Elektrisch angetriebene Achse

Die Erfindung betri f ft eine elektrisch angetriebene Achse für Nutz fahrzeuge , die mittels zwei j eweils den Antriebsrädern zugeordneten Elektromotoren und dazugehörigem Getriebe angetrieben wird .

Nutz fahrzeuge , wie Busse und Lastkraftwagen, werden üblicherweise durch Verbrennungskraftmaschinen, dynamoelektrische Maschinen oder hybride Kombinationen von beiden angetrieben .

Bei den elektrisch angetriebenen Nutz fahrzeugen gibt es Zentralmotorkonzepte , die eine Antriebsachse direkt oder über ein vorgelagertes Getriebe antreiben . Dies geschieht j eweils über ein mechanisches Achsdi f ferenzial . Elektrisch angetriebene Nutz fahrzeuge können auch über elektrische Achsen, die pro Radseite einen Motor aufweisen, angetrieben werden .

Dabei weisen Radlager, Getriebelager und dynamoelektrische Maschinen j eweils eine eigene Lagerung mit ihren notwendigen Freiheitsgraden auf . Die dynamoelektrische Maschine wird rotorseitig üblicherweise dabei über eine Kupplung mit einer Getriebeeingangswelle und statorseitig mit einem Achsgehäuse verbunden .

Die zusätzlichen Radial- und Axiallagerstellen der dynamoelektrischen Maschine stellen dabei aber eine mechanische Überbestimmung der Antriebsachse dar, so dass die Kupplung zwischen Rad und Motorenwelle bzw . Rotorwelle dementsprechend flexibel ausgeführt sein muss .

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine elektrische Achse bereitzustellen, die einen einfachen, kompakten Aufbau aufweist und die oben genannten Nachteile vermeidet . Des Weiteren soll ein Nutz fahrzeug bereitgestellt werden, das u . a . raumoptimiert ausgeführt ist . Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrisch angetriebene Achse eines Nutz fahrzeugs , mit j e einer Radanordnung zugeordneten Getriebe-Motor-Einheit , wobei der Motor einen Stator und einen Rotor aufweist , wobei der Rotor über ein Getriebe mit der j eweiligen Radanordnung drehmomentübertragend verbunden ist , wobei der Rotor j eweils fliegend gelagert ist .

Erfindungsgemäß werden die dynamoelektrischen rotatorischen Maschinen lagerlos ausgeführt , also fliegend gelagert , so dass die Lagerung des Getriebes zusätzlich die rotierenden Aktivteilkomponenten der elektrischen Maschine übernimmt . Als Aktivteilkomponenten werden dabei das Blechpaket des Rotors verstanden in das Permanentmagnete und/oder ein elektrisch leitender Käfig eingebettet sind .

Erfindungsgemäß ist somit die Lagerung einer Getriebeeingangswelle so aus zulegen, dass die zusätzlich eingetragenen mechanischen Lasten des Rotors der dynamoelektrischen Maschine mit aufgenommen werden . Weiterhin ist dabei besonders vorteilhaft , wenn das zusätzliche Gewicht und Trägheitsmoment des Rotors möglichst gering sind .

Vorteilhafterweise sind dabei die Aktivteile des Rotors auf einer gewichtsoptimierten Rotornabe positioniert , der das Drehmoment auf die Welle überträgt , ohne dabei selbst ein großes Trägheitsmoment und große Massen auf zuweisen .

Der Rotor der dynamoelektrischen Maschine wird dabei direkt auf die Getriebeeingangswelle drehfest aufgebracht , wobei der Stator der dynamoelektrischen Maschine mit einem Achsgehäuse mechanisch verbunden ist .

Die drehfeste Verbindung wird beispielsweise durch an sich bekannte Welle-Nabe-Verbindungen gewährleistet . Der Stator der dynamoelektrischen Maschine wird beispielsweise über eine Schrumpf sitz im Achsgehäuse untergebracht . Das Achsgehäuse kann insbesondere im Bereich des Stators auch als Flüssig- keitskühlmantel ausgeführt sein . Das Achsgehäuse nimmt dabei das Getriebe und den Motor auf und bildet so eine Getriebe- Motor-Einheit .

