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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer
elektrischen Maschine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
eine Verbrennungsmaschine für
ein Kraftfahrzeug, welche eine in Form einer Starter/Generator-Einheit
ausgestaltete elektrische Maschine aufweist.
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Bekannte
Starter/Generator-Systeme ermöglichen
einerseits einen schnellen und leisen Start der damit gekoppelten
Verbrennungsmaschine und andererseits eine hohe Generatorleistung,
um Energie für
elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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Zur
Ausgestaltung derartiger Starter/Generator-Systeme sind unterschiedliche
Alternativen bekannt. Eine erste Variante sieht die Verwendung eines
parallel zu der Antriebswelle der Verbrennungsmaschine angeordneten
Generators oder Lichtmaschine vor, wobei der Generator oder die
Lichtmaschine über
einen (Keil-)Riemen mit der Verbrennungsmaschine gekoppelt ist.
Gemäß einer
weiteren Variante wird als Starter/Generator-Einheit eine schwungnutzende
Doppelkupplungsmaschine mit mechanischem Energiespeicher verwendet.
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Den
beiden zuvor genannten Varianten ist gemeinsam, dass die Starter/Generator-Einheit
getrennt von der Antriebswelle des Antriebsmotors vorgesehen ist.
Bei einer dritten Variante ist die (auch als Kurbelwellen-Startergenerator
bezeichnete) Starter/Generator-Einheit auf der Antriebswelle vorgesehen.
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Stand der Technik
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Gleichachsige,
kurbelwellenmontierte Inline-Systeme sind grundsätzlich zu teuer für Massen-Anwendungen. Nachteilig
ist auch, dass für
die Montage zwischen Motor und Getriebe zusätzlicher Raum benötigt wird.
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Der
grundsätzliche
Aufbau einer derartigen Antriebsvorrichtung mit einer auf der Antriebswelle angeordneten
Starter/Generator-Einheit ist beispielsweise in den Druckschriften
DE 196 16 504 A1 ,
WO 98/05882 ,
DE 197 05 610 A1 ,
DE 19645 943 A1 ,
oder
DE 197 45 995
A1 beschrieben. Bei diesen bekannten Antriebsvorrichtungen
dient als Antriebsaggregat ein Verbrennungsmotor, dessen Kurbelwelle
mit einer als Starter/Generator-Einheit dienenden elektrischen Maschine
verbunden ist. Die elektrische Maschine umfasst einen Läufer und
einen den Läufer umgebenden
Ständer,
wobei die Wicklungen des Ständers
mit dem Kraftfahrzeugakkumulator verbunden sind. Der Läufer der
elektrischen Maschine steht abtriebsseitig über eine Getriebekupplung mit
einem Getriebe in Verbindung.
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Die
als Starter/Generator-Einheit dienende elektrische Maschine hat
zwei unterschiedliche Betriebsmodi. In einem Motorbetrieb übernimmt
die elektrische Maschine bei Betätigen
des Anlasserschlüssels
des Kraftfahrzeuges die Funktion eines Anlassers oder Motors zum
Starten des Verbrennungsmotors. Hierzu werden den Ständerwicklungen von
dem Kraftfahrzeugakkumulator entsprechende Ströme derart zugeführt, dass
der Läufer
mit einem Anlaufdrehmoment beaufschlagt wird, welches das Starten
des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Nach dem Starten des Verbrennungsmotors wird die elektrische Maschine
in den Generatorbetrieb umgeschaltet, in dem der Läufer über die
Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Rotation versetzt und somit in
den Ständerwicklungen
eine Spannung induziert wird, welche beispielsweise zur Energieversorgung des
Bordnetzes bzw. der daran angeschlossenen Verbraucher des Kraftfahrzeuges
dient.
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Bei
diesen bekannten Antriebsvorrichtungen ist die auf der Kurbelwelle
befindliche Starter/Generator-Einheit auf der Abtriebsseite des
Verbrennungsmotors zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe
angeordnet. Eine derartige Anordnung hat jedoch eine axiale Verlängerung
der gesamten Antriebsvorrichtung zur Folge. Darüber hinaus müssen die
Montagevorrichtungen, welche zum Zusammenfügen des Getriebes und des Motors
dienen, aufgrund der Anordnung der Starter/Generator-Einheit zwischen
dem Motor und dem Getriebe verändert und
angepasst werden, was hohe Kosten bei der Serienfertigung der Motor-Getriebe-Einheit
zur Folge hat.
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In
der Regel ist die sich nicht im Antriebsstrang befindliche Starter/Generator-Einheit über einen
sog. Keilriemen mit dem Antriebsstrang gekoppelt. Keilriemen bestehen
aus Gummi mit einer Textil- oder Stahlseileinlage. Sie können bei
gleichem Platzbedarf wesentlich größere Drehmomente als Flachriemen übertragen.
Durch die höhere
Reibung sind die Kräfte
auf die Lager wesentlich geringer. Da der Keilriemen relativ hoch
(dick) ist, kommt es bei der Umlenkung zu einer Stauchung innen
und somit zur Erwärmung.
