Die Erfindung betrifft einen Starter/Generator für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.

Kraftfahrzeuge und andere mit Verbrennungsmotor ausgerüste- te Fahrzeuge benötigen i.a. einen elektrischen Starter zum Starten des Verbrennungsmotors sowie einen Generator zur Versorgung elektrischer Verbraucher sowie zum Laden einer Batterie, welche u.a. die zum Starten benötigte elektrische Energie liefert. Seit der Frühzeit des Automobilbaus sind Starter und Generator in der Regel zwei gesonderte elek¬ trische Maschinen, die an ihre jeweilige Funktion besonders angepaßt sind. Ein Starter muß relativ hohe Drehmomente bei relativ niedriger Verbrennungsmotor-Drehzahl aufbringen und ist daher herkömmlicherweise hoch gegenüber dem Verbren- nungsmotor übersetzt. Er läuft nicht dauernd mit, sondern wird nur für den Startvorgang mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt. Ein Generator läuft hingegen permanent mit dem Verbrennungsmotor und erreicht bei relativ hoher Überset¬ zung hohe Drehzahlen.

Die Vereinigung dieser beiden Funktionen in ein und der¬ selben elektrischen Maschine ist ein anstrebenswertes Ziel,

da hierdurch eine der beiden herkömmlicherweise benötigten Maschinen eingespart werden kann.

Eine Möglichkeit, trotz der unterschiedlichen Anforderungen an Starter und Generator beide Maschinen zu vereinen, ist aus G. Henneberger: "Elektrische Motorausrüstung", Vieweg, Braunschweig 1990, S. 98 - 103 bekannt. Gemäß diesem Vor¬ schlag startet die elektrische Maschine - bei der es sich um eine wechselrichtergesteuerte Drehfeldmaschine handelt - den Verbrennungsmotor nicht selbst, sondern beschleunigt ein (zunächst vom Verbrennungsmotor entkoppeltes) Schwung¬ rad. Bei Erreichen einer ausreichend hohen Drehzahl wird das Schwungrad mit Hilfe einer Reibkupplung mit der Kurbel¬ welle des Verbrennungsmotors gekoppelt. Die im Schwungrad gespeicherte Rotationsenergie wirft dann den Verbrennungs¬ motor an. Im Generatorbetrieb ist die elektrische Maschine permanent durch die Reibkupplung mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt. Diese Lösung hat den Vorteil, daß die Leistungen und Drehmomente der elektrischen Maschine beim Starten und im Generatorbetrieb ähnlich sind. Nachteilig sind aber die große mechanische Belastung der Reibkupplung beim Einkup¬ peln des schnell laufenden Schwungrads, die u.a. zu Kupp¬ lungsverschleiß führt, sowie eine Totzeit vor jedem Start¬ vorgang, welche jeweils zum Beschleunigen des Schwungrads benötigt wird.

Die Erfindung geht einen anderen Weg, einen auf einer ge¬ meinsamen elektrischen Maschine basierenden Starter/Genera¬ tor für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ver- brennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Und zwar hat der erfindungsgemäße Starter/Generator eine elektrische Drehfeldmaschine, welche die Starter¬ und Generatorfunktion ausübt; und wenigstens einen Wechselrichter zum Erzeugen der für die magnetischen Felder der elektrischen Maschine be¬ nötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase;

wobei die elektrische Maschine den Verbrennungsmotor im Zusammenlauf aus dem Stand startet (Anspruch 1) .

Bei einem "Zusammenlauf" bleibt das Verhältnis der momen- tanen Drehzahlen des elektrischen Motors und des Antriebs¬ aggregats - im Unterschied zu dem o.g. Schwungradstarter - im wesentlichen konstant (und zwar hat es insbesondere den Wert Eins) . Zusammenlauf "aus dem Stand" bedeutet, daß die elektrische Maschine und das Antriebsaggregat - anders als bei dem o.g. Schwungrad-Starter - gemeinsam aus dem Stand hochlaufen.

Eine "elektrische Maschine" ist jede Art von Maschine für Rotationsbewegungen, die sowohl als elektrischer Motor wie auch als elektrischer Generator betrieben werden kann. Unter "Drehfeldmaschine" wird - im Gegensatz zu einer Stromwendermaschine - eine insbesondere kommutatorlose Maschine verstanden, in der ein magnetisches Drehfeld auf¬ tritt, das vorzugsweise 360° überstreicht.

Der Wechselrichter kann die für die magnetischen Felder benötigten Spannungen und/oder Ströme mit (innerhalb gewis¬ ser Grenzen) frei wählbarer Frequenz, Amplitude und/oder Phase erzeugen.

Der erfindungsgemäße Starter/Generator hat folgende Vor¬ teile: Aufgrund des Zusammenlaufs aus dem Stand erfolgt das Starten schnell und ohne Totzeit, - ist der Starter/Generator praktisch verschleißfrei, - erreicht der Starter/Generator einen relativ hohen Wirkungsgrad (da keine Energie für Kupplungserwärmung und -verschleiß verbraucht wird) , kann die Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und elek¬ trischer Maschine entfallen. Gegenüber Fahrzeugen mit herkömmlichen gesonderten Starter¬ und Generatormaschinen bringt die Erfindung eine deutliche Gewichtsreduzierung.

Die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Starter/- Generators läuft - anders als ein herkömmlicher Starter - vorteilhaft permanent mit dem Verbrennungsmotor. Eine dort benötigte Einspur- und FreilaufVorrichtung kann daher hier entfallen.

Vorzugsweise sind die Relativdrehzahlen von Verbrennungs¬ motor und elektrischer Maschine im Starter- und Generator¬ betrieb gleich (Anspruch 2) . Das heißt, die Übersetzung der elektrischen Maschine ist bei beiden Betriebsarten gleich, und wird nicht etwa beim Übergang vom Starter- zum Genera¬ torbetrieb verringert.

Grundsätzlich kann die Kopplung der elektrischen Maschine mit einer Triebwelle des Verbrennungsmotors mittelbar sein, z.B. über ein Getriebe. Bevorzugt ist die elektrische Ma¬ schine aber direkt mit der Triebwelle des Verbrennungsmo¬ tors (z.B. der Kurbelwelle) oder eines Triebstrangs (z.B. der Antriebswelle einer Kupplung oder eines Gangschalt- oder Automatikgetriebes) gekoppelt oder koppelbar (Anspruch 3) . Unter einer "direkten" Kopplung" wird insbesondere eine getriebelose Kopplung des Läufers der elektrischen Maschine mit der Triebwelle verstanden. Es handelt sich also nicht etwa um eine indirekte Kopplung über Ritzel oder Zugmittel (z.B. Keilriemen). Die Drehzahl des Läufers gleicht vor¬ zugsweise der Drehzahl des Verbrennungsmotors.

Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher die elektrische Maschine auf der Triebwelle oder einer ggf. koppelbaren Verlängerung sitzt und drehfest mit ihr ver¬ bunden ist (Anspruch 4) . Vorteile sind ein relativ geringer Aufwand aufgrund der kleinen Anzahl beweglicher und kraft¬ übertragender Teile, Verschleißfreiheit sowie vollständige Geräuschlosigkeit beim Starten.

Die elektrische Drehfeldmaschine ist vorzugsweise eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine oder eine Reluk-

tanzmaschine, insbesondere für Drehstrom, z.B. Drei-Phasen- Strom (Anspruch 5). Eine Asynchronmaschine hat i.a. einen relativ einfach aufgebauten Läufer (i. a. einen Läufer mit Kurzschlußwicklungen oder Wicklungen, deren Enden an Schleifringe geführt sind) , in dem durch die magnetischen Drehfelder des Ständers, die der Bewegung des Läufers vor- oder nacheilen, Ströme induziert werden. Sie weist daher hinsichtlich der Erstellungskosten und der mechanischen Belastbarkeit Vorteile auf, ist jedoch steuerungstechnisch aufwendiger, da Betrag und Phasenwinkel des Läuferεtromes lastabhängig, aber nicht direkt über Ständergrößen meßbar, sondern nur errechenbar sind. Hingegen haben Synchronma¬ schinen Läufer mit vorgegebenen ausgeprägten Polen, die durch Permanent- oder Elektromagnete erzeugt werden. Die Elektromagnete können z.B. über Schleifringe mit Strom gespeist werden. Synchronmaschinen haben im allgemeinen höhere Erstellungkosten, sind aber steuerungstechnisch einfacher zu handhaben, da bei ihnen das Drehmoment im wesentlichen vom Läuferwinkel abhängt, der mit Hilfe eines Läuferlage-Gebers direkt meßbar ist. Sie erfordern daneben einen geringeren Aufwand in der Leistungselektronik, können kompakter ausgeführt sein, haben einen geringeren Rückkühl¬ bedarf und erzielen einen besseren Wirkungsgrad. Reluk¬ tanzmaschinen gehören im weiteren Sinn zu den Synchronma- schinen.

Insbesondere bei der Asynchronmaschine erfolgt die Steue¬ rung der elektrischen Maschine vorzugsweise auf der Grund¬ lage einer feldorientierten Regelung (sog. Vektorregelung) . Hierbei wird, ausgehend von direkt meßbaren momentanen Größen, wie angelegte Spannung, Ständerstrom und ggf. Dreh¬ zahl, anhand eines rechnerischen dynamischen Maschinenmo¬ dells der Ständerstrom in eine drehmomentbildende Komponen¬ te, die mit dem Läuferfluß das Drehmoment erzeugt, und eine senkrecht dazu verlaufende, den Maschinenfluß erzeugende Komponente rechnerisch zerlegt und so das Drehmoment er¬ mittelt. Diese Steuerungstechnik erlaubt es - obwohl die

Stromverhältnisse im Läufer nicht direkt meßbar sind - ein gewünschtes Drehmoment mit hoher Genauigkeit einzustellen.