Damit kann nunmehr auf eine flexible Kupplung zwischen Getriebe und dynamoelektrischer Maschine verzichtet werden, wobei sich insbesondere erfindungsgemäß damit auch Anforderungen an die mechanischen Toleranzen, den benötigten Bauraum und auch das Gewicht des Antriebes reduzieren lassen .

In einer Aus führung ist das Getriebe ein Untersetzungsgetriebe , so dass das Drehmoment , das am Rad „ankommt" im selben Maße gesteigert wird, wie die Drehzahl verringert wird . Dabei bleibt selbstverständlich die übertragene Leistung von der dynamoelektrischen Maschine zum Rad gleich .

In einer weiteren Aus führung ist der Rotor gewichtsoptimiert ausgelegt , so dass die Lagerung des Getriebes , die erfindungsgemäß die Lagerung des Rotors übernimmt , nicht überlastet ist . Dies wird insbesondere durch eine speichenartige Tragstruktur des Aktivteils des Rotors oder des Rotors erreicht . Dabei sind die Aktivteile , wie Blechpaket des Rotors , in das Permanentmagnete und/oder ein elektrisch leitender Käfig eingebettet sind auf der speichenartigen Tragstruktur drehfest fixiert du mit einer Getriebeeingangswelle verbunden .

Die axiale Ausdehnung des Rotors sowie der Abstand zur Lagerung sollen möglichst klein im Verhältnis zur Stützweite der Lagerung der Getriebeeingangswelle sein . Insbesondere entspricht die axiale Ausdehnung des Rotors dem 0 , 3- bis 0 , 7- fachen des Durchmessers des Rotors entspricht .

Vorteilhaft ist dabei , wenn die axiale Ausdehnung des Rotors möglichst gering ist , also ungefähr dem halben Durchmesser des Rotors entspricht . Durch die erfindungsgemäße elektrische Achse kann nunmehr ein Nutz fahrzeug, mittels einer übergeordneten Regelung seines elektrischen Antriebs ein elektrisches Di f ferential bilden, durch das auch Lenkbewegung im Sinne von Richtungswechseln möglich sind .

Nutz fahrzeuge sind vor allem elektrische angetriebene Busse oder Trucks für den Straßenverkehr oder als Spezial fahrzeuge z . B . in Minen . Grundsätzlich eignet sich die Erfindung auch für alle elektrisch angetriebenen Fahrzeuge mit einer elektrischen Achse und deren zwei Getriebe-Motor-Einheiten, somit auch für PKWs .

Der Gegenstand der Erfindung ist sowohl auf Innenläufermaschinen als auch Außenläufermaschinen anzuwenden, da die Lagerung des Rotors komplett von der Lagerung des Getriebes übernommen wird . Es ist lediglich darauf zu achten, das Gewicht des Rotors möglichst gering zu halten, sowie die axialen Ausdehnungen, insbesondere den Abstand zur Lagerung im Verhältnis zur Stützweite der Lagerung klein zu halten sind .

Durch die lagerlose Integration der dynamoelektrischen Maschine in das Achsgehäuse lassen sich Bauraum, Gewicht und damit auch Kosten gegenüber vergleichsweisen Antriebskonzepten einsparen . Dadurch ist es möglich, deutlich mehr Motorleistung und auch Drehmoment im verfügbaren Bauraum eines Nutz fahrzeugs zu realisieren .

Es sind dadurch auch E-Busse bis 30t Gesamtgewicht mit einer elektrischen Achse zu realisieren . Herkömmliche Lösungen mit Motorlagerung benötigen zwei Lagerschilde und Kugellager, die auch gewartet , insbesondere geschmiert werden müssen .

Die erfindungsgemäße elektrische Achse hat vorteilhafterweise wartungs frei ölgeschmierte Lager im Getriebe . 5

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand prinzipiell dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, darin zeigen:

FIG 1 eine teilperspektivische Darstellung eines Antriebs eines Rades,

FIG 2 einen prinzipiellen Längsschnitt einer Motor-

Ge triebe -Einheit,

FIG 3 eine prinzipielle Anordnung einer elektrischen

Achse in einem Nutzfahrzeug,

FIG 4 bis 6 trägheitsarme Ausführungen eines Rotors.

Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial", „radial", „tangential" etc. auf die in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Achse 7 beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtungen axial, radial, tangential stets auf eine Achse 7 des Rotors 5 und damit auf die entsprechende Symmetrieachse des Stators 2. Dabei beschreibt „axial" eine Richtung parallel zur Achse, „radial" beschreibt eine Richtung orthogonal zur Achse, auf diese zu oder auch von ihr weg, und „tangential" ist eine Richtung, die in konstantem radialem Abstand zur Achse und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Achse herum gerichtet ist. Der Ausdruck „in Umfangsrichtung" ist mit „tangential" gleichzusetzen.

In Bezug auf eine Fläche, bspw. eine Querschnittsfläche, beschreiben die Begriffe „axial", „radial", „tangential" etc. die Orientierung des Normalenvektors der Fläche, d.h. desjenigen Vektors, der senkrecht auf der betroffenen Fläche steht .

Unter dem Ausdruck „koaxiale Bauteile", bspw. koaxiale Komponenten wie Rotor 5 und Stator 4, werden hier Bauteile verstanden, die gleiche Normalenvektoren aufweisen, für die also die von den koaxialen Bauteilen definierten Ebenen parallel zueinander sind. Des Weiteren soll der Ausdruck beinhalten, dass die Mittelpunkte koaxialer Bauteile auf der gleichen Ro- tations- bzw . Symmetrieachse liegen . Diese Mittelpunkte können j edoch auf dieser Achse ggf . an verschiedenen axialen Positionen liegen und die genannten Ebenen also einen Abstand >0 voneinander haben . Der Ausdruck verlangt nicht zwangsläufig, dass koaxiale Bauteile den gleichen Radius haben .

Der Begri f f „komplementär" meint im Zusammenhang mit zwei Komponenten, welche „komplementär" zueinander sind, dass ihre äußeren Formen derart ausgestaltet sind, dass die eine Komponente vorzugsweise vollständig in der zu ihr komplementären Komponente angeordnet werden kann, so dass sich die innere Oberfläche der einen Komponente und die äußere Oberfläche der anderen Komponente idealerweise lückenlos bzw . voll flächig berühren . Konsequenterweise ist also im Falle von zwei zueinander komplementären Gegenständen die äußere Form des einen Gegenstandes durch die äußere Form des anderen Gegenstandes festgelegt . Der Begri f f „komplementär" könnte durch den Begri f f „invers" ersetzt werden .

Der Übersichtlichkeit wegen werden in den Figuren teilweise in den Fällen, in denen Bauteile mehrfach vorhanden sind, häufig nicht sämtliche dargestellten Bauteile mit ihren Bezugs zeichen versehen .

Die beschriebenen Aus führungen können beliebig kombiniert werden . Ebenso sind auch Einzelmerkmale der j eweiligen Ausführungen kombinierbar, ohne das Wesen der Erfindung zu verlassen .

FIG 1 zeigt in einer teilperspektivischen Darstellung einen Antrieb einer Radanordnung 1 durch eine Getriebe-Motor-Ein- heit 2 . Die Radanordnung 1 kann dabei ein einzelnes Rad oder ein Zwillingsrei fen sein . Das Getriebe kann ein ein- oder mehrstufiges Getriebe oder ein Planetengetriebe sein - in diesem Fall ist es ein einstufiges Getriebe . Die dynamoelektrische Maschine 3 kann eine permanenterregte Synchronmaschine oder ein Asynchronmotor mit einem Käfigläufer oder ein Asynchronmotor einer elektrischen Erregung mittels Schlei fringen sein .

Die dynamoelektrische Maschine 3 ist in einem Achsgehäuse untergebracht , wobei der Stator 2 und/oder das Gehäuse Mittel zur Flüssigkeitskühlung 21 aufweisen .

In dieser Aus führung ist das Blechpaket des Rotors 5 auf einer Tragstruktur 6 fixiert , die trägheitsarm ausgeführt ist . Dies kann insbesondere speichenförmig sein . Diese Tragstruktur 6 ist drehfest mit einer Getriebeeingangswelle 9 verbunden, um das Drehmoment des Motors 3 in das Getriebe einzuleiten und letztlich als Antriebsmoment der Radanordnung zur Verfügung zu stellen . Der Rotor 5 ist dabei fliegend gelagert , d . h . er weist keine expli zite Lagerung auf , sondern die Lagerung 10 der Getriebeeingangswelle 9 stützt den Rotor 5 .