Man kann Keilriemen auch zahnen, um kleine Scheibendurchmesser zu
erlauben oder die Verluste zu verringern. Jedoch ist auch ein gezahnter Keilriemen
immer noch ein Keilriemen, da er kraftschlüssig durch die Keilwirkung
an den Flanken arbeitet.
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Der Erfindung zugrunde liegendes Problem
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung
mit einer mit der Antriebswelle eines Antriebsaggregats gekoppelten
elektrischen Maschine bereitzustellen, welche sich möglichst
einfach und kostengünstig,
sowie ohne eine wesentliche axiale Verlängerung der Antriebsvorrichtung
realisieren lässt
und für
die Groß-Serienfertigung geeignet
ist.
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Erfindungsgemäße Lösung und
deren Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
Die Unteransprüche
definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung. Weiterhin wird die Aufgabe durch die Verwendung eines
in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbaren
Getriebes mit den Merkmalen des Anspruchs 28 gelöst.
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Dabei
basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass eine in herkömmlicher
Weise mit der Antriebswelle eines Antriebsaggregats gekoppelte elektrische
Maschine nur bedingt für
das gesamte Anforderungsspektrum geeignet ist. Eine elektrische
Maschine, die als Generator mit hoher Drehzahl zu betreiben ist,
ist im Motorbetrieb als Anlasser für einen sog. Kaltstart wenig
geeignet. Daher wurden bisher auch separate elektrische Maschinen
für den
Anlasser und für
den Generator eingesetzt. Ein weiteres Konzept ist ISAD, bei dem
im Antriebsstrang ein sog. Integrierter Starter Alternator Dämpfer (ISAD)
angeordnet ist. Das System ISAD ist eine elektrische Maschine, deren
Rotor anstelle der Schwungscheibe zwischen Verbrennungsmotor und
Getriebe auf der Kurbelwelle montiert ist. Dort übernimmt ISAD die Funktion
des elektrischen Starters (Starter) und der Lichtmaschine (Alternator);
gleichzeitig kann die elektrische Maschine Ungleichförmigkeiten
im Motorlauf und im Antriebsstrang ausgleichen (Dämpfer) und
so zu mehr Komfort beitragen. Dazu befähigt ISAD eine intelligente
Leistungselektronik, die in Abhängigkeit
vom Last- und Ladezustand der Speicherakkumulatoren den ISAD-Betriebszustand
steuert.
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Dabei
ist eine elektrische Maschine, die als Anlassermotor mit ausreichend
hohem Drehmoment zu betreiben ist, für einen Generatorbetrieb überdimensioniert.
Dies führt
zu elektrischen Verlusten, also einem reduzierten Wirkungsgrad.
Dabei ist nämlich
nachteiligerweise die Leistungselektronik für das hohe Drehmoment des Anlassvorgangs
des Verbrennungsmotors auszulegen und auch das hohe Massenträgheitsmoment
der mechanisch überdimensionierten
elektrischen Maschine ist für
die gesamte Energiebilanz negativ.
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Angesichts
dieser sich widersprechenden Forderungen und Eigenschaften erreicht
die Erfindung eine verbesserte Funktionalität bei kompakterer Bauform,
indem die elektrische Maschine über
ein in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbares
Getriebe mit dem Antriebsstrang gekoppelt oder in diesem enthalten
ist. Die Kopplung ist dabei vorzugsweise formschlüssig realisiert
um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.
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Die
Erfindung lässt
sich ohne wesentliche axiale Verlängerung der Gesamtanordnung
realisieren. Der zusätzlich
benötigte
axiale Bauraum ist auf die maximale Länge der Starter/Generator-Einheit beschränkt. Allerdings
ist es meist bevorzugt, die elektrische Maschine mit ihrem Getriebe
anstelle eines herkömmlichen
Starters oder einer herkömmlichen
Lichtmaschine bei der Verbrennungsmotors vorzusehen.
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Des
weiteren ist die erfindungsgemäße Anordnung äußerst wartungsfreundlich,
da die elektrische Maschine – im
Gegensatz zu dem ISAD-Konzept – leicht
von außen
zugänglich
ist.
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Die
Erfindung erlaubt einen sehr effizienten Start-Stopp-Betrieb und
eine verbesserten Generatoreffizienz. Damit führt sie zu einer Benzin-Einsparung.
Der Verbrennungsmotor startet mit der Erfindung leise und schnell.
So dauert der Startvorgang lediglich wenige 100 ms, ist also für den Fahrer
kaum bemerkbar. Eine elektronische Steuerung kann erfindungsgemäß dazu eingerichtet
sein, dass sich der Verbrennungsmotor selbsttätig abschaltet, wenn das Fahrzeug
zum Stehen kommt. Sobald der Fahrer von dem Bremspedal auf das Gaspedal,
kann dies von der elektronischen Steuerung detektiert werden, die daraufhin
die elektrische Maschine – und
damit den Verbrennungsmotor – wieder
startet kann, ohne dass der Fahrer eine Verzögerung bemerkt. Die Erfindung kann
damit im Vergleich zu einem heutigen Kraftfahrzeug Generator, Anlasser,
Standard-Batterie, Standard-Riemensystem und Starterzahnkranz ersetzen. Zusätzlich zum
eigentlichen Startergenerator müsste lediglich
das Riemensystem, sowie das Batteriemanagement erfindungsgemäß ergänzt bzw.
ausgetauscht werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Batterie/Akkumulator
um eine 12 V Batterie, die eine voll versiegelte Gel-Batterie sein
kann.
