Beschreibung

Antriebsvorrichtung mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Schwungrad mit elektrischer Maschine

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung gemäß Ober ^¬ begriff des Patentanspruchs 1.

Antriebsvorrichtungen mit einer Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb einer Welle weisen häufig ein an der Welle angeordne ^¬ tes Schwungrad auf, das Ungleichformigkeiten in der Rotation der Welle, hervorgerufen durch Zundvorgange in der Verbrennungskraftmaschine, ausgleichen soll. In einer Vielzahl von Anwendungen derartiger Antriebsvorrichtungen, z.B. zum An- trieb von Radern eines Kraftfahrzeuges oder eines Propeller eines Schiffes, ist mit der Abtriebswelle des Verbrenungsmo- tors zusatzlich zumindest eine elektrische Maschine gekoppelt. Hierbei kann es sich um einen Generator und/oder einen Elektromotor handeln. Die elektrische Maschine umfasst hier- bei üblicherweise einen Stator und einen Rotor, die jeweils ein Erregersystem aufweisen (z.B. eine Wicklungsanordnung und/oder eine Anordnung von Permanentmagneten, die miteinander elektromagnetisch wechselwirken) .

So weisen beispielsweise Kraftfahrzeuge einen mit einer Antriebswelle gekoppelten Generator (die sogenannte „Lichtmaschine") zur Erzeugung von Strom für elektrische Verbraucher und zum Laden einer Batterie an Bord des Kraftfahrzeuges auf. Weiterhin weisen sie einen mit der Welle gekoppelten Elektro- motor (den sogenannten „Startermotor") zum Starten der Verbrennungskraftmaschine auf. Ein Kraftfahrzeug mit einem Hyb ^¬ ridantrieb weist einen weiteren direkt oder indirekt mit der Welle gekoppelten relativ leistungsstarken Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf.

Bei Schiffen ist beispielsweise ein mit einer Propellerwelle gekoppelter Generator (ein sogenannter „Wellengenerator") zur Erzeugung von elektrischer Energie für das Bordnetz des

Schiffes bekannt. Es sind auch mit der Propellerwelle gekop ^¬ pelte Wellenmotoren bekannt, die beispielsweise zur Erzielung der Maximaigeschwindigkeit des Schiffes zusätzlich zur Verbrennungskraftmaschine Drehmoment auf die Propellerwelle ab- geben können (die Elektromotoren werden dann als „Booster" bezeichnet) oder die als ein Notantrieb für das Schiff bei einem Ausfall der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden.

Derartige Antriebsvorrichtungen können somit eine Vielzahl von mit der Welle gekoppelter Komponenten mit entsprechendem Platz- und Gewichtsbedarf umfassen. Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, den Platz- und Gewichtsbedarf einer derartigen Antriebsvorrichtung zu verringern. Es soll dabei auch eine bereits vorhandene Antriebsvorrichtung mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Schwungrad mit geringem Aufwand auf eine erfindungsgemaße Antriebsvorrichtung umrüstbar sein. Dies insbesondere dann, wenn die Antriebsvorrichtung in einem Maschinenraum, z.B. innerhalb eines Gebäudes oder Schiffes, angeordnet ist, der größere Umbauten aus Platzgrunden nicht zulasst.

Die Losung dieser Aufgabe gelingt durch eine Antriebsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteranspruche 2 bis 10. Eine be- sonders vorteilhafte Verwendung der Antriebsvorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruchs 11.