Bei dem erfindungsgemäßen Starter/Generator handelt es sich um ein dem Verbrennungsmotor zugeordnetes Hilfssystem. Wegen seines Hilfs-Charakters sollte er relativ zum Ver¬ brennungsmotor wenig Raum beanspruchen, also möglichst kompakt sein. Dabei muß der Starter/Generator zum Starten relativ hohe Drehmomente aufbringen können und soll für die Generatorfunktion einen möglichst hohen Wirkungsgrad auf¬ weisen. Die im folgenden genannten vorteilhaften Maßnahmen dienen u.a. einem kompakten Aufbau bei großer Drehmoment¬ abgabe und hohem Wirkungsgrad.

Eine Maßnahme zur Erzielung hoher Kompaktheit liegt darin, daß die drehfelderzeugende Wirkeinheit der elektrischen Maschine (das heißt i.a. der Ständer) wenigstens 8 magne¬ tische Pole (bezogen auf 360°) hat (Anspruch 6). Besonders vorteilhaft sind feinere Polteilungen, entsprechend z.B. 10, 12, 14, 16 oder mehr Polen (bei kreisförmig geschlos¬ sener Maschine) . Zu der Art und Weise, wie man Drehstrom¬ wicklungen mit einer bestimmten Anzahl von Polen reali¬ siert, wird z.B. verwiesen auf G. und H. Häberle: "Elektri¬ sche Maschinen in Anlagen der Energietechnik", Verlag Euro- pa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 3. Auflage, 1994, Seiten 169 - 172.

Eine hohe Polzahl erlaubt es unter anderem, die Wickelköpfe des Ständers klein auszubilden, und zwar sowohl in Axial- wie auch in Umfangsrichtung der Maschine, so daß die Ma¬ schine in Axialrichtung insgesamt kürzer ausgebildet sein kann. Vorzugsweise beträgt der axiale Überstand der Wickel¬ köpfe auf jeder Seite des Ständers nur 5 - 25 mm, insbeson¬ dere 10 - 20 mm. Die axiale Breite des Ständerrückens be- trägt vorzugsweise 25 - 100 mm. Bei einem Überstand von 2 mal 15 mm und einer Rückenbreite von 40 mm ergibt sich beispielsweise eine axiale Gesamtbreite des Ständers von 70

mm, wobei das Verhältnis von Rückenbreite zu Gesamtbreite 0,57 beträgt. Vorzugsweise liegt dieses Verhältnis zwischen 0,4 und 0,8, besonders vorzugsweise zwischen 0,55 und 0,8. Neben dem Vorteil einer kompakteren Ausbildung der Maschine sind wegen der geringeren Wickeldrahtlänge - kleinere Wik- kelköpfe benötigen weniger nicht-aktiven Wicklungsdraht - die ohmschen Verluste geringer. Ferner ist das Streufeld (das den Blindleistungsanteil wesentlich bestimmt) kleiner, da es von der Wickelkopffläche abhängt.

Eine feine Polteilung erlaubt unter anderem, den Ständer¬ rücken für den magnetischen Rückfluß dünner (und damit auch leichter) auszubilden, mit der Folge, daß bei gleichem Au¬ ßendurchmesser der Maschine der Läufer einen größeren Durchmesser haben kann. Größerer Läuferdurchmesser führt wegen des in Umfangsrichtung längeren Luftspaltes und des größeren wirksamen Hebelarms zu einem größeren Drehmoment. Die Dicke des Rückens in Radialrichtung, die sich zusammen¬ setzt aus der Höhe von Zähnen und der Dicke des durchgehen- den Rückenteils, beträgt vorteilhaft 10 - 50 mm, vorzugs¬ weise 15 - 30 mm und ist besonders vorzugsweise kleiner oder gleich 25 mm. Der Außendurchmesser des Rückens beträgt vorzugsweise 230 - 450 mm und besonders vorzugsweise 250 mm - 350 mm. Das Verhältnis von zweifacher Rückendicke zum Rückenaußendurchmesser beträgt vorzugsweise 0,05 - 0,25 und besonders vorzugsweise 0,1 - 0,2. Beispielsweise hat eine Maschine mit einem Rückenaußendurchmesser von 300 mm eine Zahnhöhe von 15 mm und eine Dicke des durchlaufenden Rük- kenteils von 10 mm, insgesamt also eine Rückendicke von 25 mm. Das obige Verhältnis beträgt dann 50 mm zu 300 mm, also 0,167.

Insgesamt führen somit eine feine Polteilung, kleine Wik- kelköpfe und ein dünner Ständerrücken zu einer kompakteren und leichteren Maschine.

Bei schnell laufenden Drehfeld-Maschinen sind hohe Polzah¬ len unüblich, da sie eine relativ hohe Polwechselfrequenz bedingen. Ein üblicher Wert für die Polwechselfrequenz be¬ trägt beispielsweise 120 Hz. Die im Rahmen der Erfindung verwendete elektrische Maschine hat hingegen vorteilhaft eine hohe maximale Polwechselfrequenz, vorzugsweise zwi¬ schen 300 und 1600 Hz und mehr, besonders vorzugsweise zwischen 400 Hz und 1500 Hz (Anspruch 7) .

Um den Einfluß von Wirbelströmen im Ständer - die mit stei¬ gender Polwechselfrequenz zunehmen - zu verringern, weist der Ständer vorteilhaft dünne Ständerbleche, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,35 mm oder weniger, besonders vor¬ zugsweise 0,25 mm oder weniger auf. Als weitere Maßnahme zur Verringerung der Verluste sind die Ständerbleche vor¬ zugsweise aus einem Material mit niedrigen Ummagnetisie- rungsverlusten, insbesondere kleiner als 1 Watt/kg bei 50 Hz und 1 Tesla, gefertigt (Anspruch 8) .

Als weitere Maßnahme, die zu einer kompakten Ausbildung beiträgt, weist die elektrische Maschine vorteilhaft eine innere Fluidkühlung auf (Anspruch 9) . Bei dem Fluid kann es sich grundsätzlich um Gas (z.B. Luft) und vorteilhaft um Flüssigkeit (z.B. Öl) handeln. Eine Kühltechnik besteht darin, die Maschine im Inneren (d.h. in dem den Läufer aufnehmenden Raum) ganz unter Kühlflüssigkeit zu setzen. Ein Nachteil hiervor ist jedoch, daß oberhalb ca. 500 min" ¹ Turbulenzverluste auftreten, die oberhalb ca. 2000 min' ¹ merkliche Ausmaße annehmen können. Um dem zu begegnen, erfolgt die Zufuhr der Kühlflüssigkeit vorteilhaft ver- lustleistungs- und/oder drehzahlabhängig, und zwar vorzugs¬ weise mit einer Sprühflüssigkeitskuhlung. In der Maschine befindet sich dann immer nur im wesentlichen soviel Kühl¬ flüssigkeit, wie momentan zur Abfuhr der Verlustleistung benötigt wird. Bei sehr hohen Verlustleistungen und/oder niedrigen Drehzahlen kann die ganze Maschine unter Kühlflüssigkeit gesetzt werden. Die Sprühflüssigkeitsküh-

lung stellt einen höchst wirksamen Wärmeübergang sowie eine besonders gute Verteilung der Flüssigkeit sicher.

Die elektrische Maschine hat vorzugsweise einen eigenen abgeschlossenen Kühlmittelkreislauf. Zur Abführung der Wärme nach außen (z.B. in die Atmosphäre) kann dieser einen autarken Rückkühler (z.B. einen Luftkühler) aufweisen. Möglich ist aber auch ein parasitärer Rückkühler, welcher die Abwärme in ein anderes Kühlsystem einbringt, bei dem es z.B. um den Verbrennungsmotor- oder Getrieböl-Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs handeln kann. Die Abwärme wird dann durch den Rückkühler des anderen Kühlsystems nach außen abgegeben. Der parasitäre Rückkühler kann sehr einfach und kompakt aufgebaut sein, z.B. in Form eines Kühlers, der in die Kühlflüssigkeit des anderen Kühlsystems eingetaucht ist und aufgrund des guten Wärmeübergangs nur eine relativ geringe Oberfläche benötigt. Alternativ kann die elektri¬ sche Maschine aber auch keinen eigenen abgeschlossenen Kühlkreislauf haben, sondern kann in einen anderen Kühl- kreislauf integriert sein, etwa in einen Getriebeöl-Kühl¬ kreislauf.

Um besonders hohe Drehmomente zu erzielen, arbeitet die elektrische Maschine vorzugsweise stark im Bereich magne- tischer Sättigung. Ein Maß für die magnetische Sättigung ist der Strombelag (bei maximalem Drehmoment) im Ständer pro cm, Luftspaltlänge in Umfangsrichtung. Vorzugsweise beträgt dieses Maß wenigstens 400 - 1000 A/cm, besonders vorzugsweise wenigstens 500 A/cm (Anspruch 10) . Ein anderes Maß für die magnetische Sättigung ist der sog. Abplat¬ tungsfaktor: Er gibt an, wie stark bei sinusförmigem Erre¬ gerstrom das Verhältnis von Spitzenwert zum arithmetischen Mittelwert des Betrags des Magnetfelds ist. Er beträgt bei rein sinusförmigem Verlauf 1,57, bei üblichen elektrischen Maschinen etwa 1,35, und bei dieser bevorzugten Ausgestal¬ tung 1,05 - 1,15. Das Arbeiten stark im Sättigungsbereich hat den weiteren Vorteil, daß die Maschine einen relativ

weiten Luftspalt zwischen den Wirkeinheiten (i.a. Läufer und Ständer) aufweisen kann. Die Weite des Luftspalts be¬ trägt vorzugsweise 0,25 - 2,5 mm, vorzugsweise 0,5 - 1,5 mm, und besonders vorzugsweise 0,75 - 1,5 mm. Änderungen des Luftspaltes - wie sie bei Radialschwingungen der den Läufer tragenden Welle auftreten - wirken sich wegen des Betriebs im Sättigungsbereich kaum aus. Neben der Robust¬ heit gegenüber Radialschwingungen erlaubt diese Maßnahme auch eine Herabsetzung der Genauigkeitsanforderungen und damit eine beträchtliche Vereinfachung der Fertigung der elektrischen Maschine.

