Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antrieb eines Nebenaggregates einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Wie allgemein bekannt, ist es ein Ziel bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, deren Kraftstoffverbrauch zu senken. Zum Antrieb von Fahrzeugen wird dazu beispielsweise ein so genannter Hybridantrieb genutzt, der eine Brennkraftmaschine und eine elektrische Maschine umfasst, wobei die Brennkraftmaschine die generatorisch arbeitende elektrische Maschine antreibt, so dass ein elektrischer Speicher geladen werden kann. Ferner werden so genannte Start-Stopp-Systeme genutzt, wobei beim Stillstand des Fahrzeuges die Brennkraftmaschine abgeschaltet wird. Bei diesen beiden beispielhaften Ausführungen kann die Situation eintreten, dass die Brennkraftmaschine zunächst hoch belastet ist und dann schlagartig abgestellt wird, zum Beispiel wenn der elektrische Speicher bei einem Hybridantrieb ausreichend geladen ist oder wenn bei einem Start-Stopp-System das Fahrzeug aus voller Fahrt in den Stillstand abgebremst wird. Für derartige Situationen werden in der Praxis neben den mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpen zusätzlich elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpen vorgesehen, so dass das Kühlmittel weiter in Zirkulation gehalten wird und verhindert wird, dass ein unzulässiger Anstieg der Temperatur des Kühlmittels erfolgt, der bedingt durch die erhebliche Wärmekapazität des Gehäuses der Brennkraftmaschine auftreten würde. Nachteilig dabei ist, dass zwei Aggregate notwendig sind. Ferner ist es von Nachteil, dass rein mechanisch angetriebene Nebenaggregate einer Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel eine Kühlmittelpumpe, stets zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine führen, da sie auch dann Kühlmittel fördert, wenn es nicht notwendig ist, z. B. bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Um diese Unzulänglichkeiten zu vermeiden, ist es beispielsweise aus der DE112009000861 T5 vorbekannt, eine Kühlmittelpumpe mit folgenden Merkmalen auszuführen. Diese Kühlmittelpumpe umfasst ein Pumpenrad, das an einer Pumpenradwelle angeordnet ist. Ferner umfasst diese Kühlmittelpumpe eine Antriebsvorrichtung für das Pumpenrad, wobei die Antriebsvorrichtung einen mechanischen Antrieb und einen Elektromotorantrieb aufweist. Dabei ist die Pum- penradwelle in einen Antriebsabschnitt und einen Abtriebsabschnitt unterteilt, wobei eine zu öffnende und zu schließende Kupplung zwischen dem Antriebsabschnitt und dem Abtriebsabschnitt angeordnet ist. Mittels dieser Kühlmittelpumpe können mehrere Schaltzustände dargestellt werden. Beispielsweise kann die Kupplung geschlossen werden, so dass der Antrieb der Kühlmittelpumpe rein mechanisch erfolgt. Außerdem kann durch das Öffnen der Kupplung der mechanische Antrieb unterbrochen werden, so dass wenn die elektrische Maschine nicht motorisch betrieben wird, kein Kühlmittel gefördert wird, so dass zum Beispiel die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine verkürzt wird. Ferner kann bei geöffneter Kupplung allein die elektrische Maschine betrieben werden, so dass bei plötzlichem Stillstand eine Nachförderung von Kühlmittel erfolgen kann, wie oben beschrieben. Nachteilig an dem Nebenaggregat gemäß der DE112009000861 T5 ist, dass die zwischen dem Antriebsabschnitt und dem Abtriebsabschnitt angeordnete Kupplung einen zusätzlichen Aktuator, wie beispielsweise einen Elektromagneten mit einer Spule benötigt, der nicht nur weitere Bauteile erfordert, sondern auch die Baugröße dieses Nebenaggregates negativ be- einflusst.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antrieb eines Nebenaggregates bereitzustellen, wobei das Nebenaggregat einen mechanischen und einen elektrischen Antrieb aufweist sowie eine zu öffnende und zu schließende Kupplung zwischen diesen Antrieben umfasst, wobei das Nebenaggregat möglichst kompakt ist, also wenige Bauteile aufweist.