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Erfindungsgemäß kann die
elektrische Maschine auch als Antrieb einer Kraftstoffpumpe dienen.
Weiterhin kann gemäß der Erfindung
die elektrische Maschine als Außenläufer ausgestaltet
sein. Hierbei ist der Läufer
der elektrischen Maschine außen
um den Ständer
herum drehbar gelagert. Der Läufer
der elektrischen Maschine ist zur Übertragung von Drehmoment von
dem Antriebsaggregat zur elektrischen Maschine – Generatorbetrieb – oder umgekehrt – Starterbetrieb – über einen
Zahnriemen, eine Zahnrad-Kettenanordnung, oder eine Zahnradanordnung
mit dem Antriebsaggregat formschlüssig gekoppelt.
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Kettentriebe
haben eine Vielzahl metallischer Kettenglieder und sind gekennzeichnet
durch eine hohe Längssteifigkeit
mit minimaler Dämpfung. Die
Einfachheit des Antriebs und die sich ergebende Flexibilität in der
Kettenführung,
eine geringe Reibung sind weitere Vorteile, die sich außerdem in
längerer
Motorenlebensdauer niederschlagen, da die Abstände der Wartungsintervalle
steigen. Für
den Motorenhersteller ergeben sich folgende wesentliche Verbesserungspotenziale:
Steigerung der Lebensdauer aller Steuertriebskomponenten, erhebliche Kostenreduzierung
durch Verkleinerung des Zugmittels als auch von Komponenten, sichere
Einhaltung von Emissionsgrenzwerten während der Motorlebensdauer.
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Zahnriemen,
wie sie ebenfalls erfindungsgemäß eingesetzt
werden können,
sind ein temperaturfester Materialverbund aus einem Nylongewebe,
einem Elastomer und einem festen Glasfaserzugstrang.
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Die
elektrische Maschine ist vorzugsweise eine permanent-erregte Axialflussmaschine
oder eine Synchronmaschine, eine Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine,
oder eine permanent-erregte Maschine. Diese Typen von elektrischen
Maschinen, aber auch andere Arten, die auch von der Erfindung erfasst
sind, haben eine regelbare Drehzahl und Leistung und sind mit dem
Antriebsaggregat synchronisierbar. Außerdem haben sie einen hohen Wirkungsgrad.
Das Getriebe hat ein Übersetzungsverhältnis, das
durch einen vorzugsweise elektrisch zu betätigenden Aktor veränderbar
ist. Der Aktor kann ein linear wirkender Aktor oder ein rotatorisch wirkender
Aktor sein.
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Die
elektrische Maschine und der Aktor sind durch eine elektronische
Steuereinheit gekoppelt, die das Umschalten aus der ersten in die
zweite Betriebsart sowie das Verändern
des Übersetzungsverhältnisses
steuert.
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Das
in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbare
Getriebe ist vorzugsweise ein Umlaufgetriebe. Das Umlaufgetriebe
ist in radialer Richtung zumindest teilweise von dem Ständer der
elektrischen Maschine umgeben. Der Aktor ist dazu eingerichtet, eine
erste und eine zweite Position, sowie ggf. eine oder mehrere Zwischenpositionen
einzunehmen.
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Das
Umlaufgetriebe hat eine Zentralradwelle, die mit dem Läufer der
elektrischen Maschine drehfest verbunden ist, ein Zentralrad, das
auf der Zentralradwelle drehfest und zwischen einer ersten und einer
zweiten Position längsverschiebbar
angeordnet ist, ein oder mehrere Umlaufräder, die mit dem Zentralrad
in dessen erster Position im Wirkeingriff stehen, einen Umlaufradträger, der
auf der Zentralradwelle drehbar gelagert ist und der mit dem Zentral rad
in dessen zweiter Position im Wirkeingriff steht, wobei der Umlaufradträger eine
Umlaufradträgerwelle
aufweist, die mit dem Antriebsaggregat formschlüssig gekoppelt ist.
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Der
Aktor kann an das Umlaufgetriebe außen angebaut oder in dessen
Innern eingebaut sein. Der Aktor ist in einer Ausführungsform
an dem Umlaufradträger
aufgenommen ist. Der Aktor kann ein Gleichstrom- oder Wechselstrommotor
mit einem Spindel-Mutter-Trieb sein, um das Zentralrad auf der Zentralradwelle
in Längsrichtung
zu verschieben. Es ist auch möglich,
als Aktor eine Elektromagnetanordnung einzusetzen.
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Mit
anderen Worten betrifft die Erfindung die Verwendung eines in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbaren
Getriebe, das zwischen ein Antriebsaggregat und eine elektrische
Maschine geschaltet ist, wobei die elektrische Maschine dazu eingerichtet ist,
dass ihr in einer ersten Betriebsart, in der sie als Anlassermotor
für das
Antriebsaggregat arbeitet, Energie zum Starten des Antriebsaggregats
zugeführt wird
und dass sie in einer zweiten Betriebsart, in der sie als Generator
zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern arbeitet, bei
Rotation des Läufers
relativ zum Ständer
elektrische Energie liefert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand
bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben.