Quantitativ läßt sich die Kompaktheit durch die Größe "Drehmomentdichte" ausdrücken. Vorzugsweise weist die elek- trische Maschine eine hohe Drehmomentdichte - bezogen auf das maximale Drehmoment - auf, die besonders vorzugsweise größer als 0,01 Nm/cm ³ ist (Anspruch 11).

Eine derart kompakt aufgebaute elektrische Maschine hat im allgemeinen eine relativ geringe Induktivität. Um hier dennoch beispielsweise mit Hilfe einer getakteten Spannung einen möglichst glatten sinusförmigen Strom zum Erzeugen der elektrischen Drehfelder zu erzielen, arbeitet der Wech¬ selrichter vorteilhaft zumindest zeitweise mit einer hohen Taktfrequenz, vorteilhaft 10 kHz bis 100 kHz, insbesondere 20 kHz bis 100 kHz und höher (Anspruch 12) . Eine hohe Takt¬ frequenz hat auch den Vorteil, eine kompakte Bauweise des Wechselrichters selbst zu erlauben: Denn beispielsweise bei einem Spannungszwischenkreis-Wechselrichter ist die Kapazi- tat im Zwischenkreis, welche den elektronischen Schaltern des Wechselrichters die Zwischenkreisspannung bereitstellt, umgekehrt proportional zur Frequenz, so daß bei höherer Taktfrequenz hierfür eine kleinere Kapazität ausreicht. Die kleineren Zwischenkreiskondensatoren können mit kurzen Leitungswegen unmittelbar neben den elektronischen Schal¬ tern angeordnet werden. Ferner kann eine nötige EMV-Filte- rung (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) des Wechsel-

richters nach außen kompakter ausgeführt sein, da die Größe der Filter umgekehrt proportional zur Taktfrequenz ist.

Unter einem "Zwischenkreiε" versteht man einen Kreis, wel- eher im wesentlichen Gleichspannung bzw. -ström liefern kann, aus der ein nachgeschalteter Wechselrichter-Teil (der sog. Maschinen-Wechselrichter) durch Pulsen oder Takten variable Wechselspannungen bzw. -ströme bilden kann. Diese Gleichspannung bzw. dieser Gleichstrom muß daher mit großer Flankensteilheit bereitgestellt werden. Eine Fahrzeugbat¬ terie ist hierzu meist zu träge, man verwendet daher z.B. eine Kapazität als Energiespeicher im Zwischenkreis. Im allgemeinen umfaßt ein Zwischenkreis-Wechselrichter drei Baugruppen, und zwar eine Eingangsbaugruppe zur Versorgung mit bzw. Abfuhr von elektrischer Energie, eine Ausgangs¬ baugruppe in Form des Maschinen-Wechselrichters und den dazwischenliegenden Zwischenkreis.

Als weitere vorteilhafte Maßnahme zur Erzielung einer kom- pakten Bauweise des Wechselrichters sind elektronische Schalter des Wechselrichters fluidgekühlt, vorzugsweise siedebadgekühlt (Anspruch 13) . Als Siedebad-Kühlmittel kann beispielsweise ein Fluorkohlenwasserstoff verwendet werden. Bei der Siedebadkühlung verdampft das flüssige Kühlmittel an Wärmequellen und entzieht ihnen dadurch seine relativ hohe Verdampfungswärme. Der Dampf steigt auf und kann z.B. in einem externen Kühler kondensieren und dabei seine Ver¬ dampfungswärme abgeben. Diese Kühltechnik erlaubt kompakte¬ ste Anordnung der elektronischen Schalter des Wechselrich- ters ohne jegliche Kühlkörper. Daneben hat sie den Vorteil, daß zur Erreichung auch hoher Kühlleistung relativ geringe Temperaturdifferenzen ausreichen: Während bei einer Luft¬ kühlung üblicherweise eine Temperaturdifferenz von 40° C zwischen Kühloberfläche und dem Gehäuse eines zu kühlenden Chips nötig ist, reicht hier bereits eine Differenz von 2- 10° C, insbesondere ungefähr 5° C aus. Als Folge sind hohe Umgebungstemperaturen tolerabel, beispielsweise bei einer

Chiptemperatur von 65° C eine Umgebungstemperatur bis 60° C. Die Abwesenheit von Kühlkörpern und die hohe erziel¬ bare Kompaktheit ermöglicht ferner eine hohe Rüttelfestig¬ keit; daneben erlaubt das Siedebad die Schaffung einer sauerstofffreien Atmosphäre im Bereich der elektronischen Bauelemente des Wechselrichters, was sich insgesamt lebens¬ dauerverlängernd auswirkt. Das den Kühlraum bildende Gehäu¬ se kann - wenn es aus leitendem Material ausgeführt ist - auch als Abschirmung dienen. Elektrische Zwischenkreis- Speicherelemente zum Bereitstellen zu taktender Spannung bzw. zu taktenden Stroms (z.B. die o.g. Kapazität) können innerhalb des Kühlgehäuses angeordnet sein, wodurch sich kurze Leitungswege ergeben können. Ein ggf. gesonderter elektrischer Bremsenergie-Speicher kann innerhalb oder außerhalb des Kühlgehäuses angeordnet sein. Die im letzte¬ ren Fall möglicherweise relativ hohen Zuleitungsinduktivi- täten stören nicht, da der Bremsenergie-Speicher auf einer relativ "langsamen" Zeitskala arbeitet.

Eine weitere kühltechnisch vorteilhafte Maßnahme besteht darin, mehrere elektronische Schalter des Wechselrichters, insbesondere 2 bis 20 und mehr, parallel zu schalten (An¬ spruch 14) . Die Parallelschaltung führt zu einer verteilten Anordnung der Wärmequellen und damit einer relativ geringen Verlustleistungsdichte.

Der Wechselrichter umfaßt vorteilhaft als Schalter Halblei¬ terschalter, vorzugsweise schnelle Halbleiterschalter, wie Feldeffekttransistoren - besonders vorzugsweise Metall- oxidhalbleiter(MOS)-Feldeffekttransistoren, bipolare Tran¬ sistoren und/oder bipolare Transistoren mit isoliertem Gateanschluß (IGBTs) (Anspruch 15) . Unter "schnellen" Halb¬ leiterschaltern werden insbesondere solche verstanden, welche die o.g. Taktfrequenzen erlauben. MOS-Feldeffekt- transistoren haben bei hohen Taktfrequenzen die relativ geringsten Verluste. Sie weisen eine Ohmsche Charakteristik auf (während andere Halbleiterbauelemente im allgemeinen

eine feste Verlustcharakteristik haben) , so daß im Teil¬ lastbetrieb die Verluste relativ gering sind.

Der Wechselrichter ist vorzugsweise ein Pulswechselrichter, d.h. er erzeugt die für die magnetischen Felder der elek¬ trischen Maschine benötigten Spannungen und/oder Ströme vorzugsweise durch Pulse, insbesondere auf der Grundlage von Pulsweiten- oder Pulsamplitudenmodulation (Anspruch 16) . Er kann dies vorteilhaft mit Hilfe elektronischer Schalter tun, welche die Pulse aus einer vorgegebenen Gleich- oder Wechselspannung oder einem vorgegebenen Gleich- oder Wechselstrom herausschneiden. Beispielsweise bei einem Zwischenkreis-Wechselrichter mit konstanter Zwi- schenkreisspannung lassen sich durch sinusbewertete Puls- Weitenmodulation bei hohen Taktfrequenzen aufgrund der Maschineninduktivität nahezu sinusförmige Ströme beliebig einstellbarer Frequenz, Amplitude und/oder Phase erzeugen. Bei der Pulsamplitudenmodulation geht man beispielsweise aus von einem Wechselrichter mit variabler Zwischenkreis- Spannung und erzeugt so Pulse verschiedener Amplituden.

Um die für den Startvorgang benötigte, hohe elektrische Leistung ohne übermäßige Belastung der Fahrzeugbatterie bereitzustellen, ist vorteilhaft ein Energiespeicher vor- gesehen, der vor dem Startvorgang mit Energie aufgeladen wird und dem dann die benötigte Energie kurzfristig ent¬ nommen wird. Vorzugsweise iεt hierfür der Wechselrichter als Zwischenkreis-Wechεelrichter ausgebildet, der im Zwi¬ schenkreis wenigstenε einen Energieεpeicher für die Start- energie aufweist oder mit wenigstens einem solchen gekop¬ pelt ist (Anspruch 17) . Bei dem Speicher kann es sich inε- beεondere um einen elektrischen, magnetischen und/oder elektrochemischen Speicher, wie eine Kapazität, eine Induk¬ tivität und/oder eine (schnelle) Batterie handeln. Der kann neben der Speicherung der Startenergie auch anderen Auf¬ gaben dienen. Beispielsweise kann er die zum Pulsbetrieb des Wechselrichters nötige Energie speichern, (im letzteren

Fall könnte er mit dem üblichen Zwischenkreis-Speicher zusammenfallen) . Im übrigen kann die Ausbildung des Strom richters als Zwischenkreis-Stromrichter in jedem Fall - z.B. auch ohne Speicher für die Startenergie und ggf. die Bremsenergie - vorteilhaft sein.

Bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen, anderen Fahrzeugen und auch stationären Antriebsaggregaten gibt es häufig Hilfs¬ maschinen, welche - da sie relativ hohe Leistung aufnehmen - mechanisch vom Antriebsaggregat (d.h. vom Verbrennungs¬ motor) angetrieben werden, z.B. über Riementriebe. Hierbei kann es sich z.B. um Klimamaschinen, Servoantriebe (z.B. für Brems- und Lenkunterstützung) , Pumpen oder ähnliches handeln. Eine derartige mechanische Antriebskopplung ist i.a. nicht optimal, da die Hilfsmaschine dem Antriebsaggre¬ gat durch die von ihm vorgegebenen Drehzahl-Zustände folgen muß. Sie läuft damit einerεeitε nicht konεtant bei ihrer optimalen Betriebεgröße (z.B. der Drehzahl bei einer rota- torischen Hilfεmaεchine) und muß andererseits auch dann laufen, wenn dies mangels abgefragter Hilfsleistung gar nicht nötig wäre. Diese Nachteile können mit dem erfin¬ dungsgemäßen Starter/Generator, der als Hochleistungsma¬ schine ausgebildet sein kann, überwunden werden. Vorteil¬ haft liefert die elektrische Maschine Strom auf relativ hohem Spannungsniveau, vorzugsweise im oberen Bereich der Niederspannung, wo gerade noch nicht für besonderen Berüh¬ rungsschutz gesorgt werden muß (z.B. etwa 60 V Gleichspan¬ nung) . Geht man darüber hinaus, wird vorzugsweiεe ein Be¬ reich von 250 - 450 Volt gewählt. Man betreibt vorteilhaft die Hilfsmaschinen elektrisch auf diesen hohen Spannungs¬ niveaus (Anspruch 18) . Ein derart hohes Spannungsniveau kann insbesondere bei einem Zwischenkreis-Wechselrichter im Zwischenkreis bereits vorliegen, und braucht so nicht be¬ sonders für diesen Zusatzzweck erzeugt zu werden. Ein elek- triεcher εtatt eineε mechaniεchen Hilfsmaεchinen-Antriebε ist deshalb möglich, da aus dem hohen Spannungεniveau rela¬ tiv kleine Ströme reεultieren (im Gegensatz etwa zu dem 12-

Volt-Spannungsniveau eines herkömmlichen Kraftfahrzeugnet- zeε) . Elektrisch angetrieben kann man die Hilfsmaschinen im Bedarfsfall bei ihrer optimalen Drehzahl laufen lassen und ansonsten abschalten. Man erreicht so eine deutliche Erhö- hung des Gesamtwirkungεgrades. Vorteilhaft werden sämtliche Geräte und Hilfεantriebe eines Kraftfahrzeugs elektriεch betrieben. Der Verbrennungsmotor dient dann nur alε Haupt- antriebεmotor für daε Fahrzeug εowie alε Antriebεmotorε des Generatorε. Für Niederleistungsverbraucher kann ein her- kömmlicheε Niederεpannungsbordnetz (z.B. 12 V oder 24 V) vorgesehen sein. Die Fahrzeugbatterie kann im Bereich des höheren Spannungsniveaus oder ggf. des Niederspannungsbord- netzeε angeordnet εein.

Vorteilhaft iεt auch ein (weiterer) Wechselrichter zur Lieferung von 220 V Wechselstrom und/oder 380 V Drehstrom mit üblicher Netzfrequenz (z.B. 50 Hz) vorgesehen. Die Ver¬ sorgung dieses weiteren Wechselrichters kann ebenfalls auε dem (Gleichspannungε-) Zwiεchenkreis erfolgen. Ein εo auεge- staltetes Fahrzeug erlaubt die Verεorgung normaler elek¬ trischer Netzgeräte und stellt damit einen fahrbaren Netz¬ strom-Generator dar, der z.B. vorteilhaft bei Außenarbeiten einsetzbar ist.

Die Umwandlung elektrischer Energie aus dem Zwischenkreis in Wechselstrom kann vorteilhaft auch der Versorgung eineε Wechεelspannungs-Bordnetzes deε Fahrzeugε dienen. Ein εol- cheε Netz hat den Vorteil, daß aus der Bordnetzspannung durch Transformatoren bei den einzelnen Verbrauchern be- liebige, an den jeweiligen Verbraucher angepaßte Spannungen erzeugt werden können. Besonderε vorteilhaft ist die Wech¬ selspannung hochfrequent (d.h. die Frequenz ist größer als 1 kHz) , da dann die Transformatoren besonders klein und leicht ausgebildet sein können.

Die Möglichkeit, den Starter/Generator als Hochleistungs¬ maschine ggf. auf hohem Spannungsniveau auszubilden, er-

laubt deεεen Einsatz für Heizzwecke im Fahrzeug (Anspruch 19). Es kann sich hierbei z.B. um eine elektrische Behei¬ zung des Verbrennungsmotorε, z.B. durch Beheizung deε Kühl- kreislaufs (insbesondere für den Winterbetrieb von direkt einspritzenden Turbo-Dieselmotoren) , eines Fahrgastraumε, eines Abgaskatalysators des Verbrennungsmotors, eines Kraftstoffilters, einer Scheibenwaschanlage, von Außenspie¬ geln und/oder von Fenεterεcheiben des Fahrzeugε handeln. Derartige Beheizungen εind bei herkömmlichen Kraftfahrzeu- gen entweder nicht, nur unzureichend oder nur durch Abwärme deε Verbrennungεmotorε möglich. Die elektriεche Beheizung hat - abgeεehen von Komforterhöhung etwa bei einer Unter¬ stützung einer Fahrgaεtinnenraum-Heizung - vorteilhafte Auswirkungen für die Umweltfreundlichkeit von Kraftfahr- zeugen: Elektrische Motor- und Katalysatorheizungen bringen den Verbrennungsmotor bzw. den Katalysator schnell auf Betriebstemperatur und erlauben zudem eine genaue und schnelle Regelung der Betriebstemperaturen. Dies sind wich¬ tige Maßnahmen zum Erfüllen strenger Emissionsbeεtimmungen. Die Steuerung und Regelung der verεchiedenen Heizungen, insbesondere der Motor- und Katalysatorheizung, kann von der Steuerung deε Starter/Generators zur Anεteuerung deε Wechεelrichterε mit übernommen werden.

Aufgrund seiner Geräusch- und Verschleißarmut sowie der fehlenden Totzeit ist der Starter/Generator für sehr häufi- geε Starten geeignet. Er wird daher vorteilhaft mit einer Start-Stop-Steuerung deε Verbrennungεmotors kombiniert, bei welcher der Verbrennungsmotor nur im Bedarfsfall läuft und ansonsten abgestellt wird (Anspruch 20) . Denn im Stadtver¬ kehr laufen Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen auf¬ grund häufiger Halte an Ampeln und Kreuzungen einen be¬ trächtlichen Teil ihrer Betriebszeit im Leerlauf. Dies stellt eine erhebliche Resourcenverschwendung und Umwelt- belastung dar, da es einen an sich unnützen Mehrverbrauch an Kraftstoff mit einhergehender Emission giftiger, kli-

maaktiver oder sonstwie schädlicher Abgase mit sich bringt.

Die automatische Start-Stop-Steuerung veranlaßt vorzugs¬ weiεe ein automatiεcheε Stoppen deε Verbrennungsmotors, wenn eine Stopbedingung (oder eine von mehreren) erfüllt ist. Zur Definition einer Stopbedingung können verschiedene Bedingungen allein oder in (Unter-)Kombination dienen, z.B.: Nullast, Schiebebetrieb, Leerlauf, Stillstand deε Kraftfahrzeugε (d.h. Fahrgeschwindigkeit unterhalb eines bestimmten kleinen Wertes, z.B. 4 km/h) , Verbrennungsmotor ist ausgekuppelt, kein Gang ist eingelegt, die Betriebε- oder Feεtεtellbremεe iεt betätigt, Betätigung eines Stop- schalters.

Entsprechend veranlaßt die Start-Stop-Steuerung vorzugs¬ weiεe bei Vorliegen einer Startbedingung (oder einer von mehreren) ein automatisches Starten des Verbrennungsmotors mit Hilfe der elektrischen Maschine. Auch zur Definition der Startbedingung können verschiedene Bedingungen allein oder in (Unter-)Kombination dienen, z.B: Betätigung des Fahrpedals, Lösen der Betriebs- bzw. Feststellbremεe, Betä¬ tigen der Kupplung, Berühren oder Bewegen eines Gangschalt- hebelε, Einlegen eineε Gangeε, Betätigen eines Startschal¬ ters.

