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DE102008006075A1 - Leistungskondensatoren für AC-Motoren, die diametral an zugeordneten Getrieben montiert sind - Google Patents

Leistungskondensatoren für AC-Motoren, die diametral an zugeordneten Getrieben montiert sind Download PDF

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DE102008006075A1
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Terence G. Redondo Beach Ward
Alex Fullerton Thompson
Brian A. Torrance Welchko
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Abstract

Leistungskondensatoren für AC-Motoren sind an zugeordneten Getrieben diametral montiert. Die Leistungskondensatoren sind bei einer Ausführungsform ringförmig und bei einer anderen Ausführungsform kreisbogenförmig. Durch eine diametrale Montage der Leistungskondensatoren an Getriebegehäusen wird eine Kühlung der Leistungskondensatoren sowohl für eine Luft- als auch für eine Flüssigkühlung erleichtert.

Description

  • Gebiet der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung ist auf Leistungskondensatoren für AC-Motoren gerichtet, die diametral an zugeordneten Getrieben montiert sind. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Leistungskondensatoren für AC-Motoren, die diametral an zugeordneten Getrieben montiert sind, welche zum Antreiben von Kraftfahrzeugen verwendet werden.
  • Hintergrund der Erfindung:
  • Bei der Konfiguration von Kraftfahrzeugen ist eine effektive Verwendung von Platz eine wichtige Überlegung. Dies hegt daran, dass viele Komponenten von Kraftfahrzeugen in der Hülle, die durch Fahrzeugkarosserien definiert ist, häufig um Platz konkurrieren. Die vernünftige Verwendung von Platz ist eine Überlegung nicht nur während des Zusammenbaus von Kraftfahrzeugen, sondern auch während der Wartung von Fahrzeugen. Zusätzlich ermöglicht es der Verbrauch von weniger Platz für wesentliche Kraftfahrzeugkomponenten dem Konstrukteur, den Platz für optionale Komponenten und für die Kapazität der Fahrgastzelle zu erhöhen. Während ein Abstimmen oder Verringern des Platzverbrauchs einer Komponente keine wesentlichen Konstruktionsauswirkungen aufzuweisen scheint, können kumulierte Platzabstimmungen und ein kumulierter verringerter Platzverbrauch bei mehreren Komponenten zu einer effizienteren Verwendung des gesamten Platzes in einem Fahrzeug und einer verbesserten Konstruktionsflexibilität führen.
  • Bei Spannungszwischenkreisumrichteranordnungen werden Kondensatoren als Energiespeichereinrichtungen verwendet, welche Energiepuffer bereitstellen, um relativ glatte DC-Verbindungsspannungen aufrecht zu erhalten. Typischerweise macht das Kapazitätsvolumen einen wesentlichen Teil des Gesamtvolumens aus, das für eine Spannungszwischenkreisumrichtereinheit benötigt wird. Derartige Kondensatoren sind häufig Elektrolyt- oder Filmkondensatoren. Diese Kondensatoren werden hergestellt, indem ein dünner Film aufgewickelt wird, um den Gesamtbetrag des Oberflächengebiets des Films zu erhöhen. Im Stand der Technik werden derartige Kondensatoren üblicherweise fest um ihren Mittelpunkt herum gewickelt, um geschlossene oder feste Zylinder mit verschiedenen Höhen und Durchmessern zu erzeugen.
  • Um Verluste und eine EMI, welche aus der Übertragung von Energie zwischen einem Elektroantrieb (Umrichter und Kondensatoren) und einem Elektromotor resultiert, zu verringern, ist es oft wünschenswert, eine Übertragungsdistanz zwischen Elektroantrieben und Elektromotoren zu minimieren. Um die Distanz zu minimieren kann der Elektroantrieb mit einem Motor in eine gemeinsame Einheit eingebaut sein. Bei vielen Hybridfahrzeugen ist der/sind die Motor(en) in das mechanische Getriebe (oder das Getriebegehäuse) des Fahrzeugs eingebaut. Eine derartige Ausführungsform des Systems kann jedoch den Umrichter in einen Behälter integrieren, der außen an dem Getriebegehäuse angebracht ist, sodass er nahe bei dem Elektromotor liegt.
  • Ein Nachteil eines Anbringens des Elektroantriebs in seinem geschlossenen Behälter an der Außenseite des Getriebes besteht in der Schwierigkeit des Unterbringens des Volumens des Umrichters in dem Platz und mit dem Formfaktor, der vorgesehen ist. Da die von dem Elektroantrieb benö tigte Kapazität ein wesentliches Volumen des Elektroantriebs umfasst, wird eine Neuanordnung der Kapazität das Volumen der verbleibenden Antriebskomponenten verringern und damit das Unterbringen des Systems viel einfacher gestalten.
  • Zusammenfassung der Erfindung:
  • Eine Antriebsbaugruppe für einen Wechselstromelektromotor umfasst einen AC-Elektromotor mit einer Abtriebswelle, die mit einem Getriebe gekoppelt ist, wobei das Getriebe einen Leistungskondensator aufweist, der diametral daran montiert ist und mit den Wicklungen des Motors elektrisch verbunden ist.
  • Bei einem Aspekt der Antriebsbaugruppe ist der Leistungskondensator ringförmig.
  • Bei einem anderen Aspekt der Antriebsbaugruppe ist der Leistungskondensator kreisbogenförmig mit einem Spalt zwischen Enden des Leistungskondensators.
  • Bei einem anderen Aspekt der Antriebsbaugruppe ist der Motor ein Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug.
  • Bei noch einem anderen Aspekt wird der Leistungskondensator durch eine zirkulierende Flüssigkeit gekühlt, welche Wärme von dem Leistungskondensator an einen Radiator überträgt, oder er wird durch Luft gekühlt, die über den Leistungskondensator strömt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Verschiedene andere Merkmale und zugehörige Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser geschätzt werden, wenn dieselbige bei einer Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden wird, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen, und in denen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Hybridkraftfahrzeugs ist, das einen AC-Traktionselektromotor verwendet, der einen Leistungskondensator aufweist, welcher an einem zugeordneten Getriebe diametral montiert ist;
  • 2 eine schematische Darstellung eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs ist, das einen AC-Traktionselektromotor aufweist, der das Fahrzeug über ein Getriebe antreibt, welches einen diametral daran montierten Leistungskondensator aufweist;
  • 3 eine Seitenansicht einer Motor-Getriebekombination von 1 und 2 mit einem diametral daran montierten ringförmigen Leistungskondensator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 4 eine Vorderansicht von 3 ist;
  • 5 eine Seitenansicht einer Motor-Getriebekombination ist, welche einen Kondensator an einer anderen Stelle an dem Getriebe aufweist;
  • 6 eine Seitenansicht einer Motor-Getriebekombination ist, die einen Kondensator mit einer erhöhten axialen Länge aufweist, welcher diametral daran montiert ist;
  • 7 eine Seitenansicht eines Getriebes mit einem diametral daran montierten kreisbogenförmigen Leistungskondensator gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und
  • 8 eine Vorderansicht von 7 ist.
  • Genaue Beschreibung:
  • Nun auf 1 Bezug nehmend ist ein Fahrzeug 10 mit einem Hybridantrieb 12 gezeigt, welcher eine Brennkraftmaschine 14 und einen Wechselstrommotor (AC-Motor) 16 umfasst. Die Brennkraftmaschine 14 und der AC-Motor 16 treiben Räder 18 durch ein Getriebe 20 an, welches mit dem AC-Motor zusammengebaut ist. Ein mit der Brennkraftmaschine 14 über eine Welle 23 verbundener Leistungsteiler 22 treibt einen elektrischen Generator 24 an, um eine Batterie 26 (welche als ein Stapel von Batterien konfiguriert sein kann) aufzuladen, wenn die Brennkraftmaschine 14 läuft. Der elektrische Generator 24 kann unter gewählten Umständen den Elektromotor 16 mit Energie versorgen, sodass er gleichzeitig mit der Brennkraftmaschine 14 läuft. Die Batterie 26 und der elektrische Generator 24 liefern DC-Strom an einen Umrichter 30, der als axial montiert und mit dem AC-Motor 16 zusammengebaut dargestellt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungskondensator 32 an dem Getriebe 20 montiert. Vorzugsweise ist der Leistungskondensator 32 an dem Getriebe 20 diametral montiert, um eine Antriebsbaugruppe 33 zu bilden, die aus dem AC-Motor 16, dem Getriebe 20, dem Umrichter 30 und dem Konden sator 32 besteht. Der Begriff "diametral montiert" bedeutet um den Durchmesser des Getriebes herum montiert. Dadurch, dass der Leistungskondensator 32 an dem Getriebe 20 diametral positioniert ist, steht der Leistungskondensator für eine Luftkühlung oder eine Wasser/Glykolkühlung unter Verwendung eines Wärmetauschers 34, der mit dem Fahrzeugradiator 35 gekoppelt ist, welcher die Brennkraftmaschine 14 kühlt, zur Verfügung. Bei einer alternativen Ausführungsform dient der Motor 16 auch als der Generator.
  • Nun auf 2 Bezug nehmend ist 2 ähnlich 1 mit der Ausnahme, dass das Fahrzeug 10' von einer Brennstoffzelle 40 mit Energie versorgt wird, welche sowohl die Batterie 26 auflädt als auch den Umrichter 30 der Antriebsbaugruppe 33' mit Gleichstrom versorgt. Die Antriebsbaugruppe 33' ist ähnlich wie die Antriebsbaugruppe 33 von 1 konfiguriert, wobei ein axial montierter Umrichter 30 Gleichstrom von der Brennstoffzelle 40 in AC umwandelt und wobei der Leistungskondensator 32' diametral an dem Getriebe 20 montiert ist. Der Motor 16 ist vorzugsweise mit dem Getriebe 20 zusammengebaut und in einem Gehäuse angeordnet, welches das Getriebe einschließt. Wie in 1 ist der Leistungskondensator 32 luft- oder flüssiggekühlt.