Erfmdungsgemaß ist an dem Schwungrad ein Erregersystem angeordnet, wobei die Antriebsvorrichtung einen ringförmigen Sta- tor umfasst, der derart um das Schwungrad angeordnet ist, dass er mit dem Schwungrad und dem Erregersystem eine elekt ^¬ rische Maschine bildet. Das Schwungrad bildet somit den Rotor der elektrischen Maschine. Folglich ist kein separater Rotor für die elektrische Maschine notwendig, wodurch Platz und Ge- wicht eingespart werden kann. Unter einem Schwungrad wird hierbei eine Komponente verstanden, die primär mit dem Ziel vorhanden ist, Drehungleichformigkeiten der Welle auszugleichen. Das Schwungrad bzw. der Rotor kann dabei drehbar in dem

ringförmigen Stator gelagert sein. Alternativ kann der Stator auch frei gegenüber der Welle aufgehängt sein. Der Stator kann hierzu beispielsweise auf einem Fundament ruhen und über das Fundament gegenüber der Welle frei aufgehängt sein. Eine abstutzende Lagerung des Stators auf der Welle ist dagegen nicht notwendig und deshalb auch nicht vorgesehen. Die elekt ^¬ rische Maschine hat daher in Richtung der Drehachse der Welle im Vergleich zu einem Schwungrad nahezu keinen zusätzlichen Platzbedarf. Bei einer schon vorhandenen Antriebsvorrichtung muss nur das Erregersystem auf dem Schwungrad nachgerustet und der ringförmige Stator um das Schwungrad herum angeordnet werden. Der ringförmige Stator kann dabei aus mehreren Ringsegmenten bestehen, die in Einzelteilen zu der Antriebsvorrichtung gebracht und dann dort vor Ort zu dem Statorring zu- sammengebaut werden können. Aufgrund der vorgenannten Vorteile können schon bestehende Antriebsvorrichtungen ohne größere Umbauten und Eingriffe in den Antriebsstrang auf erfindungs- gemaße Antriebsvorrichtungen umgerüstet werden.

Das Erregersystem kann dabei an einer Umfangsseite des

Schwungrades angeordnet sein. Eine Umfangsseite wird hierbei durch die äußere radiale Begrenzungsflache des Schwungrades definiert. Hierdurch ist ein konstruktiv besonders einfacher Aufbau der elektrischen Maschine möglich.

Das Erregersystem kann aber auch an einer Stirnseite des Schwungrades angeordnet sein. Eine Stirnseite wird hierbei durch eine äußere axiale Begrenzungsflache des Schwungrades definiert. Hierdurch kann der Durchmesser und somit der Platzbedarf der elektrischen Maschine m radialer Richtung etwas kleiner gehalten werden.

Das Erregersystem kann aber auch sowohl an der Umfangsseite als auch an einer oder beiden Stirnseiten des Schwungrades angeordnet sein. Hierdurch kann die aktive Flache des Erre ^¬ gersystems und somit auch die Leistung der elektrischen Maschine vergrößert werden.

Die elektrische Maschine kann dabei derart ausgebildet sein, dass sie als Motor zum Antrieb des Schwungrades betreibbar ist. Eine derartige elektrische Maschine stellt dann im Grunde einen sogenannten Elektroπngmotor (häufig auch als „RIM- Drive" bezeichnet) dar. Em derartiger Motor kann aufgrund seines Kraftangriffes am Schwungrad mit seinem relativ großen Außendurchmesser ein besonders hohes Drehmoment erzielen. Dies gilt insbesondere, wenn es sich um einen permanentmagnetisch erregten Motor handelt, d.h. wenn das auf dem Schwung- rad angeordnete Erregersystem aus einer Anordnung von Permanentmagneten besteht.

Die elektrische Maschine kann dann derart ausgelegt sein, dass durch sie im Motorbetrieb durch Antrieb des Schwungrades die Verbrennungskraftmaschine startbar ist. Die elektrische Maschine kann hierdurch als Startermotor für die Verbrennungskraftmaschine genutzt werden.

Zusätzlich oder alternativ kann die elektrische Maschine der- art ausgelegt sein, dass bei einem Antrieb der Welle durch die Verbrennungskraftmaschine mittels der elektrischen Maschine im Motorbetrieb ein zusatzliches Drehmoment auf die Welle abgebbar ist. Die elektrische Maschine kann dann als Zusatzelektroantπeb, beispielsweise als „Booster" genutzt werden, wodurch ein Hybridantrieb entsteht.