Über eine Getriebeausgangswelle 12 , die mit der Radanordnung drehfest verbunden ist , wird das Antriebsmoment der Radanordnung 1 zur Verfügung gestellt . Die Lagerung 15 der Getriebeausgangswelle 12 stützt sich u . a . in dem Achsgehäuse 11 ab . Die Achse 16 der Radanordnung 1 und die Achse 17 des Motors 3 sind parallel angeordnet .

FIG 2 zeigt in einem prinzipiellen Längsschnitt die Getriebe- Motor-Einheit , die in dem Achsgehäuse 11 untergebracht ist .

Das Blechpaket 7 des Rotors 5 , ist dabei auf einer Tragstruktur 6 positioniert , die im wesentlichen doppel-T- förmig ausgeführt ist . Dabei ist das Mittenstück zur Reduzierung der Trägheit speichenartig ausgebildet . Zwischen dem Blechpaket 8 des Stators 4 ist dort eine Flüssigkeitskühlmantel vorgesehen . Der Motorraum ist von dem Getrieberaum getrennt , so das Getriebe mit Öl versehen sein kann, während der Motorraum eine , insbesondere geschlossene Luftkühlung aufweist .

Die in FIG 2 gezeigten Lager sind nur beispielhaft als Kugellager ausgeführt . Je nach Aus führung der elektrischen Achse sind auch andere Lager oder Lageranordnungen mit den j eweili- gen Wäl zkörpern möglich, die als Festlager oder Loslager fungieren können . Dies sind u . a . Schrägkugellager ( einreihig, zweireihig ... ) , Zylinderrollenlager oder Tonnenlager . Bei paarweisem Einbau können diese in O-Anordnung oder X-Anord- nung angeordnet sein .

FIG 3 zeigt eine elektrische Achse mit zwei Getriebe-Motor- Einheiten, die j eweils eine Radanordnung 1 antreiben . Durch den erfindungsgemäßen Aufbau kann nunmehr eine kompakte Anordnung bereitgestellt werden, die somit das Nutzvolumen eines Nutz fahrzeugs erhöht . Insbesondere kann durch dies Anordnung der Mittelgang bei einem E-Bus 18 breiter ausgestaltet sein .

Im Folgenden werden weitere Möglichkeiten einer trägheitsarmen Aus führung des Rotors 5 beschrieben .

Die Darstellung gemäß FIG 4 zeigt im Querschnitt den Rotor 5 der dynamoelektrischen Maschine 3 . Der Rotor 5 weist im Außenbereich eine kreis förmige Struktur auf . Die als äußerer Kreisring bezeichnete kreis förmige Struktur dient als Mittel zur Momentenaufnahme am Rotor 5 . Momente ergeben sich durch Mittel zur Erregung des Rotors 5 . Befinden sich diese Mittel bereits am Rotor, was in FIG 4 nicht der Fall ist , so sind diese dann Teil des Rotors 5 . Mittel zur Erregung sind beispielhaft Permanentmagnete oder elektrische Leiter, welche bei Asynchronmaschinen beispielsweise einen Käfig ausbilden oder bei Synchronmaschinen einen gespeisten Strom führen . Im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine 3 wird auf diese Mittel zur Erregung ein Moment bzw . eine Kraft ausgeübt , welche sich auf den Rotor 5 überträgt , da die Mittel zur Erregung Teil des Rotors 5 sind . Als Mittel zur Momentenaufnahme am Läufer dient der in FIG 4 dargestellte äußere Kreisring, welcher das Mittel zur Momentenaufnahme darstellt . Das Mittel zur Momentenaufnahme am Rotor 5 dient auch als Bereich, welcher den Fluss führt . Dieser Bereich wird in FIG 4 als Flussleitring 50 bezeichnet , welcher den äußeren Ring darstellt und mit dem Mittel zur Momentenaufnahme am Rotor 5 korrespondiert .