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1 zeigt
in einer schematischen perspektivischen Darstellung eine Antriebsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Kraftfahrzeug,
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2a zeigt
den Aufbau einer Starter/Generator-Einheit in einer Antriebsvorrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einer ersten Stellung, bei der die
elektrische Maschine über
ein Getriebe mit der Verbrennungsmaschine gekoppelt ist.
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2b zeigt
das Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aus 2a in
einer zweiten Stellung.
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3 zeigt
den Aufbau einer Starter/Generator-Einheit in einer Antriebsvorrichtung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einer zwischen einer ersten und einer zweiten
Stellung, bei der die elektrische Maschine über ein Getriebe mit der Verbrennungsmaschine
gekoppelt ist.
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Ausführliche
Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen
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In 1 ist
schematisch ein Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs
dargestellt, über
dessen von den Kolben des Verbrennungsmotors 1 angetriebene
(nicht im Einzelnen gezeigte) Kurbelwelle ein Drehmoment über eine
(nicht gezeigte) Getriebekupplung (bzw. bei einem Automatikgetriebe über einen
Wandler) auf die Getriebeeingangswelle eines Schalt- oder Automatikgetriebes
zum Antrieb der am (nicht im Einzelnen gezeigten) Fahrwerk des Kraftfahrzeugs
angebrachten Räder übertragen
wird. Auf der Kurbelwelle sitzt ein erstes Ritzel 12, das
eine Keilriemenscheibe bei herkömmlichen
Verbrennungsmotoren ersetzt. Dieses erste Ritzel 12 kämmt mit
einem Zahnriemen 14, der außerdem mit einem zweiten Ritzel 16 im
Eingriff steht. Anstelle der beiden Ritzel 12, 16 und
dem Zahnriemen 14 können
erfindungsgemäß auch zwei
ständig
im Eingriff stehende Zahnräder
oder eine Kette verwendet werden, die zwei Ritzel 12, 16 miteinander
formschlüssig
verbindet. Das zweite Ritzel 16 ist mit einer Welle 18 eines Getriebes 20 drehfest
verbunden. Dem Getriebe 20 ist eine elektrische Maschine 22 nachgeschaltet.
Das Getriebe 20 und die elektrische Maschine 22 sind baueinheitlich
in einem Gehäuse 24 untergebracht. Auf
der von dem zweiten Ritzel 16 abliegenden Seite des Gehäuses 24 kann
eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe 26, ein Klimakompressor,
oder ein anderes Nebenaggregat angeordnet sein.
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Die
elektrische Maschine 22 mit dem Getriebe 20 dient
als Starter/Generator-Einheit und ist in einer ersten Ausführungsform
in 2 schematisch veranschaulicht.
Sie ist eine permanent-erregte elektrische Maschine 22 und
ermöglicht
einerseits einen einfachen Start des Verbrennungsmotors 10 – insbesondere
bei niedrigen Umgebungstemperaturen auch einen sog. Kaltstart – und andererseits
eine hohe Generatorleistung mit niedrigen Verlusten, um nach dem
Starten des Verbrennungsmotors 10 Energie für elektrische
Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Die elektrische
Maschine 22 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform
einen Außen-Läufer 30,
welcher – durch
einen Luftspalt 32 getrennt – um einen Ständer 34 mit
einer oder mehreren Ständerwicklungen 36 drehbar
angeordnet ist. Die elektrische Maschine 22 kann jedoch
auch als Innenläufermaschine
ausgestaltet sein. Die Ständerwicklungen 36 können zum
Beispiel Formstabwicklungen sein, die einen sehr hohen Füllfaktor
in den (nicht gezeigten) Wicklungsnuten des Ständers 34 haben. Im Motorbetrieb übernimmt
die elektrische Maschine bei Betätigen
des Anlasserschlüssels
die Funktion eines Anlassers zum Starten des Verbrennungsmotors 10. Hierzu
wird den Ständerwicklungen 36 über eine Leistungs-
und Steuerelektronikeinheit 40 eine entsprechende Energie
von der Fahrzeugbatterie 42 zugeführt, so dass der Läufer 30 mit
einem Anlaufdrehmoment beaufschlagt wird, welches das Starten des Verbrennungsmotors 10 ermöglicht.
Nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 wird die elektrische Maschine
Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 140 in den Generatorbetrieb
umgeschaltet, wobei der Läufer 30 mit
seinen Perma nentmagnetelementen 30a über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10,
die beiden Ritzel 12, 16 und den Zahnriemen 14 in
Rotation versetzt und somit in den Ständerwicklungen 36 eine
Spannung induziert wird, welche zur Energieversorgung von elektrischen
Verbrauchern des Kraftfahrzeuges dient. So wird u. a. die von den
Ständerwicklungen 36 gelieferte
Spannung bzw. der Strom von der Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 40 in
eine Versorgungsgleichspannung für
das Bordnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher des Kraftfahrzeugs
und die Fahrzeugbatterie 42 umgewandelt.