Zusätzlich oder alternativ kann die elektrische Maschine auch derart ausgelegt sein, dass sie als von der Welle angetriebener Generator zur Versorgung zumindest eines elektrischen Verbrauchers oder Energiespeichers mit elektrischer Energie betreibbar ist. Aufgrund des relativ großen Durchmessers des Schwungrades und der dadurch bedingten relativ großen Relativgeschwindigkeit zwischen dem Stator und dem Schwungrad entstehen beim Generatorbetrieb in dem Stator schnell hohe Strome. In einem Kraftfahrzeug kann die elektrische Maschine dann beispielsweise als Lichtmaschine genutzt werden.

Bevorzugt ist die elektrische Maschine sowohl als Motor als auch als Generator betreibbar. In einem Kraftfahrzeug kann sie dann sowohl als Startermotor, als zusätzlicher Elektroan- trieb und auch als Lichtmaschine genutzt werden. Auf diese Weise können die bisher separaten Komponenten Schwungrad, Generator, Startermotor und Elektrozusatzantπeb in einer ein ^¬ zigen Komponente zusammengefasst und folglich in besonders hohem Maße Platz und Gewicht eingespart werden.

Bevorzugt umfasst die Antriebsvorrichtung eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Drehmomentabgabe der elektrischen Maschine an die Welle bzw. der Drehmomentaufnahme der elektrischen Maschine von der Welle derart, dass sie Drehungleich- formigkeiten der Welle entgegenwirkt. Somit können beispiels- weise Anteile der auf den Zundfreguenzen der Verbrennungskraftmaschine beruhenden Drehungleichformigkeiten aus der Rotation herausgefiltert werden.

Dies kann sogar dazu fuhren, dass die Verbrennungskraftma- schine über die Welle ohne eine zwischengeschaltete elastische Kupplung mit einer Last kuppelbar ist.

Bevorzugt ist das Schwungrad zwischen der Verbrennungskraft ^¬ maschine und einer Last auf der Welle angeordnet und eine Schaltkupplung ist zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Schwungrad angeordnet, um die Verbrennungskraftmaschine von der Welle zu trennen. Hierdurch wird beispielsweise bei einem Ausfall der Verbrennungskraftmaschine ein Notantrieb mit niedriger Drehzahl durch die elektrische Maschine ermog- licht. Es ist auch möglich ein solches Schwungrad ohne Kupplung an die Abtriebsseite und/oder an die Ruckseite der Verbrennungskraftmaschine zu montieren.

Wenn das Erregersystem und das Schwungrad eine integrale Ein- heit bilden, so dass das Schwungrad den Rotor bzw. Laufer der elektrischen Maschine bildet, kann der Platzbedarf der elektrischen Maschine in radialer Richtung besonders klein gehalten werden.

Aufgrund der geringen Platz- und Gewichtsanforderungen eignet sich die erfindungsgemaße Antriebsvorrichtung vor allem zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Antrieb von Radern des Kraftfahrzeuges oder in einem Wasserfahrzeug zum Antrieb eines Propellers.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteranspruche werden im Folgenden anhand von Ausfuhrungsbeispielen in den Figuren naher erläutert; darin zeigen:

FIG 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Antriebsvorrichtung mit einem auf der Umfangsseite des Schwungrades angeordneten Erregersystem, FIG 2 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Antriebsvorrichtung mit einem auf einer Stirnseite des Schwungrades angeordneten Erregersystem und

FIG 3 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Antriebsvorrichtung mit einem sowohl auf der Umfangsseite als auch auf den Stirnseiten des Schwungrades angeordneten Erregersystem.

FIG 1 zeigt eine Antriebsvorrichtung 1 mit einer Verbren ^¬ nungskraftmaschine 2 zum Antrieb einer Welle 3, die um eine Drehachse 15 drehbar ist. Die Welle 3 dient wiederum zum Antrieb einer Last, hier einen Propeller P eines Wasserfahrzeuges. Im Falle eines Kraftfahrzeuges kann es sich bei der Last beispielsweise auch um Rader des Kraftfahrzeuges handeln.