Da der Rotor 5 in dieser Aus führung als Aneinanderreihung mehrerer Rotorbleche aus führbar ist , sind Mittel vorzusehen, diese Rotorbleche miteinander zu verbinden . Eine derartige Verbindung ist u . a . über Haltelöcher 16 aus führbar, indem durch diese z . B . ein Haltestab geführt ist , mit dessen Hil fe Rotorbleche aneinandergehalten werden . Haltelöcher 16 sind am inneren Radius des Flussleitrings 50 verteilt . Dabei ist eine symmetrische Verteilung vorteilhaft , um auftretende Kräfte auch symmetrisch auf zunehmen .

Ist auf das Mittel zum Momentenaufnahme am Rotor 5 ein Moment ausgeübt , so ist dieses auf Getriebeeingangswelle 9 in zu übertragen . Kräfte sind in den Innenbereich des Rotors 5 zu führen . Gemäß FIG 4 geschieht dies über sekantenartige Stege 62 . FIG 4 zeigt eine Aus führung mit einer Anzahl von sechs Sekanten, welche im Bereich der bei Haltelöchern 63 eine Verbindung mit dem Flussleitring 50 aufweisen und im inneren des Rotors 5 ein Polygon ausbilden . Das Polygon ist als Polygonring 48 gestaltet . In dessen mittleren kreisrunden Aussparung befindet sich die Getriebeeingangswelle 9 . Auf tretende Momente von Mitteln zur Erregung werden über das Mittel zur Momentenaufnahme am Rotor 5 auf die sekantenartigen Stege 62 übertragen . Dabei auftretende Kräfte werden dann weiterhin durch diese sekantenartige Stege 62 ins Innere zum Polygonring 48 geführt . Beispielsweise über eine Pass federkombination ist der Polygonring 48 mit der Getriebeeingangswelle 9 drehfest verbindbar .

Eine Kraftübertragung zwischen dem Polygonring 48 und der Getriebeeingangswelle 9 ist nicht alleine auf Pass federkombination beschränkt , da auch andere Mechanismen zur Kraft- /Momentenübertragung anwendbar sind . Dies sind beispielhaft Stof f schlüssige Verbindungen, z . B . durch Kleben oder Schweißen, oder formschlüssige Verbindungen wie bei Pass federn allerdings in einer anderen geometrischen Form, wie z . B . Poly- 10 gone oder kraf tschlüssige Verbindungen, in denen beispielsweise der Rotor 5 auf die Getriebeeingangswelle 9 aufgeschrumpft ist .

Durch die Verwendung sekantenartiger Stege 62 werden Mittel zur Trägheitsminderung ausgebildet . Die damit verbundene Ge- wichtsreduktion verändert in positiver Weise das Trägheitsmoment , so dass eine dynamoelektrische Maschine 3 mit dem entsprechenden Rotor 5 u . a . Dynamik gewinnt . Ein verkleinertes Gewicht , d . h . , eine geringere Masse eines Körpers reduziert die Trägheit des Körpers . Die Trägheitsminderung ergibt sich nicht allein aus der allgemeinen Gewichtsreduktion, sondern insbesondere auch aus der Lage und Position derj enigen Stellen des Rotors , an welchen eine Gewichtsreduktion erfolgt .

Im vorliegenden Beispiel der FIG 4 ist der Rotor 5 das Drehsystem . Da insbesondere an den äußeren Seiten des Rotors durch die außenliegenden sekantenartigen Stege 62 Aussparungen ermöglicht sind, ergibt sich eine hohe Minderung des Trägheitsmoments des gesamten Rotors 5 .

Der Rotor 5 gemäß FIG 4 ist wie beschrieben funktionsmäßig in drei Teile geteilt . Zum einen in den Teil , der den magnetischen Fluss führt , die Magnete trägt und als Flussleitring 50 bezeichnet ist . Zum anderen in den Teil , der das Moment von den Magneten bzw . der Erregung oder den Rückschlusskomponenten zur Welle überträgt und in FIG 4 durch die sekantenartigen Stege 62 repräsentiert ist . Den dritten Teil einer Grobuntergliederung bildet die Verbindung zur Getriebeeingangswelle 9 , welche in der FIG 4 als Polygonring 48 bezeichnet ist und das Mittel zur Kraftübertragung zwischen Rotor 5 und Getriebeeingangswelle 9 bildet .

