenkühleinrichtung (1 10) umfassten
Kühlmittelkanal (123) aufweist.
6. Elektrische Antriebseinheit (100) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens der wenigstens eine Kühlmittelkanal (123) der Rotorinnenkühleinrichtung (1 10) von einem zum Kühlen und/oder Schmieren wenigstens des Rotors (105) bestimmten Kühl- und/oder Schmiermittel durchströmbar ausgebildet ist.
7. Elektrische Antriebseinheit (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Ausbilden der Einrichtung zur Stern-Dreieck-Umschaltung die Asynchronmaschine (104) ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem mit offenen Wicklungen bildet und eine Schaltungsanordnung (108) zum Speisen der Asynchronmaschine (104) aus einer im wesentlichen zum Liefern einer ersten
Gleichspannung eingerichteten Energiequelle mit einer die vorgegebene Phasenzahl aufweisenden Mehrphasenspannung vorgesehen ist, umfassend eine erste
Umrichterstufe (Q1 1 , Q12, Q13, Q14, Q15, Q16) zum Speisen einer mit der
vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl erster Anschlüsse (U, V, W) der Asynchronmaschine (104) aus der Energiequelle und eine zweite Umrichterstufe (Q21 , Q22, Q23, Q24, Q25, Q26) zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse (X, Y, Z) der Asynchronmaschine (104) aus der Energiequelle über wenigstens ein Schalterelement (V1 , V2) zum wahlweisen Gewinnen der zweiten Gleichspannung aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle und zum Liefern dieser aus der ersten Gleichspannung der Energiequelle gewonnenen zweiten Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe (Q21 , Q22, Q23, Q24, Q25, Q26), wobei die erste (Q1 1 , Q12, Q13, Q14, Q15, Q16) und die zweite (Q21 , Q22, Q23, Q24, Q25, Q26) Umrichterstufe dazu eingerichtet sind, zum Speisen der Asynchronmaschine (104) die ersten (U, V, W) und zweiten (X, Y, Z) Anschlüsse der Asynchronmaschine (104) wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung zu verbinden.
Hybridantriebseinrichtung (101 ),
gekennzeichnet durch
wenigstens eine elektrische Antriebseinheit (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wenigstens einen Verbrennungsmotor (303) und wenigstens eine Kupplungseinrichtung (304; 309; 310) zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen eines Kraftflusses zwischen dem Verbrennungsmotor (303) und dem Abtriebselement (1 12) der wenigstens einen elektrischen Antriebseinheit (100).
Fahrzeug (102),
gekennzeichnet durch
eine elektrische Antriebseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eine Hybridantriebseinrichtung (101 ) nach Anspruch 8.
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