WO2021037310A1 - Elektrische antriebseinheit mit einer elektrischen antriebsmaschine sowie einem drehmomentwandler - Google Patents

Elektrische antriebseinheit mit einer elektrischen antriebsmaschine sowie einem drehmomentwandler Download PDF

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Definitions

  • Electric drive unit with an electric drive machine and a torque converter
  • the invention relates to an electric drive unit for a motor vehicle, such as a car, truck, bus or other commercial vehicle, with an electric drive machine.
  • an electric drive unit for a motor vehicle which has an electric drive machine and a hydrodynamic torque converter having a pump wheel, a turbine wheel and a stator, where the pump wheel is rota torically coupled to a rotor shaft of the electric drive machine and the turbine wheel has a Forms output-side output (the drive unit).
  • the pump wheel is rota torically coupled to a rotor shaft of the electric drive machine and the turbine wheel has a Forms output-side output (the drive unit).
  • at least one blade of the pump wheel, one blade of the turbine wheel and / or one blade of the stator is adjustable and / or the stator can be rotated via a gear in the same direction of rotation as the pump wheel and the turbine wheel (when they are driven in this direction of rotation) drivable.
  • a torque converter is to be made available which enables an increase in torque in the largest possible speed range and thus even at higher vehicle speeds. Accordingly, a speed difference required for the corresponding drive torque is simply set by the electric drive machine. This results in a considerable saving on the part of the electric drive machine, since it can be made as small as possible.
  • the transmission is arranged in such a way that a speed of the stator wheel (when the drive unit is in operation) is determined by a speed of the electric drive machine and by a stationary transmission part (such as a ring gear or a planetary carrier during formation of the gear as a planetary gear). This makes the transmission particularly easy to integrate.
  • the transmission is arranged in such a way that a speed of the stator (when the drive unit is in operation) is determined by a speed of the electric drive machine and a speed of an output shaft of the transmission.
  • the transmission is arranged in such a way that a speed of the stator wheel (when the drive unit is in operation) is determined by the speed of an output shaft of the transmission and a stationary transmission part (such as a ring gear or a planetary carrier when the Ge drive as a planetary gear) is determined.
  • a stationary transmission part such as a ring gear or a planetary carrier when the Ge drive as a planetary gear
  • the transmission is used between a separate electrical power take-off (with a further electric motor) and the stator.
  • the gear is implemented as a planetary gear, construction that is as compact as possible can be achieved.
  • an electric drive with a high-speed electric machine with medium torques and torque addition over a high speed range is made available.
  • a torque converter in this electric drive, fluid channels (blades) are adjustable and / or a stator (stator) is driven by a gear in the same direction as a turbine wheel and a pump wheel.
  • Fig. 1 is a simplified longitudinal sectional view of an inventive electrical drive unit according to a first embodiment, in which ver different blades of a pump wheel, a turbine wheel and egg nes stator of a torque converter are adjustable in inclination,
  • Fig. 2 is a simplified longitudinal sectional view of a drive unit according to the invention according to a second embodiment, in which a gear is used acting between egg ner electric drive machine and the stator, and
  • Fig. 3 is a diagram to illustrate torque-speed curves in relation to an embodiment according to the invention and a known implementation.
  • the figures are only of a schematic nature and are used exclusively for understanding the invention.
  • the same elements are provided with the same reference numerals.
  • the electric drive unit 1 is a drive unit 1 which is designed and used for a purely electric drive of a motor vehicle.
  • the electrical specific drive unit 1 has an electrical drive machine 2, which also has a stator 12 and a rotor 13 drivable by the stator 12 in the usual manner.
  • the rotor 13 is arranged non-rotatably on a rotor shaft 7 which is coupled directly to an input of a hydrodynamic torque converter 6 in the form of a pump wheel 3.
  • the torque converter 6 has a turbine wheel 4 which forms an output and a stator 5 which is used to act between the pump wheel 3 and the turbine wheel 4.
  • the torque converter 6 is consequently permanently coupled with its pump wheel 3 in a rotationally fixed manner to the rotor shaft 7 and further connected with its turbine wheel 4 to an output 8 of the motor vehicle.