Ein Schwungrad 4 ist drehfest mit der Welle 3 verbunden und dient zum Ausgleich von Drehungleichformigkeiten der Welle 3, die durch Zundvorgange in der Verbrennungskraftmaschine 2 hervorgerufen werden. Das Schwungrad 4 ist dabei zwischen der Verbrennungskraftmaschine 2 und dem Propeller P angeordnet. Das Schwungrad 4 weist eine Umfangsseite 10 und eine erste und eine zweite Stirnseite 11 bzw. 12 auf. An der Umfangsseite 10 ist ein Erregersystem 9 angeordnet. Bei dem Erregersys-

tem 9 kann es sich um eine Wicklungsanordnung oder um eine Anordnung von Permanentmagneten handeln.

Die Antriebseinrichtung 1 umfasst weiterhin einen Stator 6, der derart angeordnet ist, dass er mit dem Schwungrad 4 und dem darauf angeordneten Erregersystem 9 eine elektrische Ma ^¬ schine 5 bildet. An dem Stator 6 ist hierzu ebenfalls ein Erregersystem 8 angeordnet. Bei dem Erregersystem 8 handelt es sich beispielsweise um eine Wicklungsanordnung. Der Stator 6 ist ringförmig mit einer Ringinnenseite 16 und einer Ringau ^¬ ßenseite 17 ausgebildet, wobei das Erregersystem 8 an der Ringinnenseite 16 angeordnet ist. Das Erregersystem 8 und das Schwungrad 4 bilden dabei eine integrale Einheit, so dass das Schwungrad 4 den Rotor 7 bzw. Laufer der elektrischen Maschi- ne 5 bildet.

Zwischen dem rotorseitigen Erregersystem 9 und dem statorsei- tigen Erregersystem 8, die nur durch einen kleinen Spalt voneinander getrennt angeordnet sind, findet beim Betrieb der elektrischen Maschine 5 eine elektromagnetische Wechselwirkung statt.

Die Verbrennungskraftmaschine 2 und der Stator 6 sind beide starr miteinander verbunden. Dies kann zum Beispiel, wie dar- gestellt, über ein Fundament, hier eine Bodenplatte 14, geschehen .

Eine abstutzende Lagerung des Stators 6 auf der Welle 3 ist nicht vorhanden. Vielmehr ist das Schwungrad 4 bzw. der Rotor 7 über nicht naher dargestellte Lager um die Achse 15 drehbar in der Ringinnenseite 16 des Stators 6 gelagert. Alternativ kann der Stator 6 auch über die Bodenplatte 14 gegenüber der Welle 3 frei aufgehängt sein. Hierdurch ergibt sich eine in Richtung der Drehachse 15 sehr kurz bauende Anordnung.

Eine Lagerung der Welle 3 kann hierbei über nicht naher dargestellte Lager direkt an der Welle 3 oder aber auch durch

eine drehbare Lagerung des Schwungrades 4 bzw. Rotors 7 in dem Stator 6 erfolgen.

Die elektrische Maschine 5 ist derart ausgebildet, dass sie sowohl als Motor zum Antrieb der Welle 3 als auch als von der Welle 3 angetriebener Generator betreibbar ist.

Die elektrische Maschine 5 ist dabei derart ausgelegt, dass durch sie im Motorbetrieb durch Antrieb der Welle 3 die Verbrennungskraftmaschine 2 startbar ist. Die elektrische Ma ^¬ schine 5 dient dann als Startermotor für die Verbrennungskraftmaschine 1.

Die elektrische Maschine 5 ist zusatzlich oder alternativ derart ausgelegt, dass bei einem Antrieb der Welle 3 durch die Verbrennungskraftmaschine 1 mittels der elektrischen Maschine 5 im Motorbetrieb ein zusatzliches Drehmoment auf die Welle 3 abgebbar ist. Die elektrische Maschine 5 dient dann beispielsweise als Boostermotor für die Verbrennungskraftma- schine 1.