Diese Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung zum Antrieb eines Nebenaggregates einer Brennkraftmaschine mit folgenden Merkmalen gelöst:

- das Nebenaggregat umfasst einen mechanischen und einen elektrischen Antrieb

- der mechanische Antrieb ist mit einem ersten Kupplungsabschnitt verbunden

- der elektrische Antrieb umfasst einen Rotor und einen Stator, welche eine elektrische Maschine bilden

- der Stator umfasst Windungen, die von einem elektrischen Strom durchflössen oder nicht von einem elektrischen Strom durchflössen werden

- der Rotor der elektrischen Maschine ist mit einem zweiten Kupplungsabschnitt verbunden - der Rotor ist drehfest mit einer Welle verbunden

- die Welle ist mit zumindest einem anzutreibenden Bauteil des Nebenaggregates verbunden

- der Rotor ist axial verschiebbar entlang der Längserstreckung der Welle sowie axial verschiebbar gegenüber der Welle

- durch die axiale Verschiebung des Rotors werden der erste Kupplungsabschnitt und der zweite Kupplungsabschnitt relativ zueinander bewegt, so dass der mechanische Antrieb und der Rotor miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden

- der Rotor wird dadurch axial entlang der Längserstreckung der Welle gegenüber der Welle verschoben, dass die Windungen von einem elektrischen Strom durchflössen werden.

Dadurch, dass der Rotor durch die Wirkungen des Magnetfeldes der von einem elektrischen Strom durchflossenen Windungen des Stators axial gegenüber der Welle verschoben wird, ergibt sich erfindungsgemäß vorteilhaft eine vergleichsweise geringe Baugröße des Nebenaggregates. Ferner werden keine zusätzlichen Bauteile zur Bewegung des ersten Kupplungsabschnittes und des zweiten Kupplungsabschnittes relativ zueinander benötigt, da das Zusammenwirken der Bauteile des elektrischen Antriebes, nämlich des Rotors und der Wicklungen, erfindungsgemäß dazu genutzt wird. Der mechanische Antrieb kann z. B. eine Riemenscheibe, ein Kettenrad, ein Zahnrad oder auch eine direkte Wellenkupplung sein. Der elektrische Antrieb entspricht bevorzugt einer elektrischen Maschine, die nach dem Prinzip einer Reluktanzmaschine arbeitet. Das Nebenaggregat kann z. B. eine Kühlmittelpumpe, ein Klimakompressor, eine Lenkhilfepumpe oder ein Ladegebläse sein, d. h. auf den jeweiligen Anwendungsfall ist die erfindungsgemäße Vorrichtung keinesfalls beschränkt. D. h. das anzutreibende Bauteil des Nebenaggregates kann z. B. ein Pumpenrad, ein Rotor einer Flügelzellenpumpe, ein Verdichterrad, ein Zahnrad oder auch eine Taumelscheibe sein. Bevorzugt wird die Drehbewegung des Rotors bzw. die Drehbewegung der Welle über einen Drehzahlsensor erfaßt und steht für eine Regelung und/oder Diagnose bereit. Vorzugsweise erfolgt diese Signalerfassung ohne den Einsatz eines Sensors in Abhängigkeit von Kenngrößen des elektrischen Antriebs, z. B. Strom-/ Spannungskurven der Windungen. Ferner kann die axiale Bewegung des Rotors über einen Lagesensor erfaßt werden und steht für eine Regelung und/oder Diagnose bereit. Vorzugsweise erfolgt auch diese Signalerfassung ohne den Einsatz eines Sensors in Abhängigkeit von Kenngrößen des elektrischen Antriebs, z. B. Strom-/ Spannungskurven der Windungen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.

Hierbei zeigen:

Figur 1 : erste Darstellung der vorliegenden Erfindung,

Figur 2: weitere Darstellung der vorliegenden Erfindung,

Figur 3: noch weitere Darstellung der vorliegenden Erfindung.