Herkömmliche Starter bringen wegen ihrer hohen Übersetzung den Verbrennungsmotor nur auf eine relativ niedrige Start- Drehzahl (typiεcherweiεe 80-250 U/min) , die weit unterhalb deεsen Leerlauf-Drehzahl (typischerweiεe 600-800 U/min) liegt. Die Drehzahldifferenz zwiεchen Start-Drehzahl und der Leerlauf-Drehzahl muß der Verbrennungεmotor dann auε eigener Kraft überwinden. Er benötigt hierfür jedoch - da er εich bei diesen Drehzahlen weit unterhalb seiner Leer¬ lauf-Drehzahl in einem sehr ungünεtigen Betriebεbereich befindet - ein relativ großeε Quantum Kraftεtoff, welches zudem nur unvollεtändig verbrennt. Jeder Motorεtart iεt daher mit zuεätzlichem Kraftεtoffverbrauch und besonderε

umweltschädlichen Emissionen verbunden. Vorzugsweise ist daher das Antriebssystem so ausgebildet, daß die elektri¬ sche Maschine wenigstens im wesentlichen bis zum Erreichen der Leerlauf-Drehzahl deε Verbrennungεmotorε (welche bei Betriebstemperatur üblicherweise zwiεchen 600 und 800 U/min liegt) antreibend wirkt. Dieεe Maßnahme läßt den Verbren¬ nungsmotor praktisch erst bei Erreichen seiner Leerlauf¬ drehzahl anlaufen und läßt εo das betrieblich ungünstige Hochlaufen aus eigener Kraft entfallen. Sie vermindert damit den Kraftstoffverbrauch und die beεonderε schädlichen Emiεsionen beim Starten und macht zudem den Startvorgang schneller. Die Maßnahme ist also bei Fahrzeugen mit und ohne Start-Stop-Automatik ökologisch besonders vorteilhaft.

Vorteilhaft kann die elektrische Maεchine neben ihren Funk¬ tionen als Starter und als Generator andere Funktionen ausführen:

Eine erste vorteilhafte Zusatzfunktion besteht darin, daß die elektrische Maschine ein Beschleunigen und/oder Abbrem¬ sen der Welle herbeiführt oder unterstützt, beispielsweise um das Kraftfahrzeug zu beschleunigen oder abzubremsen (Anspruch 21) . Zum Abbremsen kann die elektrische Maschine als verschleißfreie, zwecks Energierückgewinnung vorteil- haft generatorische (Retarder-)Bremse dienen. Im Zusammen¬ hang mit einer Antriebs-Schlupf-(ASR-)Regelung kann die elektrische Maschine durch Bremsen schnell das Gesamt-An- triebεmoment und damit den Schlupf eineε oder mehrerer Antriebεräder verringern. Bei einem antreibenden Zuεatz- Drehmoment zwecks BeschleunigungsunterStützung kann der Verbrennungsmotor bei ungeänderten erreichbaren Fahrzeug- beεchleunigungεwerten schwächer dimensioniert werden, so daß er im Mittel bei höherem Mitteldruck arbeitet und daher weniger Kraftstoff verbraucht. Somit trägt auch diese Maß- nähme zur Verringerung schädlicher Emiεεionen bei. Die Beschleunigungsunterstützung kann vorteilhaft so gesteuert sein, daß sie die Momentenkennlinie des Verbrennungsmotors

glättet, beispielsweiεe indem sie in einem Drehzahlbereich mit relativ niedrigem Drehmoment (z.B. im εog. "Turboloch" bei einem mit Turbolader aufgeladenen Motor) ein entεpre¬ chend größeres Zusatzdrehmoment aufbringt als in anderen Drehzahlbereichen.

Als zweite vorteilhafte Zusatzfunktion wirkt die elektri¬ sche Maschine als elektromagnetische Kupplung im Antriebs sträng und/oder als aktive Getriebesynchronisiereinrichtung (Anspruch 22) . Sie kann anstelle oder zusätzlich zu einer herkömmlichen Reibkupplung oder einem herkömmlichen hydro- dynamiεchen Wandler angeordnet εein. Bei einer vorteilhaf¬ ten Ausgestaltung ist die elektrische Maschine insgesamt drehbar gelagert, hat also neben dem drehbaren Läufer auch einen drehbaren Ständer. Eines dieser Wirkelemente (Läufer oder Ständer) ist mit der z.B. vom Verbrennungsmotor kom¬ menden Antriebswelle verbunden, das andere mit der z.B. zum Getriebe führenden Abtriebswelle. Durch Einstellen einer zeitlich abnehmenden Relativdrehzahl (d.h. eineε abnehmen- den Schlupfes) zwischen Läufer und Ständer wird der tran¬ siente Vorgang wie beim Einkuppeln einer Reibungskupplung erzielt. Verschwindender Kupplungs-Schlupf steht am Ende des Einkupplungεvorgangs. Zur Vermeidung elektrischer Ver¬ luste kann dann vorteilhaft eine mechanische Überbrückungs- kupplung eingekuppelt werden. Zur Erzielung der Generator¬ funktion stellt man - ohne Überbrückungskupplung - einen geringfügig bremsenden Kupplungs-Schlupf ein. Zum Starten legt man die Abtriebswelle, z.B. mit Hilfe einer Bremsvor¬ richtung fest, gegen die beim Starten die Drehmomentabstüt- zung der elektrischen Maschine erfolgt. Im Rahmen einer ASR-Regelung kann der Antriebsεchlupf εtatt durch Bremsen auch durch Vergrößern des Kupplungsschlupfes (nach Lösen einer Überbrückungskupplung) verringert werden. Alε aktive Getriebeεynchronisiereinrichtung wirkt die elektrische Maschine in Abstützung auf die Antriebswelle bremsend oder beschleunigend auf die zum Getriebe führende Abtriebswelle, je nachdem wie dieε im Verlauf eines Gangschaltvorgangs zur

Erzielung eines Gleichlaufs von Getrieberädern benötigt wird.

Eine dritte Zuεatzfunktion besteht darin, daß die elektri- sehe Maschine Drehungleichförmigkeiten aktiv verrringert, indem sie ein schnell alternierendes Drehmoment gegenphasig zu den Drehungleichförmigkeiten erzeugt (Anspruch 23) . Dieseε alternierende Drehmoment kann dem konstanten oder langsam variierenden Drehmoment der Generatorfunktion oder ggf« der Brems- oder Boosterfunktion additiv überlagert sein.

Bei den Drehungleichförmigkeiten kann es sich insbesondere um solche handeln, die bei dem Verbrennungsmotor (der inε- besondere ein Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung ist) durch die auf die Kurbelwelle wirkenden Gas- und/oder Mas¬ senkräfte der einzelnen Hubkolben auftreten. Beispielsweise zeigt ein Vierzylinder-Viertaktmotor relativ große Drehung¬ leichförmigkeiten in der zweiten Ordnung (d.h. dem zweifa- chen der Drehfrequenz des Motors) . Daneben gibt es Drehung¬ leichförmigkeiten bei höheren Ordnungen sowie stochastisch auftretende Ungleichförmigkeiten.

Bei Ausgestaltungen, bei denen die elektrische Maschine außerdem alε elektromagnetische Kupplung wirkt, kann an die Stelle des εchnell alternierend bremsenden und antreibenden Drehmoments ein schnell variierend größerer und kleinerer Kupplungsschlupf treten.

Unter "schnell" wird hier eine Variation im Frequenzbereich der zu verringernden Drehungleichförmigkeiten verstanden, also z.B. bei der Drehungleichförmigkeit der 2. Ordnung und bei einer Drehzahl von 3000 min ^"1 eine Variation mit einer Frequenz von 100 Hz. Demgegenüber variieren die der Genera- torfunktion oder anderen der o.g. Funktionen zugehörigen Drehmomente im allgemeinen langsam oder sie εind konstant.

Sie werden daher im folgenden auch "Gleich-Drehmomente" genannt.

Falls die Amplitude deε Wechεeldrehmoments größer als das konstante oder langsam variierende Drehmoment ist, zeigt das Gesamt-Drehmoment der elektriεchen Maschine - wenn auch gegenüber der Nullinie verεchoben - abwechselnd positive und negative Werte. Andernfalls ist das Gesamt-Drehmoment nur positiv oder negativ, wobei dessen Betrag einen schnell variierenden Anteil enthält.

Die bei diesen Zusatzfunktionen gewonnene Energie (alεo z.B. bei Fahrzeugbremsung, Anfahren mit "schleifender" Kupplung, Abbremsung von Getrieberädern, Bremεung bei poεi- tiver Drehungleichförmigkeit) wird vorteilhaft in dem oben genannten (oder einem anderen) Energiespeicher zwischen- geεpeichert und zur Erzeugung von antreibenden Momenten (z.B. zur Fahrzeugbeschleunigung, Beschleunigung von Ge¬ trieberädern, Antreiben bei einer negativen Drehun- gleichförmigkeit) wiederverwendet und/oder in ein Fahrzeug¬ bordnetz und/oder eine Batterie eingespeiεt. Bei εehr gro¬ ßen anfallenden Energiemengen (wie εie z.B. beim Anfahren mit "schleifender" elektromagnetischer Kupplung anfallen können) kann der Energieεpeicher vorteilhaft alε Schwungradεpeicher auεgebildet εein, dessen Schwungrad seinerseitε durch eine elektriεche Maεchine angetrieben und gebremεt wird. Alternativ können diese großen Energiemengen verheizt werden, z.B. durch eine elektrische Heizwicklung, die parasitär im Kühlkreiεlauf deε Verbrennungεmotors an- geordnet ist (ähnlich einem Tauchsieder) .

Um bei einer Fahrzeugbremεung mit Hilfe der elektrischen Maschine einen möglichst hohen Wirkungεgrad der Bremsener¬ gie-Rückgewinnung zu erzielen, entkuppelt man vorteilhaft beim Bremsen die elektriεche Maschine vom Verbrennungsmo¬ tor, z.B. mit einer dazwischengeεchalteten Kupplung, etwa einer Reibkupplung oder Klauenkupplung.