In der Welle 3 ist zwischen der Verbrennungskraftmaschine 2 und dem Schwungrad 4 eine mechanisch starre Kupplung 13 ange ^¬ ordnet. Bei einem Ausfall der Verbrennungskraftmaschine 2 kann dann die Verbrennungskraftmaschine 2 von der Welle 3 getrennt werden, so dass ein Notantrieb mit geringer Drehzahl durch die elektrische Maschine 5 möglich ist.

Grundsatzlich kann die elektrische Maschine 5 naturlich nicht nur zum Starten der Verbrennungskraftmaschine 2 oder als

Booster verwendet werden, sondern generell als Zusatzelektro- antπeb verwendet werden und zusammen mit der Verbrennungskraftmaschine 2 einen Hybridantrieb bilden, bei dem in Abhängigkeit von bestimmten Parametern, wie z.B. dem Kraftstoff- verbrauch, für bestimmte Drehzahl- oder Drehmomentbereiche die elektrische Maschine 5 im Verbund mit der Verbrennungskraftmaschine 2 oder alleine die Welle 3 antreibt.

Die elektrische Maschine 5 wird hierbei über einen Stromrich ^¬ ter 20 mit elektrischem Strom aus einer Batterie 21 versorgt. Natürlich ist auch eine Stromversorgung aus einem Bordnetz oder von einem Stromgenerator möglich.

Die elektrische Maschine 5 ist zusätzlich oder alternativ derart ausgebildet, dass sie als von der Welle 3 angetriebener Generator betreibbar ist. Die elektrische Maschine 5 ladt dann über den Stromrichter 20 die Batterie 21 oder eine ande- re geeignete Speichereinrichtung. Auch hier ist es natürlich denkbar, dass der Strom in ein Bordnetz statt in eine Batterie gespeist wird oder direkt zur Speisung einer elektrischen Last genutzt wird.

Eine Regelungseinrichtung 22 dient zur Regelung der Drehmomentabgabe der elektrischem Maschine 5 an die Welle 3 im Motorbetrieb bzw. der Drehmomentaufnahme der elektrischen Maschine 5 von der Welle 3 im Generatorbetrieb derart, dass Drehungleichformigkeiten der Welle durch die Drehmomentabgabe bzw. Drehmomentaufnahme entgegenwirkt wird. Somit können beispielsweise Anteile der auf den Zundfrequenzen der Verbrennungskraftmaschine 2 beruhenden Drehungleichformigkeiten aus der Rotation herausgefiltert werden. Dies kann sogar dazu fuhren, dass die Verbrennungskraftmaschine 2 ohne eine zwi- schengeschaltete elastische Kupplung mit einer Last, hier dem Propeller P, kuppelbar ist. Entsprechende Regelverfahren sind z.B. von der aktiven Schallausloschung bekannt.

Die Regelungseinrichtung 22 ist hierzu über eine Signallei- tung 25 mit einem an der Welle 3 angeordneten Sensor 26 verbunden und erfasst hierüber auf direktem Weg Signale, die die Drehungleichformigkeiten der Welle 3 repräsentieren. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensor 26 um ein Mikrofon handeln, da sich Drehungleichformigkeiten in dem von der WeI- Ie 3 abgestrahlten Schall niederschlagen. Entsprechende Daten können alternativ und/oder ergänzend auch über eine Signal- leitung 27 aus einer Einspritz- oder Zündanlage 28 der Verbrennungskraftmaschine 2, z.B. durch Auswertung der Zund-

Zeitpunkte und/oder Einspritzmengen des Luft-Kraftstoffge- misches, gewonnen werden.

Drehungleichformigkeiten der Welle 3 schlagen sich aber auch in dem Strom nieder, der der elektrischen Maschine 5 über den Stromrichter 20 im Motorbetrieb zugeführt bzw. ihr im Genera ^¬ torbetrieb über den Stromrichter 20 abgeführt wird. Die Regelungseinrichtung 22 ist deshalb zusätzlich oder alternativ über eine Signalleitung 23 mit einem Stromsensor 24 zur Mes- sung des der Maschine 5 zugefuhrten bzw. abgeführten Stromes verbunden .