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Das
Getriebe 20 ist ein schaltbares Umlaufgetriebe, bei dem
eine steuerbare Umschaltvorrichtung vorgesehen ist. Das Getriebe 20 kann
auch ein – hier
nicht veranschaulichtes – Stirnradgetriebe sein.
Dieses hätte
als Vorteil, dass ein ggf. aus baulichen Gegebenheiten geforderter
Achsversatz einfach zu realisieren wäre. Außerdem sind Stirnradgetriebe
in der Herstellung günstiger.
Der Läufer 30 der elektrischen
Maschine 22 hat eine Vielzahl entlang seines Innenumfangs
angeordneter Permanentmagnete 30a und ist über eine
Glocke 44 mit einem Ende einer Zentralradwelle 46 drehfest
verbunden. Der Ständer 34 der
elektrischen Gleichstrommaschine 22 hat entsprechende Ständerwicklungen 36,
die in Magnetfluss führenden
Weicheisenteilen aufgenommen sind. Auf der Zentralradwelle 46 ist
ein Zentralzahnrad 48 drehfest über Längsnuten 46a und zwischen einer
ersten und einer zweiten Position (siehe 2a, 2b)
längsverschiebbar
angeordnet.
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Das
Zentralzahnrad 48 kämmt
in der ersten Position (siehe 2a) mit
einem oder mehreren (zwei bis ca. fünf) Zahnrädern 50, die das Zentralzahnrad 48 umgeben.
Die Zahnräder 50 sind
an ihren beiden Stirnseiten in einem Umlaufradträger 52 drehbar gelagert,
in dem seinerseits die Zentralradwelle 46 drehbar gelagert
ist. Der Umlaufradträger 52 hat im
Bereich des anderen Endes der Zentralradwelle 46 einen
Ringbund 54 mit einer Innenverzahnung. Mit diesem innenverzahnten
Ringbund 54 steht das Zentralzahnrad 48 in dessen
zweiter Position (siehe 2b) im
Wirkeingriff. Der Umlaufradträger 52 hat eine
aus dem Gehäuse 24 nach
außen
ragende innenverzahnte Hohlwelle 58. In die Hohlwelle 58 ragt ein
(nicht gezeigter) gegengleich geformter Zapfen, der das zweite Ritzel 16 trägt um die
elektrische Maschine 22 über das Getriebe 20 mit
dem Antriebsaggregat 10 formschlüssig zu koppeln. Ein am Gehäuse 24 drehfest
aufgenommener Statorträger 63 trägt außerdem einen
Linearaktor 64, der zum Beispiel einen Gleichstrommotor 60 und
eine von diesem in Rotation zu versetzende Spindel/Mutteranordnung 62 umfasst.
Die Mutter der Spindel/Mutteranordnung 62 hat einen Mitnehmer 66,
der in eine Ausnehmung 68 des Zentralzahnrads 48 eingreift
um dieses bei aktiviertem Gleichstrommotor 60 zwischen
der ersten und der zweiten Position – über eine Leerlaufposition – zum Verändern des Übersetzungsverhältnisses
des Getriebes 20 hin und her zu bewegen.
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Im
generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 22 versetzt
der Verbrennungsmotor 10 das zweite Ritzel 16 in
Rotation, so dass sich die Hohlwelle 58 des Umlaufradträgers 52 dreht.
Damit werden die um das Zentralzahnrad 48 herum angeordneten
Zahnräder 50 um
ihre eigene Längsachse
in Rotation versetzt. Da sich das Zentralzahnrad 48 für den generatorischen
Betrieb in seiner zweiten Position befindet (2b), in
der das Zentralzahnrad 48 mit der Innenverzahnung des Ringbunds 54 des
Umlaufradträgers 52 im
Eingriff steht, derhen die Zahnräder 50 frei,
während
die Hohlwelle 58 des Umlaufradträgers 52 mit dem Zentralzahnrad 48 im
Eingriff steht. Da das Zentralzahnrad 48 drehfest auf der
Zentralradwelle 46 sitzt, wird diese, und mit ihr die Glocke 44,
die an den Läufer
mit den Permanentmagneten gekoppelt ist, in Rotation versetzt. Dies
hat zur Folge, dass die Ständerwicklungen 36 des
Ständers 34 der elektrischen
Maschine 22 entsprechenden Strom liefern. Eine Über- oder
Untersetzung durch die Zahnräder 50 findet
nicht statt. Damit wird im generatorischen Betrieb der elektrischen
Maschine 22 eine Rotation der Hohlwelle 58 mit
einem Übersetzungsverhältnis von
1:1 auf die Zentralradwelle 46 übertragen; somit dreht die
elektrische Maschine im generatorischen Betrieb mit der Drehzahl
des Antriebsaggregates.
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Im
motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 22 versetzt
aufgrund der Bestromung der Ständerwicklung 36 der
Läufer 30 über die
Glocke 44 die Zentralradwelle 46 in Rotation.