Zur optimalen Auεnutzung des z.B. in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung εtehenden Bauraumes ist es vorteilhaft, daß in die elektrische Maschine, und zwar insbesondere in deren Läufer, eine Kupplung, vorzugsweiεe eine alε Fahrkupplung dienende Reibkupplung integriert iεt. Beiεpielεweiεe bei einer Asynchron- und Synchronmaschine mit innenliegendem Läufer kann der Läufer in seinem inneren Bereich funk- tionεloε εein und so zur Aufnahme der Kupplung hohl ausge¬ bildet sein. Durch diese Maßnahme ist es möglich, daß die elektrische Maschine samt im Inneren des Läufers integrier¬ ter Kupplung in Axialrichtung nur so viel wie oder kaum mehr Raum in Anspruch nimmt, als bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeug die Kupplung alleine. Aufgrund des reduzier¬ ten verfügbaren Durchmessers und zur Minimierung des Mas- senträgheitsmomentes ist auch eine Ausführung als Mehrscheiben- und/oder Lamellenkupplung möglich. Ist die integrierte Kupplung als Naßkupplung ausgebildet, kann das Kupplungsfluid auch für die Kühlung der elektrischen Ma¬ schine sorgen. Die Betätigung der Kupplung kann mechanisch, elektriεch, magnetiεch, elektromagnetiεch, hydrauliεch, pneumatiεch oder mit Miεchformen hiervon erfolgen.

Gegenεtände der Patentanεprüche, Beεchreibung und Zeichnung können auch bei einem Starter/Generator vorteilhaft sein, bei dem das letzte Merkmal des Anεpruchs 1 ("Starten im Zuεammenlauf aus dem Stand") nicht vorhanden ist. Es wird daher der Vorbehalt erklärt, Patentansprüche auf dieεe Gegenεtände unter Weglassung des jetzt in Anspruch 1 ent¬ haltenen Merkmals "Starten im Zusammenlauf aus dem Stand" zu richten.

Im übrigen werden in der gesamten vorliegenden Beεchreibung Zahlenangaben "x" im Sinn von "wenigstens x", und nur vor¬ zugsweiεe im Sinn von "genau x" verstanden.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeiεpielen und der angefügten εchematiεchen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine unmaßεtäblich-εchematiεche Darεtellung eineε

Antriebεεyεtemε mit einer Auεführungsform des Starter/Generatorε;

Fig. 2 eine εchematische beispielhafte Darstellung der Funktionsweise des Starter/Generators mit Zu- εatzfunktion "aktive Schwingungsdämpfung";

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer elek¬ trischen Maschine mit Schnittebene senkrecht zur Axialrichtung;

Fig. 4 eine εchematische Schnittdarstellung einer elek¬ trischen Maschine mit integrierter Reibkupplung mit Schnittebene in Axialrichtung;

Fig. 5 einen schematischen Schaltplan eines bei dem Starter/Generator verwendeten Wechselrichters;

Fig. 6 eine schematiεche Darεtellung einer elektrischen Maschine mit drehbaren elektromagnetischen Wirk einheiten.

In den Figuren tragen im wesentlichen funktionsgleiche Teile gleiche Bezugszeichen.

Das in Fig. 1 dargestellte Antriebssystems eines Kraftfahr- zeugε, z.B. eineε Perεonenkraftwagens, weiεt als Antriebε- aggregat einen Verbrennungεmotor 1 auf, bei dem eε εich beiεpielsweiεe um einen Vierzylinder-Viertakt-Otto- oder Dieεelmotor handelt. Daε vom Verbrennungsmotor 1 erzeugte Drehmoment kann über einen Antriebsstrang 2 auf Antriebs¬ räder 3 übertragen werden. In Abtriebsrichtung ist im An-

triebsstrang 2 nach dem Verbrennungsmotor 1 zunächst eine als Starter/Generator dienende elektrische Maschine 4 an¬ geordnet. Auf diese folgen eine Fahrkupplung 5, ein Getrie¬ be 6 und ein Achsantrieb 7, welcher das Drehmoment auf die Antriebsräder 3 überträgt. Bei der Kupplung 5 und dem Ge¬ triebe 6 kann es sich um eine Reibkupplung und ein Schalt¬ getriebe handeln; alternativ sind z.B. eine automatische Kupplung oder Wandlerkupplung, jeweils mit z.B. handbetä¬ tigtem Schaltgetriebe oder automatischem Getriebe möglich. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist im Antriebsstrang 2 zwischen Verbrennungsmotor 1 und elektri¬ scher Maschine 4 eine weitere (geεteuert betätigte) Kupp¬ lung angeordnet, um beim Bremεen mit der elektriεchen Ma¬ schine 4 einen Mitlauf deε Verbrennungsmotors 1 zu vermei- den.

Die elektrische Maschine 4 - hier eine Drehstrom-Wander- feld-Maεchine in Aεynchron- oder Synchron-Bauart - umfaßt einen Ständer 8 und einen Läufer 9. Ersterer stützt sich drehfest gegen den Verbrennungsmotor 1, ein (nicht gezeig- teε) Fahrzeugchaεsis oder ein (nicht gezeigteε) Kupplungs¬ gehäuse ab, wohingegen letzterer direkt auf einer Trieb¬ welle (Kurbelwelle) 10 des Verbrennungsmotors 1 oder einer Verlängerung hiervon sitzt und mit dieser drehfeεt gekop- pelt ist. Die Triebwelle 10 und der Läufer 9 rotieren also gemeinsam, ohne Zwischenschaltung eines Getriebeε.

Die elektrische Maεchine 4 erfüllt mehrere Funktionen: Sie fungiert einerεeitε alε Generator zur Ladung einer Fahr- zeugbatterie 11 und zur Verεorgung elektriεcher Verbraucher und ersetzt damit eine herkömmlicherweise im Kraftfahrzeug vorhandene Lichtmaschine. Sie fungiert andererseits als Starter, der den Verbrennungsmotor 1 im Zusammenlauf aus dem Stand startet und kann somit auch einen herkömmlicher- weise beim Kraftfahrzeug gesondert vorgesehenen Starter ersetzen. Die elektrische Maschine 4 hat weitere fakultati¬ ve Funktionen: Eine Generatorfunktion mit wesentlich große-

rem Drehmoment dient zum Abbremsen des Fahrzeugs oder des Verbrennungεmotors 1. Außerdem kann die elektrische Maschi¬ ne 4 als Zusatzantrieb ("Booster") fungieren, z.B. um den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen des Fahrzeugε zu un- terstützen. Auch kann sie alε aktiver Drehungleichförmig- keits-Verringerer dienen (Fig. 2) . Schließlich fungiert sie aufgrund des Massenträgheitsmomentε des Läufers 9 als Schwungrad und kann so das bei herkömmlichen Kraftfahrzeu¬ gen i.a. vorhandene, auf der Kurbelwelle sitzendes Schwung- rad ersetzen.

Die elektrische Maschine 4 wird durch eine Sprühflüssig¬ keitskuhlung 12 innengekühlt. Nach Durchlaufen eines Rück¬ kühlers 13 und einer Pumpe 14 wird die Kühlflüssigkeit - hier ein geeignetes Öl - an den Läufer 9, und zwar in der Nähe von dessen Rotationsachεe, gesprüht. Sie wandert auf¬ grund der Läuferrotation fliehkraftbedingt nach außen und kühlt dabei Läufer 9 und Ständer 8, und verläßt dann ein Gehäuse 15 der elektrischen Maεchine 4, um in einem ge- schlosεenen Kreiεlauf wieder in den Kühler 13 einzutreten. Der Kühlmittelfluß erfolgt verluεtleiεtungε- und drehzahl¬ abhängig durch entsprechende Steuerung der Pumpe 14, der¬ art, daß εich jeweils im wesentlichen nur eine gerade benö¬ tigte Mindestmenge deε Kühlfluids im Inneren des Gehäuseε 15 befindet. Ein (nicht gezeigtes) Auεgleichεgefäß erlaubt dieεe Variation der Kühlfluidmenge im Gehäuse 15. Bei ande¬ ren (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist der Kühler alε paraεitärer Kühler, der z.B. in den Kühlkreislauf des Ver¬ brennungsmotors eingesetzt iεt. Bei weiteren (nicht gezeig- ten) Auεführungsformen verfügt die elektrische Maschine nicht über ein eigenes abgeschlossenes Kühlsystem. Sie (oder nur der Läufer) iεt z.B. in ein Kupplungs- und/oder Getriebegehäuse integriert und wird durch ein darin befind¬ liches Schmier- und/oder Kühlfluid (z.B. Kupplungs- oder Getriebeöl) mit gekühlt.

Bei einfacheren (nicht gezeigten) Ausführugεformen, bei denen die elektriεche Maεchine 4 keine Zuεatzfunktionen mit hoher Dauerleiεtung ausführen muß, kann die Kühlung ein¬ facher ausgeführt sein: Hier genügt beispielsweiεe eine Innenkühlung mit Gaε oder nur eine Außenkühlung deε Stän- derε mit Flüssigkeit oder Gas.