Die von dem Sensor 24, dem Sensor 26 und/oder von der Em- spπtz- oder Zündanlage 28 erhaltenen Signale werden in der Regelungseinrichtung 22 verarbeitet und daraus Regelsignale für den Stromrichter 20 erzeugt, über den der der elektrischen Maschine 5 zugefuhrte bzw. abgeführte Strom geregelt wird. Die Regelungseinrichtung 22 ist hierzu über eine Leitung 29 mit dem Stromrichter 20 verbunden.

Eine in FIG 2 vereinfacht gezeigte Antriebsvorrichtung 30 unterscheidet sich von der in FIG 1 gezeigten Antriebsvorrichtung dadurch, dass sie ein rotorseitiges Erregersystem 9' aufweist, das in einem radial äußeren Bereich auf der der Verbrennungskraftmaschine 2 abgewandten Stirnseite 12 statt auf der Umfangsseite 10 des Schwungrades 4 angeordnet ist. In entsprechender Weise ist das statorseitige Erregersystem 8' auf einer dem Schwungrad 4 zugewandten inneren Stirnseite des Stators 6 angeordnet. Hierdurch kann der Durchmesser der elektrischen Maschine 5 und somit der Platzbedarf der Antriebsvorrichtung 1 in radialer Richtung bei gleicher elektrischer Leistung etwas kleiner gehalten werden.

Eine in FIG 3 gezeigte Antriebsvorrichtung 40 unterscheidet sich von den in FIG 1 und FIG 2 gezeigten Antriebsvorrichtungen 1 bzw. 30 dadurch, dass sie ein rotorseitiges Erregersystem 9' ' aufweist, das sowohl an der Umfangsseite 10 als auch in einem radial äußeren Bereich an beiden Stirnseite 12 des

Schwungrades 4 angeordnet rst. Das Erregersystem 9'' weist somit im Querschnitt ein U-Profil auf. In entsprechender Wei ^¬ se weist das statorseitige Erregersystem 8'' im Querschnitt ebenfalls ein U-Profil auf. Hierdurch können bei vergleichs- weise etwas größerem Platzbedarf der elektrischen Maschine 3 die aktiven Flachen auf Rotor- und Standerseite und somit auch die Leistung der elektrischen Maschine 3 vergrößert werden .

Mit der Erfindung können somit die Komponenten Schwungrad,

Startermotor, Generator (Lichtmaschine) und/oder Zusatzelekt- roantπeb (z.B. Boosterantrieb) in einer einzigen Komponente zusammengefasst werden. Hierdurch sind enorme Einsparungen hinsichtlich Platz- und Gewichtsbedarf bei einer Antπebsvor- πchtung mit einem Schwungrad möglich.

Schon bestehende Antriebsvorrichtungen können ohne größere Umbauten und Eingriffe in den Antriebsstrang auf erfindungs- gemaße Antriebsvorrichtungen umgerüstet werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass an der Außenseite eines schon vorhandenen Schwungrades ein Erregersystem nachge- rustet, der ringförmige Stator um das Schwungrad herum gelegt und an dem Fundament der Verbrennungskraftmaschine befestigt wird. Der ringförmige Stator kann dabei aus mehreren Ringseg- menten bestehen, die in Einzelteilen zu der Antriebsvorrichtung gebracht und dann dort vor Ort zu dem Statorring zusammengebaut werden können.

Besonders vorteilhaft ist die elektrische Maschine 5 als eine HTS (Hochtemperatursupraleiter) -Maschine ausgeführt. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die HTS-Maschine mit einer „heißen Welle" ausgeführt ist, d.h. die Wicklungen des sta- torseitigen Erregersystems 8, 8', 8'' bestehen aus Hochtempe- ratursupraleitern, die zu ihrer Kühlung in einem Kryostaten angeordnet sind, wahrend die Wicklungen des rotorseitigen Er ^¬ regersystems 9, 9', 9'' aus konventionellen, d.h. nicht supraleitenden, Leitern bestehen.