Ein typisches Nebenaggregat einer Brennkraftmaschine ist eine Kühlmittelpumpe 1 , wie in Figur 1 dargestellt. Die Kühlmittelpumpe 1 umfasst einen mechanischen Antrieb 2, der als Riemenscheibe ausgeführt ist. Die Riemenscheibe 2 ist mit einem ersten Kupplungsabschnitt 3 drehfest verbunden. Die Kühlmittelpumpe 1 umfasst weiterhin einen Stator 4 und einen Rotor 5 für einen elektrischen Antrieb, d. h. der Stator 4 und der Rotor 5 bilden eine elektrische Maschine. Der Rotor 5 ist mit einem zweiten Kupplungsabschnitt 6 drehfest verbunden. Der Rotor 5 ist mit einer Welle 7 verbunden. Die Welle 7 ist mit einem Pumpenrad 8 verbunden. Insbesondere ist der Rotor 5 koaxial zu der Welle 7 angeordnet. Der Rotor 5 ist axial verschiebbar entlang der Längserstreckung der Welle 7 in Richtung des Pumpenrades 8 jedoch drehfest mit der Welle 7 verbunden. Wie in Figur 2 gezeigt, ist der Rotor 5 dadurch drehfest mit der Welle 7 verbunden sowie axial verschiebbar gegenüber der Welle 7, dass der Rotor 5 an seinem Innenumfang 9 Erhebungen 10 aufweist, die in Nuten 11 eingreifen, welche unmittelbar am Außenumfang der Welle 7 angeordnet sein können, was jedoch weder in Figur 1 , noch Figur 2 gezeigt ist. Gemäß den Figuren 1 und 2 sind die Nuten 11 vielmehr am Außenumfang eines Zwischenelementes 12 angeordnet. Das Zwischenelement 12 ist, wie in Figur 1 gezeigt, koaxial zu der Welle 7 angeordnet und drehfest mit der Welle 7 verbunden. Das Zwischenelement 12 weist einen sich radial erstreckenden Bund 13 auf, an dem sich eine Druckfeder 14 mit einem zylindrischen Querschnitt an ihrem einen Ende abstützt, so dass der Rotor 5, welcher mit dem anderen Ende der Druckfeder 14 zusammenwirkt, entlang der Längserstreckung der Welle 7 axial in Richtung des ersten Kupplungsabschnittes 3 verschoben bzw. gedrängt wird, so dass der erste Kupplungsabschnitt 3 und der zweite Kupplungsabschnitt 6 eine kraft- oder formschlüssige Verbindung bilden, d. h. die Kupplung geschlossen ist und ein mechanischer Antrieb des Pumpenrades 8 über die Riemenscheibe 2 erfolgt. Auf diese Weise wird ein Totalausfall der Kühlmittelpumpe 1 vermieden, da die Kühlmittelpumpe 1 bedingt durch die Wirkung der Druckfeder 14 stets mechanisch angetrieben wird, was zwar nicht wirkungsgradoptimal ist, aber einen ständigen Kühlmittelfluss sicherstellt. Erfindungsgemäß erfolgt das Öffnen der Kupplung, d. h. die Trennung des ersten Kupplungsabschnittes 3 und des zweiten Kupplungsabschnittes 6 voneinander dadurch, dass die Wicklungen/Magnetspulen 4a des Stators 4 von einem elektrischen Strom durchflössen werden und sich ein Magnetfeld aufbaut und der Rotor 5, welcher ein magnetisches Material umfasst oder aus einem solchen Material gefertigt ist, wie z. B. einem weichmagnetischen Material, entgegen der Kraftwirkung der Druckfeder 14 axial entlang der Längserstreckung der Welle 7 in Richtung des Pumpenrades 8 verschoben wird. Mit anderen Worten umfasst der Rotor 5 ausgeprägte Pole/Schenkel 5a, wie in Figur 2 in der Ansicht von der Seite gezeigt ist, welche mit den Wicklungen 4a zusammenwirken. Insbesondere werden die Wicklungen 4a zunächst derart von einem elektrischen Strom durchflössen bzw. angesteuert, dass sich ein derart ruhendes Magnetfeld ausbildet, dass der Rotor 5 nicht in eine Rotation versetzt