  • a geometry of a (third) blade 9c of the stator 5 can be set.
  • the stator 5 typically has a plurality of third blades 9c which are arranged distributed in the circumferential direction and which are all adjustable.
  • the third blade 9c which is adjustable in its inclination relative to a radial plane, makes it possible to variably deflect the fluid during operation of the drive unit 1 in such a way that an excessive torque generated by the torque converter 6 moves into a higher speed range, i.e. H. to a higher speed of the electric drive machine 2 is shifted.
  • the torque converter 6 can be used in a broader speed range, as a result of which the efficiency of the electric drive unit 1 is significantly increased.
  • the pump wheel 3 and the turbine wheel 4 each have blades 9a, 9b which are adjustable. Accordingly, in a further embodiment, there are either several first blades 9a of the impeller 3, several second blades 9b of the turbine wheel 4 and / or several third blades 9c of the stator 5 in their inclination an adjustable.
  • the transmission 10 is implemented in a preferred embodiment as a planetary gear.
  • the transmission 10 is typically provided with a ring gear, a plurality of planet carriers of the receiving planet carriers and a sun gear.
  • the three Be components of the planetary gear - ring gear, planet carrier and sun gear - can in principle be arranged and fixed / held in different ways.
  • the transmission 10 is arranged in such a way that a speed of the stator 5 is determined by a speed of the electric drive machine 2 and by a stationary transmission part.
  • This stationary gear part is preferably either the hollow wheel or the planet carrier of the planetary gear.
  • the sun gear is then more preferably directly rotatably connected to the rotor shaft 7 of the electric drive machine 2.
  • the transmission 10 is arranged in such a way that a speed of the stator 5 is determined by a speed of the electric drive machine 2 and a speed of a drive shaft 11 of the transmission 10.
  • the sun gear would preferably be coupled to the electric drive machine 2 and the output shaft 11 would be the plane carrier.
  • the speed of the stator 5 is determined by the speed of the output shaft 11 and the stationary transmission part.
  • the Ge gear 10 is used between a separate electric power take-off and the stator 5 we kend. Then the transmission 10 would, for example, be connected on the input side to a separate electric motor and coupled to the stator 5 on the output side.
  • FIG. 3 shows a curve of a torque as a function of a speed on the part of a drive unit 1 according to the invention with a driven stator 5 with a dashed line; a course according to the prior art with a fixed stator 5 is shown by a dotted line course.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Antriebsmaschine (2) sowie einem, ein Pumpenrad (3), ein Turbinenrad (4) sowie ein Leitrad (5) aufweisenden, hydrodynamischen Drehmomentwandler (6), wobei das Pumpenrad (3) mit einer Rotorwelle (7) der elektrischen Antriebsmaschine (2) rotatorisch gekoppelt ist und das Turbinenrad (4) einen abtriebsseitigen Ausgang bildet, und wobei zumindest eine Schaufel (9a) des Pumpenrads (3), eine Schaufel (9b) des Turbinenrads (4) und/oder eine Schaufel (9c) des Leitrads (5) einstellbar ist, und/oder das Leitrad (5) über ein Getriebe (10) in eine gleiche Drehrichtung wie das Pumpenrad (3) und das Turbinenrad (4) antreibbar ist.

Description

Elektrische Antriebseinheit mit einer elektrischen Antriebsmaschine sowie einem Drehmomentwandler
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, wie ein Pkw, Lkw, Bus oder sonstiges Nutzfahrzeug, mit einer elektrischen Antriebsma schine.
Bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen / E-Fahrzeugen besteht prinzipiell ein Zielkonflikt darin, hohe Anfahr- und Beschleunigungsmomente darzustellen, wobei gleichzeitig eine möglichst hohe Enddrehzahl erwartet wird. Es sind bereits Antriebsstränge bekannt, bei denen bspw. ein 2-Gang-Getriebe eingesetzt ist. Bei einem Gangwechsel soll eine möglichst zugkraftunterbrechungsfreie Betriebsart gewährleistet sein. Durch diese Forderung werden die Antriebsstränge jedoch re lativ komplex im Aufbau, was zu einem kostenintensiven System führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung zu stellen, die einen ein fachen Aufbau mit einer möglichst klein dimensionierten elektrischen Maschine aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Dem nach ist eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, die eine elektrische Antriebsmaschine sowie einen, ein Pumpenrad, ein Turbinenrad sowie ein Leitrad aufweisenden, hydrodynamischen Drehmomentwandler aufweist, wo bei das Pumpenrad mit einer Rotorwelle der elektrischen Antriebsmaschine rota torisch gekoppelt ist und das Turbinenrad einen abtriebsseitigen Ausgang (der An triebseinheit) bildet. Erfindungsgemäß ist zumindest eine Schaufel des Pumpen- rads, eine Schaufel des Turbinenrads und/oder eine Schaufel des Leitrads ein stellbar und/oder das Leitrad ist über ein Getriebe in eine gleiche Drehrichtung wie das Pumpenrad und das Turbinenrad (bei deren Antrieb in diese Drehrichtung) antreibbar. Durch die Verstellbarkeit der jeweiligen Schaufel bzw. durch das Getriebe wird ein Drehmomentwandler zur Verfügung zu stellen, der eine Drehmomentüberhöhung in einem möglichst großen Drehzahlbereich und somit auch noch bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten ermöglicht. Demnach wird eine für das entspre chende Antriebsmoment benötigte Differenzdrehzahl einfach durch die elektrische Antriebsmaschine eingestellt. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Einsparung sei tens der elektrischen Antriebsmaschine, da diese möglichst klein dimensioniert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Getriebe derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (im Betrieb der Antriebs einheit) durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine sowie durch einen stillstehenden Getriebeteil (etwa ein Hohlrad oder ein Planetenträger bei der Aus bildung des Getriebes als Planetengetriebe) bestimmt ist. Dadurch ist das Ge triebe besonders einfach integrierbar.
Auch ist es prinzipiell von Vorteil, wenn das Getriebe derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (im Betrieb der Antriebeinheit) durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine sowie eine Drehzahl einer Ab triebswelle des Getriebes bestimmt ist.
Wiederum alternativ hierzu ist es von Vorteil, wenn das Getriebe derart angeord net ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (im Betrieb der Antriebseinheit) durch eine Drehzahl einer Abtriebswelle des Getriebes und einen stillstehenden Getriebeteil (etwa ein Hohlrad oder ein Planetenträger bei der Ausbildung des Ge triebes als Planetengetriebe) bestimmt ist.
Alternativ hierzu ist es zweckmäßig, wenn das Getriebe zwischen einem separa ten elektrischen Nebenantrieb (mit einem weiteren Elektromotor) und dem Leitrad wirkend eingesetzt ist. Ist das Getriebe als ein Planetengetriebe realisiert, sind möglichst kompakte Bau weisen realisierbar.
In anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein elektrischer Antrieb (An triebseinheit) mit hochdrehender E-Maschine mit mittleren Momenten und Mo- menten-Addition über einen hohen Drehzahlbereich zur Verfügung gestellt. Mit ei nem Drehmomentwandler in diesem elektrischen Antrieb sind Fluidkanäle (Schau feln) einstellbar ausgebildet und/oder ein Stator (Leitrad) wird durch ein Getriebe in die gleiche Richtung wie ein Turbinenrad und ein Pumpenrad angetrieben.
Dadurch kann ein Fluidfluss in dem Drehmomentwandler erzeugt werden, der für eine Überhöhung bei höheren Eingangsdrehzahlen (Pumpenrad dreht, Turbine ist angehalten, daraus folgt hohes Drehmoment) bis zu höheren Ausgangsgeschwin digkeiten sorgt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren beschrieben, in welchem Zu sammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektri schen Antriebseinheit nach einem ersten Ausführungsbeispiel, in dem ver schiedene Schaufeln eines Pumpenrades, eines Turbinenrades sowie ei nes Leitrades eines Drehmomentwandlers in der Neigung einstellbar sind,
Fig. 2 eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen An triebseinheit nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, in dem zwischen ei ner elektrischen Antriebsmaschine und dem Leitrad ein Getriebe wirkend eingesetzt ist, sowie
Fig. 3 ein Diagramm zum Veranschaulichen von Drehmoment-Drehzahl-Verläufen in Bezug auf ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel sowie einer be kannten Umsetzung. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Ver ständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen ver sehen.