Auf der Zentralradwelle 46 ist das Zentralzahnrad 48 durch
den Linearaktor 64 drehfest in seine erste Position gebracht (2a),
in der das Zentralzahnrad 48 mit den Zahnrädern 50 im
Eingriff steht. Damit wird eine Rotation der Zentralradwelle 46 durch
die Zahnräder 50 mit
einem Untersetzungsverhältnis
auf deren Umlaufradträger 52 bzw.
die Hohlwelle 58 übertragen.
So steht in der Funktion als Anlasser des Verbrennungsmotors 10 das
Drehmoment der elektrischen Maschine um das Untersetzungsverhältnis des
Getriebes hoch gesetzt für
das Antriebsaggregat zur Verfügung.
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In 3 ist
schematisch die als Starter/Generator-Einheit dienende elektrische
Maschine 122 mit dem Getriebe 120 dient in einer
zweiten Ausführungsform
schematisch veranschaulicht. Auch diese Variante des erfindungsgemäßen Konzeptes
ermöglicht
einerseits einen einfachen und schnellen Start des Verbrennungsmotors 10 auch
bei niedrigen Umgebungstemperaturen und andererseits eine hohe Generatorleistung
mit niedrigen Verlusten, um nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 Energie
für elektrische
Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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Zur
Erleichterung des Verständnisses
sind die einzelnen Komponenten/Funktionen der zweiten Ausführungsform
der Starter/Generator-Einheit mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen,
sofern sie eine Entsprechung in der ersten Ausführungsform haben.
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Die
elektrische Maschine 122 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform
einen Außen-Läufer 130, welcher – durch
einen Luftspalt 132 getrennt – um einen Ständer 134 mit
mehreren Ständerwicklungen 136 drehbar
angeordnet ist. Die elektrische Maschine 122 kann jedoch
auch als Innenläufermaschine
ausgestaltet sein. Vorliegend ist eine Transversalflussmaschine
gezeigt, die im Motorbetrieb bei Betätigen des Anlasserschlüssels die
Funktion eines Anlassers zum Starten des Verbrennungsmotors 10 übernimmt.
Hierzu wird den Ständerwicklungen 136 über eine
Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 140 eine entsprechende
Energie von der Fahrzeugbatterie 142 zugeführt, so
dass der Läufer 130 mit
einem Anlaufdrehmoment beaufschlagt wird, welches das Starten des
Verbrennungsmotors 10 ermöglicht. Nach dem Starten des
Verbrennungsmotors 10 wird die elektrische Maschine durch
die Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 140 in den Generatorbetrieb umgeschaltet,
wobei der Läufer 130 mit
seinen Permanentmagnetelementen 130a über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10,
die beiden Ritzel 12, 16 und den Zahnriemen 14 (siehe 1)
in Rotation versetzt und somit in den Ständerwicklungen 136 eine
Spannung induziert wird, welche zur Energieversorgung von elektrischen
Verbrauchern des Kraftfahrzeuges dient. So wird u. a. die von den
Ständerwicklungen 136 gelieferte
Spannung bzw. der Strom von der Leistungs- und Steuerelektronikeinheit 140 in eine
Versorgungsgleichspannung für
das Bordnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher des Kraftfahrzeugs
und die Fahrzeugbatterie 142 umgewandelt.
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Der
Läufer 130 der
elektrischen Maschine 122 hat eine Vielzahl entlang seines
Innenumfangs angeordneter Permanentmagnete 130a mit abwechselnder
magnetischer Orientierung und ist über eine Glocke 144 mit
einem Ende einer Zentralradwelle 146 drehfest verbunden.
Der Ständer 134 der
elektrischen Maschine 122 hat entsprechende Ständerwicklungen 136,
die in Magnetfluss führenden
Weicheisenteilen 134a, 134b, 134c aufgenommen
sind.
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Das
Getriebe 120 ist ein schaltbares Umlaufgetriebe, bei dem
eine steuerbare Umschaltvorrichtung vorgesehen ist. Ein auf der
Zentralradwelle 146 sitzendes Zentralzahnrad 148 kämmt mit
mehreren (zwei bis ca. fünf)
Zahnrädern 150,
die das Zentralzahnrad 148 umgeben. Die Zahnräder 150 sind
an ihren beiden Stirnseiten in einem Umlaufradträger 152 drehbar gelagert,
der seinerseits auf der Zentralradwelle 146 drehbar aber
in Längsrichtung
fixiert gelagert ist. Die Zentralradwelle 146 hat im Bereich
eines Endes (in 3 links) eine kreisscheibenförmige Stirnplatte 146a mit
einer nach außen
gewandten Radialverzahnung 146b. Der Umlaufradträger 152 hat radial
außerhalb
der Stirnplatte 146a einen die Stirnplatte 146a überragenden
rohrförmigen
Fortsatz 152a, der an seinem freien Rand eine axiale Innenverzahnung 152b aufweist.
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Zur
Umschaltung zwischen zwei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen
des Getriebes dient ein Multipolaktor 160. Es ist jedoch
auch möglich,
andere Typen von Linearaktoren einzusetzen. Der Multipolaktor 160 bildet
eine weiter unten im Detail beschriebene Betätigungseinrichtung, die auf ein
bewegliches Getriebeglied einwirkt. Die Zentralradwelle 146 ist
als Hohlwelle ausgeführt.