wird, sich also kein um die Längsachse der Welle 7 drehendes Magnetfeld ausbildet, wohl aber der Rotor 5 entgegen der Kraftwirkung der Druckfeder 14 axial entlang der Längserstreckung der Welle 7 in Richtung des Pumpenrades 8 verschoben wird, so dass der erste Kupplungsabschnitt 3 und der zweite Kupplungsabschnitt 6 voneinander getrennt werden bzw. die Kupplung geöffnet wird. Auf diese Weise erfolgt sowohl kein mechanischer Antrieb des Pumpenrades 8 über die Riemenscheibe 2, als auch kein elektrischer Antrieb des Pumpenrades 8 durch die mittels des Stators 4 bzw. die Wicklungen 4a und den Rotor 5 gebildete elektrische Maschine. Eine derartige Deaktivierung der Kühlmittelpumpe 1 kann z. B. beim Warmlauf einer Brennkraftmaschine zweckmäßig sein. Um die Kühlmittelpumpe 1 zu deaktivieren, ist folglich nur eine gewisse elektrische Energie erforderlich, wobei keine weiteren Bauteile erforderlich sind, da die sowieso vorhandenen Wicklungen 4a und der sowieso vorhandene Rotor 5 erfindungsgemäß als Kupplungsbetätigung/-aktuator zusammenwirken. Um den Rotor 5, wie vorgehend beschrieben, zur Trennung des ersten Kupplungsabschnittes 3 und des zweiten Kupplungsabschnittes 6 voneinander zu nutzen, können sämtliche Wicklungen 4a oder auch nur ein Teil der Wicklungen 4a von einem elektrischen Strom durchflössen werden. Natürlich können erfindungsgemäß für einen rein elektrischen Betrieb der Kühlmittelpumpe 1 die Wicklungen 4a derart von einem elektrischen Strom durchflössen werden, dass sich ein um die Längsachse/Rotationsachse der Welle 7 drehendes Magnetfeld ausbildet und einerseits der Rotor 5 entgegen der Kraftwirkung der Druckfeder 14 axial entlang der Längserstreckung der Welle 7 in Richtung des Pumpenrades 8 verschoben wird, so dass der erste Kupplungsabschnitt 3 und der zweite Kupplungsabschnitt 6 voneinander getrennt werden bzw. die Kupplung geöffnet wird und andererseits der Rotor 5 durch das Drehfeld magnetisch mitgezogen wird. Besonders bevorzugt ist die elektrische Maschine, umfassend den Rotor 5 und die Wicklungen 4a bzw. den Stator 4 als motorisch wirkende Reluktanzmaschine ausgeführt. Wie schon beschrieben, umfasst dabei der Rotor 5 keine Magnete/Magnetspulen, sondern ist aus einem Material, das zumindest weicheisenhaltiges Material umfasst. Wie in Figur 2 gezeigt, umfasst der Stator 4 neun Wicklungen 4a und der Rotor 5 umfasst sechs ausgeprägte Pole/Schenkel 5a. Diese Wicklungen 4a und Pole/Schenkel 5a wirken erfindungsgemäß z. B. im Sinne einer geschalteten Reluktanzmaschine zusammen. D. h. ausgehend von einer geschlossenen Kupplung, also wenn der erste Kupplungsabschnitt 3 und der zweite Kupplungsabschnitt 6 durch die Druckfeder 14 miteinander verbunden sind und ein mechanischer Antrieb des Pumpenrades 8 mittels der Riemenscheibe 2 erfolgt, wird zumindest ein Teil der neun Wicklungen/Magnetspulen 4a eingeschaltet bzw. wird an dieses eine Spannung angelegt, so dass ein elektrischer Strom fließt. Da das System, bestehend aus den Wicklungen/Magnetspulen 4a und den Polen/Schenkeln 5a, nach minimaler Reluktanz strebt, wird der Rotor 5 axial entlang der Längserstreckung der Welle 7 in Richtung des Pumpenrades 8 gegen die Wirkung der Druckfeder 14 verschoben, so dass der erste Kupplungsabschnitt 3 und der zweite