  • Nun auf 3–6 Bezug nehmend, bei welchen eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist, ist der Leistungskondensator 32 als ein ringförmiger Kondensator ausgestaltet, der um das Gehäuse 50 des Getriebes 20 herum montiert ist. Vorzugsweise befindet sich der ringförmige Leistungskondensator 32 an der ersten Stufe 52 in einer engen axialen Beziehung zu dem Motor 16. Wie in 5 zu sehen ist, kann der ringförmige Leistungskondensator 32' um einen beliebigen brauchbaren Durchmesser des Getriebegehäuses 50 herum montiert sein. Wie in 6 zu sehen ist, kann der Kondensator 32' so lang wie das Getriebe 20 sein und in weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen kann der Kondensator 32' einen beliebigen Abschnitt der axialen Länge des Getriebes belegen, oder er kann derart gepackt sein, dass er länger als das Getriebe 20 ist.
  • Wie in 7 und 8 zu sehen ist, in denen eine zweite Ausführungsform 32''' des Kondensators gezeigt ist, ist der Kondensator 32''' kreisbogenförmig mit Enden 60 und 62, die durch einen Spalt 64 getrennt sind. Bei dieser Ausführungsform ist der Kondensator 32''' vorzugsweise so orientiert, dass sich der Spalt 64 an der Unterseite des Getriebegehäuses 50 befindet, jedoch kann bei weiteren Ausführungsformen der Spalt 64 zu der Spitze des Getriebegehäuses 50 hin oder seitwärts mit Bezug auf das Getriebegehäuse orientiert sein. Bei der dargestellten Konfiguration weist der Leistungskondensator 32''' eine kreisbogenförmige Ausdehnung von 270° auf, kann aber andere kreisbogenförmige Ausdehnungen aufweisen. Der Kondensator 32'' ist mit einer einzigen kreisförmigen Ausdehnung gezeigt, aber der Kondensator kann in mehrere kreisbogenförmige Abschnitte unterteilt sein.
  • Durch ein Packen der Kondensatoren 32, 32', 32'' und 32''', wie es in 3–8 dargestellt ist, kann der Kapazitätsbetrag als ein Ergebnis des großen zur Verfügung stehenden Oberflächengebiets erhöht sein. Entsprechend ist die Zuverlässigkeit des gesamten Antriebssystems 33–33''' erhöht. Da die Spannung der Kondensatoren 32–32''' im Wesentlichen DC ist, können die Kondensatoren selbst als eine Abschirmung gegen eine ungewünschte elektromagnetische Interferenz dienen.
  • Eine Platzieren der Kondensatoren 32–32''' an die äußeren Oberflächen der Getriebegehäuse 50 statt ins Innere der Getriebegehäuse erleichtert ein Kühlen der Kondensatoren entweder durch Luftkühlungsanordnungen oder durch ein Kühlen mit Wasser/Glykol, das direkt durch einen Radia tor 35 oder durch einen Wärmetauscher 34 zirkuliert wird, wie in 1 und 2 gezeigt ist.
  • Innentemperaturen von Getrieben 20 können Auslegungen des Kondensators überschreiten. Durch ein Anordnen der Leistungskondensatoren 32–33''' wie dargestellt, weisen die Kondensatoren ein großes Verhältnis des Oberflächengebiets zum Volumen auf, welches es den Kondensatoren ermöglicht, Wärme leichter abzuweisen und in einer Umgebung mit niedrigerer Temperatur zu arbeiten. Kühlere Kondensatortemperaturen verringern eine Kapazitätsabnahme aufgrund von Temperatur. Zusätzlich kann ein Platzieren des Leistungskondensators diametral um das Getriebegehäuse 50 herum zu einer verbesserten EMI-Schirmung führen.
  • Ein Platzieren der Kondensatoren 32–33''' an den Außendurchmesser des Getriebegehäuses 50 schafft ein sehr großes Oberflächengebiet im Inneren des Kondensators, was zu einem großen Kapazitätswert führt. Umrichter/AC-Motorsysteme mit einer großen Kapazitätsmenge, wie sie durch die Anordnungen von 3–8 bereitgestellt sind, weisen eine erhöhte Zuverlässigkeit auf, was den Bedarf für andere Filterkomponenten verringert und zu Kosten- und Platzersparnissen führt.
  • Durch ein Positionieren der Kondensatoren 32–32''', wie in 3–8 dargestellt ist, kann der verfügbare Platz innerhalb der Karosserie eines Fahrzeugs effektiver verwendet werden, was es erleichtert, andere Komponenten, wie zum Beispiel den Unrichter 30, in das Fahrzeug einzubauen.
  • Aus der voranstehenden Beschreibung kann ein Fachmann die wesentlichen Merkmale dieser Erfindung leicht entnehmen und kann verschiedene Änderungen und Modifikationen der Erfindung durchführen, um sie an verschiedene Verwendungen und Bedingungen anzupassen, ohne von dem Geist und Schutzumfang derselben abzuweichen.