In der Zentralradwelle 146 ist ein Aktorstab 170 drehbar
und längs
der Mittellängsachse
der Zentralradwelle 146 längsverschieblich aufgenommen.
Der Stirnplatte 146a zugewandt ist an einem Ende des Aktorstabes 170 (in 3 links)
eine als das bewegliche Getriebeglied wirkende Zahnradscheibe 148 mit
einer zur Radialverzahnung 146b der Stirnplatte 146a passenden
Radialverzahnung 148a und einer zur Innenverzahnung 152b des
rohrförmigen
Fortsatzes 152a des Umlaufradträgers 152 passenden
Außenverzahnung 148b angeformt.
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Durch
den Multipolaktor 160 ist der Aktorstab 170 mit
der Zahnradscheibe 148 zwischen einer ersten (End-)Position über eine
Leerlaufstellung und einer zweiten (End-)Position hin und her zu
bewegen. Der Multipolaktor 160 ist gebildet durch eine
Elektromagnet-Spulenanordnung 164a, eine mit dieser zusammenwirkende
weichmagnetische Magnet-Jochanordnung 164b' und 164b'',
sowie eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Ankeranordnung 164c.
Dabei ist die weichmagnetische Magnet-Jochanordnung aus zwei kreiszylindrischen Hälften 164b' und 164b'' mit Ausnehmungen für entsprechende
Erregerspulen der Elektromagnet-Spulenanordnung 164a' und 164a'' gebildet. In den Ausnehmungen
ist jeweils eine Erregerspule aufgenommen, die bündig mit den jeweiligen Stirnflächen 172a, 172b der
Schalen-Hälften 164b' und 164b'' abschließen.
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Die
Stirnflächen 172a, 172b der
Magnetjoch-Hälften 164b' und 164b'' begrenzen einen Arbeitshohlraum 180,
in dem die Magnet-Ankeranordnung 164c längs der Mittelachse M beweglich
aufgenommen ist.
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Die
Magnetjochanordnung 164b', 164b'' kann hier aus einstöckigem Weicheisen
gebildet sein, aus dem die Polstege bzw. die Zwischenräume ausgeformt
sind. In ein derartiges einstöckiges Weicheisen-Formteil
können
Ausnehmungen in Form von Schlitzen, in der Draufsicht längsverlaufenden
Rillen, oder Langlöchern
eingearbeitet sein. Es ist aber auch möglich, die Magnetjochanordnung
als Formteil aus gesintertem Eisenpulver herzustellen oder aus mehreren
Teilstücken
zu montieren und zu ggf. verkleben.
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Die
Magnet-Ankeranordnung 164c ist eine kreisrunde weicheisenhaltige
Ankerscheibe mit einer weiter unten im Detail beschriebenen Gestalt.
Die Elektromagnet-Spulenanordnung 164a' und 164a'' und
die Magnet-Ankeranordnung 164c überlappen sich in radialer
Richtung bezogen auf die Mittellängsachse
M. Die Elektromagnet-Spulenanordnung 164a' und 164a'' hat
einen geringeren Außendurchmesser als
die Ankerscheibe 164c, so dass der aus der Elektromagnet-Spulenanordnung 164a' und 164a'' hervorgerufene magnetische Fluss
praktisch ohne nennenswerte Streu-Verluste in die Ankerscheibe 164c eindringen
kann. Damit wird ein besonders effizienter Magnetkreis realisiert,
der sehr geringe Hubzeiten sowie hohe Haltekräfte erreicht.
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Die
Ankerscheibe 164c kann – unabhängig von der Gestaltung des
Magnetjoches bzw. der Magnet-Spulenanordnung – auch eine geschlossene Kreisscheibe
aus Weicheisen sein, sofern die Ausgestaltung des Magnetjoches bzw.
der Magnet-Spulenanordnung sicherstellt, dass die Streuverluste
bzw. Wirbelstromverluste gering genug für den jeweiligen Einsatzzweck
sind. Zur Verringerung des Gewichtes bei optimierter magnetischer
Flußdichte
ist der Anker als Multipolanker ausgebildet, dessen Ankerpole auf die
jeweiligen Ständerpole
hin ausgerichtet sind. Dazu sind die Ankerpole durch Schwächungen 180c bzw.
Verdickungen der ansonsten im Wesentlichen der Kontur der Stirnfläche der
Gesamtheit aller Polstege folgenden Ankerscheibe gebildet.
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Die
Ankerscheibe 164c ist mit dem Aktorstab 170 starr
verbunden und in einem durch die Schalen-Hälften 164b' und 164b'' der Magnet Jochanordnung begrenzten
Arbeitshohlraum 180 längs
der Mittelachse M geführt
längsbeweglich
aufgenommen. Der Aktorstab 170 ist in der Zentralradwelle 146 längsbeweglich
aufgenommen. Beim Bestromen der (in 3 linken)
Spulen der Elektromagnet-Spulenanordnung 164a' wird in der
Magnet-Jochanordnung 164b ein wirbelstromarmes Magnetfeld
induziert, das die Ankerscheibe 164c mit dem Aktorstab 170 in Richtung
der jeweiligen Schalen-Hälfte 164b', 164b'' zieht, in der sich die bestromte
Spule befindet. Damit bewegt sich die am anderen Ende des Aktorstabes 170 befindliche
Zahnradscheibe 148 mit ihrer Außenverzahnung 148b in
eine Eingriffstellung mit der Innenverzahnung 152b des
Umlaufradträgers 152. Beim
Bestromen der (in 3a rechten) anderen Spulen
der Elektromagnet-Spulenanordnung 164a'' bewegt
sich die Zahnradscheibe 148 mit ihrer Radialverzahnung 148b in
eine Eingriffsstellung mit der Radialverzahnung 146b der
Stirnplatte 146a.