Kupplungsabschnitt 6 voneinander getrennt werden, d. h. die Kupplung geöffnet wird, wobei im weiteren Verlauf die Wicklungen/Magnetspulen 4a abwechselnd von einem elektrischen Strom durchflössen werden, so dass die stromdurchflossenen Wicklungen/Magnetspulen 4a jeweils den nächstliegenden Pol/Schenkel 5a des Rotors 5 elektromagnetisch anziehen, wobei die Wicklungen/Magnetspulen 4a dann nicht mehr von einem Strom durchflössen werden, wenn die Pole/Schenkel 5a des Rotors 5 den Wicklungen/Magnetspulen 4a gegenüberstehen, welche sie anziehen. Erfindungsgemäß wird durch die elektromagnetische Anziehung des Rotors 5 in Richtung des Pumpenrades 8 der Rotor 5 einerseits gegen die Wirkung der Druckfeder 14 axial auf der Welle 7 verschoben sowie dabei die Kupplung geöffnet und andererseits der Rotor 5 durch das abwechselnde Durchfließen der Wicklungen/Magnetspulen 4a in eine Drehung versetzt, so dass ein Kühlmittelfluss erfolgt. Natürlich kann die elektrische Maschine auch als Synchron-Reluktanz-Maschine ausgeführt sein bzw. derart beliebig ausgeführt sein, dass der erfindungsgemäße Effekt der Betätigung der Kupplung zur Trennung des Pumpenrades 8 von der Riemenscheibe 2 einerseits und andererseits des darauf aufbauenden Betriebs der elektrischen Maschine, umfassend den Stator 4 und den Rotor 5 zum Antrieb des Pumpenrades 8, Anwendung findet. Alternativ kann natürlich anstelle der Druckfeder 14 eine Tellerfeder genutzt werden. Denkbar ist auch der Einsatz einer Zugfeder, die so positioniert ist, so dass der Rotor 5 entlang der Längserstreckung der Welle 7 axial in Richtung des ersten Kupplungsabschnittes 3 gezogen wird. Wie in Figur 3 gezeigt, kann der Stator 4 erfindungsgemäß einen sich radial erstreckenden Bund 15 aufweisen, so dass der Stator 4 sowohl den Umfang des Rotors 5, als auch eine Stirnseite 16 des Rotors 5 umschließt. Auf diese Weise wird das Magnetfeld derart beeinflusst, dass die Verschiebung des Rotors 5 gegenüber der Welle 7 axial entlang der Längserstreckung der Welle 7 unterstützt wird, wenn die Windungen 4a des Stators 4 von einem elektrischen Strom durchflössen werden. D. h. durch diese radiale Ausformung des Stators 4 bilden sich radial und axial wirksame Feldlinien aus, so dass die Verschiebung des Rotors 5 gegenüber der Welle 7 axial entlang der Längserstreckung der Welle 7 unterstützt wird. Diese Wirkung kann erfindungsgemäß dadurch verstärkt werden, dass auch der Rotor 5 einen sich radial erstreckenden Bund 17 aufweist, der an der Stirnseite 16 des Rotors 5 angeordnet ist, die dem sich radial erstreckenden Bund 15 des Stators 4 zugewandt ist. Figur 3 zeigt insofern eine weitere mögliche Ausführung der vorliegenden Erfindung, dass die Druckfeder 14 eine Tellerfeder ist. Außerdem ist gemäß Figur 3 der Rotor 5 dadurch drehfest mit der Welle 7 verbunden sowie axial verschiebbar gegenüber der Welle 7, dass der zweite Kupplungsabschnitt 6, auf dem der Rotor 5 drehfest und nicht axial verschiebbar angeordnet ist, an seinem Innenumfang nicht gezeigte Nuten aufweist und das Zwischenelement 12, das koaxial zu der Welle 7 angeordnet und drehfest mit der Welle 7 verbunden ist, am Außenumfang nicht gezeig- te Nuten aufweist, wobei in den jeweiligen Nuten zwischen Rotor 5 und Zwischenelement 12 Wälzkörper 18 angeordnet sind.