Claims (11)

  1. Antriebsbaugruppe für ein Fahrzeug, die umfasst: einen mit einem Getriebe gekoppelten AC-Motor, das in einem Gehäuse eingeschlossen ist, welches nahe und entfernte Enden aufweist, und einen Leistungskondensator, der an dem Gehäuse des Getriebes diametral montiert ist und der mit der elektrischen Antriebseinheit des AC-Motors elektrisch verbunden ist.
  2. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Leistungskondensator ringförmig ist.
  3. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 2, wobei der Leistungskondensator an dem nahen Ende des Getriebegehäuses benachbart zu dem AC-Motor angeordnet ist.
  4. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 2, wobei sich der Leistungskondensator zumindest von dem nahen Ende des Getriebes zu dem entfernten Ende erstreckt.
  5. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 2, wobei der Leistungskondensator eine axiale Länge aufweist, die größer als die axiale Länge des Getriebes ist.
  6. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 2, wobei der Leistungskondensator eine axiale Länge aufweist, die kleiner als die axiale Länge des Getriebes ist.
  7. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Leistungskondensator kreisbogenförmig ist und erste und zweite Enden aufweist, die durch einen Spalt getrennt sind.
  8. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 7, wobei der Leistungskondensator an dem Gehäuse mit dem Spalt nach unten weisend positioniert ist.
  9. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 6, wobei der Leistungskondensator eine Kreisbogenlänge von etwa 270° aufweist.
  10. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Leistungskondensator luftgekühlt ist.
  11. Antriebsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Leistungskondensator flüssiggekühlt ist und sie ferner einen Wärmetauscher umfasst, der mit dem Kondensator verbunden ist, um Wärme aus der Flüssigkeit, die den Kondensator kühlt, zu entfernen.
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