Wie prinzipiell in den Fign. 1 und 2 angedeutet, handelt es sich bei der erfindungsge mäßen elektrischen Antriebseinheit 1 um eine Antriebseinheit 1 , die für einen rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges konzipiert sowie eingesetzt ist. Die elektri sche Antriebseinheit 1 weist eine elektrische Antriebsmaschine 2 auf, die weiterhin auf übliche Weise einen Stator 12 sowie einen durch den Stator 12 antreibbaren Rotor 13 aufweist. Der Rotor 13 ist drehfest auf einer Rotorwelle 7 angeordnet, die unmittelbar mit einem Eingang eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers 6 in Form eines Pumpenrades 3 gekoppelt ist. Der Drehmomentwandler 6 weist neben dem Pumpen rad 3 ein einen Ausgang bildendes Turbinenrad 4 und ein zwischen dem Pumpenrad 3 und dem Turbinenrad 4 wirkend eingesetztes Leitrad 5 auf. Der Drehmomentwand ler 6 ist folglich dauerhaft mit seinem Pumpenrad 3 drehfest mit der Rotorwelle 7 ge koppelt und mit seinem Turbinenrad 4 mit einem Abtrieb 8 des Kraftfahrzeuges weiter verbunden.
Erfindungsgemäß ist in einem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine Geometrie einer (dritten) Schaufel 9c des Leitrades 5 einstellbar. Auf typische Weise weist das Leitrad 5 mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete dritte Schaufeln 9c auf, die allesamt einstellbar sind. Durch die in ihrer Neigung relativ zu einer Radialebene ein stellbare dritte Schaufel 9c ist es möglich, das Fluid im Betrieb der Antriebseinheit 1 derart variabel umzulenken, dass eine durch den Drehmomentwandler 6 erzeugte Drehmomentenüberhöhung in einen höheren Drehzahlbereich, d. h. zu einer höheren Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 2, hineinverlegt wird. Dadurch kann der Drehmomentwandler 6 in einem breiteren Drehzahlbereich genutzt werden, wodurch die Effizienz der elektrischen Antriebseinheit 1 deutlich erhöht wird.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass in weiteren Ausführungen auch das Pumpenrad 3 und das Turbinenrad 4 jeweils Schaufeln 9a, 9b aufweisen, die einstellbar sind. Demnach sind in einer weiteren Ausführung entweder mehrere erste Schaufeln 9a des Pumpenrades 3, mehrere zweite Schaufeln 9b des Turbinen rades 4 und/oder mehrere dritte Schaufeln 9c des Leitrades 5 in ihrer Neigung ein stellbar.
Alternativ zu der Einsteilbarkeit der Schaufeln 9a, 9b, 9c gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel ist es in einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 2 veran schaulicht ist, auch von Vorteil, ein Getriebe 10 derart wirkend einzusetzen, dass das Leitrad 5 bei einem drehenden Antrieb des Pumpenrades 3 in der gleichen Drehrich tung wie das Pumpenrad 3 sowie das Turbinenrad 4 dreht.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das Getriebe 10 in einer be vorzugten Ausführung als Planetengetriebe umgesetzt ist. In diesem Zusammenhang ist das Getriebe 10 auf typische Weise mit einem Hohlrad, einem mehrere Planetenrä der aufnehmenden Planetenträger sowie einem Sonnenrad versehen. Die drei Be standteile des Planetengetriebes - Hohlrad, Planetenträger und Sonnenrad - können prinzipiell unterschiedlich angeordnet und festgelegt / festgehalten werden.