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Der
Aktorstab 170 reicht über
die Zahnradscheibe 148 hinaus mit einem Außenprofil 176 längsverschieblich
in einen mit einem gegengleichen Innenprofil 194 versehenen
hohlen Wel lenstummel 190, der das zweite Ritzel 16 trägt um die
elektrische Maschine 22 über das Getriebe 120 mit
dem Antriebsaggregat 10 formschlüssig zu koppeln. Der Wellenstummel 190 ist
seinerseits drehbar an dem Ständer 134 gelagert.
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Im
generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 122 versetzt
der Verbrennungsmotor 10 das zweite Ritzel 16 in
Rotation, so dass sich der Wellenstummel 190 und – über das
Innenprofil 194 und das Außenprofil 176 – der Aktorstab 170 dreht. Da
sich der Aktorstab 170 für den generatorischen Betrieb
durch den Multipolaktor 160 in Längsrichtung in die Position
gebracht ist, in der die Radialverzahnung 146b der Stirnplatte 146a mit
der Radialverzahnung 148b der Zahnradscheibe 148 im
Eingriff steht, drehen die Zahnräder 150 frei,
während
der hohle Wellenstummel 190 mit der Zahnradscheibe 148.
Da die Zahnradscheibe 148 drehfest an der Zentralradwelle 146 sitzt,
wird diese, und mit ihr die Glocke 144, die an den Läufer 130 mit
den Permanentmagneten gekoppelt ist, in Rotation versetzt. Dies
hat zur Folge, dass die Ständerwicklungen 136 des
Ständers 134 der
elektrischen Maschine 122 entsprechenden Strom liefern.
Eine Über-
oder Untersetzung durch die Zahnräder 50 findet nicht
statt. Damit wird im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 122 eine
Rotation des hohlen Wellenstummels 190 mit einem Übersetzungsverhältnis von
1:1 auf die Zentralradwelle 146 übertragen; somit dreht die
elektrische Maschine im generatorischen Betrieb mit der Drehzahl
des Antriebsaggregates.
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Im
motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 22 versetzt
aufgrund der Bestromung der Ständerwicklung 136 der
Läufer 130 mit
den Permanentmagneten über
die Glocke 144 die Zentralradwelle 146 in Rotation.
Auf der Zentralradwelle 146 ist die Zahnradscheibe 148 durch
den Multipolaktor 160 in die Position gebracht, in der
die Zahnradscheibe 148 mit dem Umlaufradträger 152 über dessen
axiale Innenverzahnung 152b im Eingriff steht. Damit wird eine
Rotation der Zentralradwelle 146 durch die Zahnräder 150 mit
einem Untersetzungsverhältnis auf
deren Umlaufradträger 152 bzw.
den hohlen Wellenstummel 190 übertragen. So steht in der
Funktion als Anlasser des Verbrennungsmotors 10 das Drehmoment
der elektrischen Maschine um das Untersetzungsverhältnis des
Getriebes hoch gesetzt für
das Antriebsaggregat zur Verfügung.
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Erfindungsgemäß sind einzelne
Komponenten oder Baugruppen der beiden Ausführungsbeispiele gegeneinander
austauschbar bzw. miteinander kombinierbar. So kann zum Beispiel
der Multipolaktor des zweiten Ausführungsbeispiels, entsprechend
umdimensioniert auch in dem ersten Ausführungsbeispiel anstelle des
Gleichstrommotors mit der Spindel/Mutteranordnung einsetzbar ist.
In ähnlicher Weise
können
anstelle der Zahnradscheibe mit einer Radialverzahnung und einer
Außenverzahnung
auch zwei Radialverzahnungen eingesetzt werden, die mit entsprechenden
Radialverzahnungen an dem Umlaufradträger bzw. der Zentralradwelle
in Eingriff zu bringen sind. Gleichermaßen kann auch nur eine Außenverzahnung
mit zwei entsprechend gestalteten Innenverzahnungen an dem Umlaufradträger bzw. der
Zentralradwelle in Eingriff zu bringen sein. Alle diese Variationen
sind als von der Erfindung eingeschlossen anzusehen. Im Übrigen sind
die veranschaulichten Dimensionen und Proportionen nicht einschränkend sondern
lediglich beispielhaft zu verstehen. Von der Erfindung sind auch
von den gezeigten Ausführungsbeispielen
abweichende Ausgestaltungen erfasst; die Grenze ist durch die nachstehenden
Ansprüche
und deren Schutzumfang definiert.