Die elektrische Maεchine 4 iεt außerdem mit einem Dreh¬ transformator 16 (sog. Resolver) auεgerüεtet, der vorzug- weiεe mehr als 8 Pole, hier z.B. 12 Pole aufweist. Er be¬ steht aus zwei benachbart angeordneten Leiterplatten, von denen eine feststeht und die andere sich mit der Triebwelle 10 dreht. Die Leiterplatten tragen auf ihren zugewandten Oberflächen durch Leiterbahnen gebildete Windungen, derart daß sich ein drehwinkelabhängiges Transformator-Überset¬ zungsverhältnis ergibt. Der Drehtransformator 16 arbeitet nach dem Transponder-Prinzip: Die feεtεtehenden Windungen (feεtehende Platine) werden aktiv mit Strom/Spannung beauf¬ schlagt und strahlen elektromagnetische Energie zu den drehbaren Windungen (drehbare Platine) hin ab. Letztere strahlen einen Teil dieser Energie wieder zurück, wobei dieser Teil aufgrund des drehwinkelabhängigen Übertra¬ gungsverhältnisses vom Drehwinkel abhängt. Der rückge¬ strahlte Teil erzeugt in den feststehenden Windungen ein drehwinkelabhängiges Signal. Eine Auswertung dieseε Signalε liefert den momentanen Drehwinkel der Triebwelle 10 mit einer Genauigkeit von wenigεtenε 0,5 Grad. Bei einfacheren Ausführungsformen wird ein Inkrementalgeber verwendet oder völlig auf einen entsprechenden Geber verzichtet.

Ein Wechselrichter 17 liefert den Wicklungen deε Ständers 8 der elektrischen Maschine 4 bei einer sehr hohen Takt¬ frequenz (z.B. 10-100 kHz) sinusbewertete pulsweitenmodu- lierte Spannungsimpulεe, die unter der Wirkung der Maschi- neninduktivität im wesentlichen sinusförmige Dreiphasen- Ströme ergeben, deren Amplitude, Frequenz und Phase frei vorwählbar iεt.

Der Wechεelrichter 17 iεt ein Spannungszwischenkreiε-Wech- selrichter und umfaßt drei Baugruppen: einen Gleichspan¬ nungsumsetzer 18 (Eingangsbaugruppe) , welcher Gleichspan¬ nung von einem niedrigen Niveau (hier 12 V) auf ein höheres Zwischenkreisniveau (hier 350 V) und in umgekehrter Rich¬ tung umεetzt, einen elektriεchen Zwischenkreisεpeicher 19, hier ein Kondensator bzw. eine Anordnung parallel geschal teter Kondensatoren, und einen Maschinenwechselrichter 20 (Ausgangsbaugruppe) , welcher aus der Zwischenkreis-Gleich Spannung die (getaktete) Dreiphasen-Wechεelspannung varia¬ bler Amplitude, Frequenz und Phase erzeugen kann oder - bei generatoriεchem Betrieb der elektriεchen Maschine 4 - der¬ artige beliebige Wechselεpannungen in die Zwischenkreis- Gleichεpannung umεetzen kann. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen liegt das Zwischenkreisniveau am oberen Rand deε ohne beεonderen Berührungsschutz zulässigen Nie- derεpannungsbereichε, hier 60 V.

Die drei Baugruppen 18, 19, 20 deε Wechselrichters 17 sind in einem abschirmenden Gehäuse 21 hermetiεch eingeεchloε- sen, welches mit einem geeigneten Siedekühlmittel gefüllt ist. Bei diesem handelt es sich z.B. um einen Fluorkohlen- waεεerεtoff, der bei einem geeigneten Druck (etwa zwiεchen 50 mbar und 3 bar) einen geeigneten Siedepunkt, z.B. bei 60° C, hat. Verdampftes Siedekühlmittel kann in einem Kon- denεationεkühler 22 kondenεieren und in flüεεiger Form in einem hermetisch geεchloεεenen Kreiεlauf in das Gehäuse 21 zurückkehren.

Der Gleichspannungεumεetzer 18 iεt niederεpannungεεeitig mit der Fahrzeugbatterie 11 und verschiedenen Niederεpan- nungverbrauchern 23, wie beiεpielεweiεe Beleuchtung und elektroniεche Geräte, verbunden. Der Wechselrichter 17 kann einerseits Strom auf niedrigem Spannungεniveau zum Laden der Fahrzeugbatterie 11 und Versorgen der Niederspannungs¬ verbraucher 23 liefern, andererseits kann er der Fahrzeug¬ batterie 11 Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Starten

des Verbrennungsmotors 1 entnehmen. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen befindet sich die Fahrzeug¬ batterie auf Zwischenkreisniveau und ist direkt mit dem Zwischenkreis gekoppelt.

Der Zwischenkreisspeicher 19 iεt verbunden mit einem externen Zusatzspeicher 24, bei dem es sich um einen elek¬ trischen Speicher, hier eine Zusatzkapazität 25 handelt. Der Zusatzspeicher 24 entlastet die Fahrzeugbatterie 11 beim Startvorgang des Verbrennungsmotors 1, indem dieser vor dem Starten Energie nur relativ langsam entnommen und im Zusatzspeicher 24 gespeichert wird. Hier εteht εie dann für eine εchnelle Entnahme beim Startvorgang zur Verfügung. Daneben kann er auch der Speicherung derjenigen Energie dienen, die bei durch die elektriεche Maschine 4 vermittel¬ ten Bremsvorgängen anfällt.Schließlich hat er die Aufgabe, die beim Drehungleichförmigkeits-Verrringern in einer Bremsphaεe gewonnene Energie zwiεchenzuspeichern und für die anschließende Antriebsphase wieder abzugeben. Für große zu speichernde Energien kann der Zusatzspeicher 24 ergän¬ zend oder alternativ einen Schwungradspeicher 26 umfassen.

Hingegen hat der (innere) Zwischenkreisspeicher 19 im we¬ sentlichen die Aufgabe, der Maschinen-Wechεelrichtergruppe 20 Spannung mit der für das Takten notwendigen hohen Flan¬ kensteilheit - also schnell - zu liefern. Er braucht dazu keine sehr hohe Kapazität (er hat z.B. 2 μF) , vorteihaft für die Schnelligkeit sind vielmehr geringe Zuleitungεin- duktivitäten, waε durch die Anordnung im Inneren des Wech- selrichters 17 sichergestellt ist (und zwar vorzugsweiεe auf derselben Platine, auf der auch die elektronischen Schalter des Maschinen-Wechεelrichterε 20 angeordnet sind) . Der Zusatzspeicher 24 kann hingegen relativ langsam arbei¬ ten, so daß hier die Zuleitungskapazitäten aufgrund der externen Anordnung nicht stören. Die Zusatzkapazität 25 kann insbesondere 50 bis 10000 mal größer sein (εie iεt

hier z.B. 4,7 mF für die Speicherung der Drehungleichför- migkeits-Energie) als die deε Zwischenkreisspeicherε 19.

Noch größere Speicherkapazitäten sind mit dem Schwungrad- Speicher 26 erreichbar, der hier eine eigene wechεelrich- tergesteuerte elektrische Maschine 27 und eine damit gekop¬ pelte Schwungmasse 28 umfaßt. Letztere kann durch ein ge¬ sondertes Schwungrad gebildet oder in den Läufer der elek¬ trischen Maschine 27 integriert sein. Das Massenträgheits- moment der Schwungmaεεe 28 beträgt vorzugεweise 0,05 biε 2 kgm ² . Eε iεt auch möglich, in dem Schwungradεpeicher 26 ein Mehrfacheε der zum Starten deε Verbrennungεmotorε 1 benötigten Energie zu εpeichern und ihm zum Starten εchnell (d.h. in weniger als einer Sekunde) die jeweils nötige Startenergie zu entnehmen.

Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist kein gesonderter Zusatzεpeicher 24 vorgeεehen. Hier iεt der Zwischenkreisspeicher 19 so dimensioniert und ggf. außer- halb des Wechselrichters 17 angeordnet, daß er die Funk¬ tionen des Zusatzεpeicherε 24 mit übernehmen kann.

Der Zwiεchenkreiε mit εeinem hohen Spannungεniveau (hier 60 V oder 350 V) verεorgt verschiedene Hilfεantriebe 29, wie eine Klimamaεchine und Servoantriebe, εowie verεchiedene Heizeinrichtungen 30, wie Motor- und Katalyεatorheizungen mit elektriεcher Energie. Während derartige Hochleiεtungε- verbraucher herkömmlicherweiεe durch mechaniεche Kopplung vom Verbrennungεmotor 1 angetrieben bzw. durch Abwärme deε Verbrennungεmotorε 1 beheizt werden, erlaubt daε hier zur Verfügung εtehende hohe Spannungsniveau einen wirkungsgrad¬ mäßig günstigeren, rein elektrischen Antrieb.

Eine Steuereinrichtung 31 gibt dem Wechεelrichter 17 durch entεprechende Anεteuerung εeiner Halbleiterschalter zu jedem Zeitpunkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phaεe die von ihm zu erzeugende Wechεelspannung haben soll. Die