Demnach ist es gemäß einer bevorzugten Ausführung von Vorteil, wenn das Getriebe 10 derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades 5 durch eine Dreh zahl der elektrischen Antriebsmaschine 2 sowie durch einen stillstehenden Getriebe teil bestimmt ist. Dieser stillstehende Getriebeteil ist vorzugsweise entweder das Hohl rad oder der Planetenträger des Planetengetriebes. Das Sonnenrad ist dann weiter bevorzugt unmittelbar mit der Rotorwelle 7 der elektrischen Antriebsmaschine 2 dreh verbunden.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel hierzu ist es zweckmäßig, wenn das Getriebe 10 derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades 5 durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 2 sowie eine Drehzahl einer Ab triebswelle 11 des Getriebes 10 bestimmt ist. Vorzugsweise wäre das Sonnenrad mit der elektrischen Antriebsmaschine 2 gekoppelt und die Abtriebswelle 11 wäre der Pla netenträger. ln diesem Zusammenhang ist es wiederum auch zweckmäßig, wenn die Geschwindig keit des Leitrades 5 durch eine Drehzahl der Abtriebswelle 11 und dem stillstehenden Getriebeteil bestimmt wird. In einer weiteren ebenfalls denkbaren Ausführung ist es von Vorteil, wenn das Ge triebe 10 zwischen einem separaten elektrischen Nebenantrieb und dem Leitrad 5 wir kend eingesetzt ist. Dann wäre das Getriebe 10 bspw. eingangsseitig mit einem sepa raten Elektromotor verbunden und ausgangsseitig mit dem Leitrad 5 gekoppelt. Durch eine geeignete Auslegung der elektrischen Antriebseinheit 1 , wie dann in Ver bindung mit Fig. 3 zu erkennen, wird durch den Drehmomentwandler 6 inklusive der entsprechenden Anpassungen eine Reduktion eines maximalen Moments der elektri schen Antriebsmaschine 2 und eine hohe Kosteneinsparung erzielt. Beispielhaft ist in Fig. 3 ein Verlauf eines Drehmoments in Abhängigkeit eine Drehzahl seitens einer er- findungsgemäßen Antriebseinheit 1 mit angetriebenem Leitrad 5 mit einer gestrichel ten Linie dargestellt; ein Verlauf gemäß dem Stand der Technik mit einem festen Leitrad 5 ist durch einen gepunkteten Linienverlauf dargestellt.
Bezuqszeichenliste
Antriebseinheit
Antriebsmaschine
Pumpenrad
Turbinenrad
Leitrad
Drehmomentwandler
Rotorwelle
Abtrieb a erste Schaufel b zweite Schaufel c dritte Schaufel 0 Getriebe 1 Abtriebswelle 2 Stator 3 Rotor

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Antriebseinheit (1 ) für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen An triebsmaschine (2) sowie einem, ein Pumpenrad (3), ein Turbinenrad (4) so wie ein Leitrad (5) aufweisenden, hydrodynamischen Drehmomentwandler (6), wobei das Pumpenrad (3) mit einer Rotorwelle (7) der elektrischen An triebsmaschine (2) rotatorisch gekoppelt ist und das Turbinenrad (4) einen ab triebsseitigen Ausgang bildet, und wobei zumindest eine Schaufel (9a) des Pumpenrads (3), eine Schaufel (9b) des Turbinenrads (4) und/oder eine Schaufel (9c) des Leitrads (5) einstellbar ist, und/oder das Leitrad (5) über ein Getriebe (10) in eine gleiche Drehrichtung wie das Pumpenrad (3) und das Turbinenrad (4) antreibbar ist.
2. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ge triebe (10) derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (5) durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine (2) sowie durch einen stillstehenden Getriebeteil bestimmt ist.
3. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ge triebe (10) derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (5) durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine (2) sowie eine Dreh zahl einer Abtriebswelle (11) des Getriebes (10) bestimmt ist.
4. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ge triebe (10) derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (5) durch eine Drehzahl einer Abtriebswelle (11) des Getriebes (10) und einen stillstehenden Getriebeteil bestimmt ist.
5. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ge triebe (10) zwischen einem separaten elektrischen Nebenantrieb und dem Leitrad (5) wirkend eingesetzt ist.
6. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, dass das Getriebe (10) als ein Planetengetriebe umgesetzt ist.
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