Die Darstellung gemäß FIG 5 zeigt den Querschnitt Rotors 5 mit einem Mittel zur Momentenaufnahme am Rotor 5 , einem Flussleitring 50 , Haltelöcher 63 und einem Polygonring 48 . Im Vergleich zur FIG 4 sind die dortigen sekantenartigen Stege 62 nun in eine Wabenstruktur 49 überführt . Die Kraf tübertra- 11 gung vom Polygonring 48 auf die Getriebeeingangswelle 9 erfolgt u . a . auch über eine Pass federkombination . Durch die Erhöhung der Anzahl der Stege und Teilstege , die diese Wabenstruktur 49 bilden, ist die Festigkeit des Rotors 5 erhöhbar . Durch die größere Anzahl an sekantenartigen Stegen und/oder Teilstegen ist ein homogenerer Kraftübergang auf die Ste- ge/Teilstege bzw . von diesen auf den Polygonring 48 erzielbar . Somit ist eine Reduzierung der Materialstärke des Flussleitringes 50 und/oder des Polygonringes 48 ermöglicht . Dies wiederum reduziert das Trägheitsmoment .

Durch die Ausgestaltung von Stegen und Teilstegen bzw . auch der Wahl des Materials , aus welchen die Stege bestehen ist die Stei figkeit beeinflussbar . Wird eine Wabenstruktur 49 mit flexiblen Stegen ausgeführt , so wirkt der Rotor 5 als Dämpfer bzw . Feder zwischen Motor und der vom Motor angetriebenen Last . Die Flexibilität der Wabenstruktur 49 kann sich auch aus einer Flexibilität der Verbindungsstellen zwischen den Stegen ergeben .

Die Darstellung gemäß FIG 6 zeigt einen Rotor 5 mit Mitteln zur Momentenaufnahme , Haltelöchern 63 , wie in vorangegangenen Figuren . Die Wabenstruktur 49 gemäß FIG 5 ist in FIG 6 in einer vorteilhaften Aus führungs form als wabenartige Schaumstruktur 61 ausgeführt . Der Unterschied zur FIG 5 besteht darin, dass sich die Kammern der Waben enorm verkleinert haben und verschlossen sind . Gerade Schäume sind preiswerte Materialien und in ihrer Eigenschaft sehr verschieden . Auf diese Weise ist j e nach Anwendungs fall ein fester oder starrer Schaum mit geringen oder keinen Feder- bzw . Dämpfungseigenschaften nutzbar . Ein weicher, flexibler Schaum weist starke bzw . große Feder- bzw . Dämpfungseigenschaften auf . Die Kraftübertragung vom Mittel zur Momentenaufnahme am Rotor 5 zum Schaum erfolgt beispielhaft über formschlüssige Mittel 64 zur Kraftübertragung, welche im Außenbereich in FIG 6 als Keile ausgeführt sind . Die Kraftübertragung zu der in FIG 6 nicht dargestellten Getriebeeingangswelle 9 erfolgt über an sich bekannte Welle-Nabe-Verbindungen . 12

Auf oder in dem Flussleitring 50 sind Permanentmagnete positioniert , welche hier das Mittel zur Erregung darstellen . Außenliegende Permanentmagnete sind vorteilhafter Weise über eine Bandage mit dem Flussleitring 50 verbunden . Der Flussleitring kann als Blechpaket ausgebildet sein . Die Bandage nimmt Fliehkräfte der Permanentmagnete bei Drehbewegungen auf , die auf der Oberfläche des Flussleitrings angeordnet .

Nutz fahrzeuge im Sinne der Erfindung sind vor allem elektrisch angetriebene Busse oder Trucks für den Straßenverkehr oder als Spezial fahrzeuge , z . B . in Minen über und/oder unter Tage . Grundsätzlich eignet sich die Erfindung auch für alle elektrisch angetriebenen Fahrzeuge mit einer elektrischen Achse und deren zwei Getriebe-Motor-Einheiten, somit auch für PKWs . Dies betri f ft sowohl rein elektrische Antriebe als auch hybride Antriebe der oben genannten Fahrzeuge .