Steuereinrichtung 31, die beispielsweise durch ein entspre¬ chend programmierteε Mikrocomputer-Syεtem gebildet sein kann, bestimmt in einem ersten Schritt den Betrag und die Richtung des Drehmoments, welches die elektrische Maschine 4 zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugen soll. Sie kann dies z.B. mit Hilfe einer Kennfeldsteuerung tun, indem sie als Eingangsinformation vom Drehtransformator 16 die Win¬ kelstellung der Triebwelle 10, die momentane mittlere Dreh¬ zahl und ggf. weitere Betriebsparameter, wie z.B. die Droε- selklappenstellung, erhält. Zum Starten des Verbrennungs- motorε 1 kann daε Soll-Drehmoment auf der Grundlage geεpei- cherter Werte beεtimmt werden, die den zeitlichen Soll- Verlauf der Drehzahl oder des Drehmoments der elektrischen Maschine 4 während des Startvorgangs vorgeben, ggf. ergänzt durch eine Messung dieser Größen und eine rückgekoppelte Regelung, welche die Einhaltung der Vorgaben sicherεtellt. Ein (nicht gezeigtes) Energieverbrauchs-Steuergerät gibt an, wieviel Energie zum Laden der Fahrzeugbatterie 11, zur Versorgung der Niederspannungsverbraucher 23 und der Hoch- leistungεverbraucher 29, 30 benötigt wird, so daß die Steu¬ ereinrichtung 31 ein entsprechendes bremsendeε Drehmoment veranlaεsen kann. Ein Motorsteuergerät 33 gibt der Steuer¬ einrichtung 31 vor, ob und in welchem Maß die elektrische Maschine 4 zusätzlich fahrzeugbeschleunigend oder -bremsend wirken soll, so daß diese ein entsprechendeε Drehmoment, etwa zur Glättung der Momentenkennlinie des Verbrennungs- motorε 1 (z.B. zum Auεfüllen eines "Turbo-Lochs" bei nied¬ rigem Drehzahlen) , erzeugen kann. Entsprechend gibt ein ASR-Steuergerät 34 (ASR=Antriebε-Schlupf-Regelung) der Steuereinrichtung 31 bei Vorliegen von Antriebsschlupf vor, daß die elektrische Maεchine 4 vorübergehend als generato¬ rische Bremse wirken soll, ggf. bevor das ASR-Steuergerät bei verbleibendem Antriebsschlupf als massivere Maßnahme ein Einbremsen der betroffenen Antriebsräder durch die Radbremse veranlaßt. Zusätzlich kann das ASR-Steuergerät seine Schlupfinformation an das Motorεteuergerät 33 überge¬ ben, um außerdem eine Verringerung des Verbrennungεmotor-

Drehmomentε zu veranlassen. Das Motorsteuergerät 33 kann auch eine automatische Start-Stop-Steuerung durchführen und der Steuereinrichtung 31 vorgeben, ob die elektrische Ma¬ schine 4 den Verbrennungsmotor 1 starten εoll.

Die aktive Verringerung von Drehungleichförmigkeiten kann so geεteuert werden, daß auε einem geεpeicherten Kennfeld die momentan zu erwartende Drehungleichförmigkeit in Ab¬ hängigkeit von den o.g. Betriebεparametern ermittelt wird. Eine andere Möglichkeit beεteht darin, die tatεächlich momentan vorliegende Drehungleichförmigkeit zu ermitteln, z.B. durch Berechnung der momentanen Drehgeεchwindigkeit auf der Grundlage der vom Drehtransformator 16 gelieferten Information und/oder durch Auswertung der momentan im Ver- brennungsmotor 1 vorliegenden Gaεdrücke, welche mit Hilfe von Gaεdrucksensoren 32 detektierbar εind, oder durch Er¬ fassung der momentanen Drehmoments deε Verbrennungεmotorε 1 mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Drehmomentnabe im An¬ triebsstrang. Möglich ist auch eine Kombination von Rege- lung und Steuerung. Aus dem so ermittelten Wert für die momentane Drehungleichförmigkeit wird ein entεprechender (gegenphaεiger) Wert für das schnell variierende Soll-Dreh¬ moment der elektrischen Maschine 4 abgeleitet, daε dem bremsenden (oder ggf. antreibenden) Gleich-Drehmoment ad- ditiv überlagert wird.

In einem zweiten Schritt bestimmt die Steuereinrichtung 31, welche Amplitude, Frequenz und Phaεe der Spannung bzw. deε Stromε vom Wechεelrichter 17 bereitgeεtellt werden muß, damit die elektrische Maschine 4 dieseε Soll-Geεamtdrehmo- ment herbeiführt. Dieεe Beεtimmung erfolgt bei der elek¬ triεchen Aεynchronmaεchine auf der Grundlage einer feld¬ orientierten Regelung, welche auf einer Modellrechnung der elektriεchen Maschine 4 beruht und als Eingangsinformation im wesentlichen die meßbaren elektriεchen Ständergrößen (Amplitude, Frequenz und Phase von Strom und Spannung) und

die momentane mittlere Läuferdrehzahl verwendet oder sich aus elektrischen Größen ableitet.

In Fig. 1 ist die Steuereinrichtung 31 als außerhalb des Wechselrichtergehäuseε 21 angeordnet dargestellt. Um an der Siedebadkühlung zu partizipieren, ist sie jedoch bei ande¬ ren (nicht gezeigten) Ausführungsformen im Inneren des Wechselrichtergehäuses 21 angeordnet.

Die Steuereinrichtung 31 kann verschiedene, zur Erfüllung ihrer Steueraufgaben dienende Sensoren bzw. davon abgelei¬ tete Sensorinformationen mit dem Motorsteuergerät 33 zur Steuerung des Verbrennungsmotorε 1 teilen. Eε kann εich z.B. um den Drehtranεformator 16 (Winkellagegeber) , die Gaεdruckεenεoren 32, daneben (nicht gezeigte) Sensoren zur Erfasεung der mittleren Drehzahl, des Lastzuεtandes deε Verbrennungεmotors 1 (z.B. über die Drosεelklappenεtellung) und deεεen Drehmomentε (z.B. mit Hilfe einer Drehmomentna¬ be) handeln.

Die bei den Zusatzfunktionen durch Bremsen gewonnene Ener¬ gie wird im Zusatzspeicher 24 zwischengeεpeichert, um zum späteren Antreiben der elektrischen Maεchine 4 wiederver¬ wendet oder der Fahrzeugbatterie 11 zugeleitet zu werden.

Die Fig. 2a - 2c veranschaulichen den Generatorbetrieb zusammen mit der Zusatzfunktion "aktive Schwingungsdämp¬ fung". Fig. 2a zeigt (mit durchgezogener Linie) die Dreh¬ zahl n der Kurbelwelle 10 als Funktion des Kurbelwellen- winkeis φ. Die Welle führt um eine mittlere Drehzahl (hier 3000 Umdrehungen pro Minute) periodisch Drehzahlschwankun¬ gen zu kleineren und größeren Drehzahlen hin aus, welche in diesem idealisierten Beiεpiel insgeεamt einen im wesentli¬ chen sinusförmigen Verlauf haben. Es handelt sich um von den Gas- und Masεenkräften herrührende Drehungleichförmig¬ keiten, die hier in der zweiten Ordnung (d.h. bei einer Frequenz von 100 Hz) auftreten. Zur Veranschaulichung ist

auch das für eine Umdrehung der Welle benötigte Winkelin¬ tervall eingezeichnet. Im weεentlichen proportional zu den Drehungleichförmigkeiten εind Schwankungen deε Drehmomentε Mv deε Verbrennungsmotors um ein mittleres Drehmoment. Die durchgezogene Linie in Fig. 2a veranschaulicht damit auch den Verlauf des Motor-Drehmoments Mv als Funktion des Kur¬ belwellenwinkels φ.

Fig. 2b zeigt das von der elektriεchen Maεchine 4 alε Funk- tion deε Wellenwinkels φ aufgebrachte Drehmoment Me, wobei zwecks beεεerer Anschaulichkeit der zur Generatorfunktion gehörige bremsende Drehmomentanteil noch nicht dargestellt ist. Der Verlauf des Maschinendrehmoments Me iεt im we¬ sentlichen gegenphasig betragsgleich zur Ungleichförmigkeit des Motor-Drehmoments Mv. Im Ergebniε wird die Drehun¬ gleichförmigkeit - und die zu ihr proportionale Schwankung des Drehmoments Mv - wesentlich verringert, oder sie ver¬ schwindet sogar praktisch, wie in Fig. 2a durch die gestri¬ chelte Linie veranschaulicht ist.

In Fig. 2b sind die negativen und positiven Drehmomentex- trema betragsmäßig gleich groß. Die bei einer Bremsphaεe gewonnene Energie ist also im weεentlichen gleich groß wie die bei der folgenden Antriebεphase aufzuwendende Energie. Der Energiefluß nach außen ist somit Null, es wird nur im Inneren des System zeitweise Bremsenergie zwischengespei¬ chert. Das System arbeitet also gemäß Darstellung der Fig. 2b alε reiner Drehungleichförmigkeitε-Verringerer mit schnell variierendem Drehmoment, ohne Generatorfunktion.

Fig. 2c zeigt die Überlagerung beider Funktionen: Die Gene¬ ratorfunktion verschiebt das Drehmoment gemäß Fig. 2b glo¬ bal um einen bestimmten Betrag ΔMe (den sog. Hub) in nega¬ tive Richtung. Der Hub ΔMe variiert i. a. langsam, in dem hier dargestellten kurzen Zeitraum von ungefähr einer Um¬ drehungsperiode ist er in guter Näherung konstant. Er iεt für die üblicherweise benötigten Generatorleistungen klei-

ner als die Amplitude der schnellen Variation des Drehmo¬ ments, so daß das Gesamt-Drehmoment Me alternierend poεiti- ve und negative Werte annimmt. Gemittelt über die εchnelle Drehmomentvariation erhält man ein konεtanteε Drehmoment - ΔMe. Dem Verbrennungsmotor wird also im Mittel mechanische Energie entzogen, die in elektrische Energie umgewandelt und dem System zum Laden der Fahrzeugbatterie 11 und/oder zum Betreiben elektrischer Verbraucher 23, 29, 30 entnommen, wird. Bei reiner Generatorfunktion ohne Schwingungsdämpfung erzeugt die elektrische Maschine 4 ein konstantes Drehmo¬ mententsprechend der strichpunktierten Linie ΔMe in Fig. 2c.

Falls z.B. bei Fahrzeugbremsung der Hub ΔMe größer als die Amplitude zur Verringerung der Drehungleichförmigkeit wird, wirkt die elektrische Maschine 4 nur noch bremsend und nicht mehr antreibend. Der globale Drehmomentverlauf kann auch in positiver Richtung verschoben sein (positiver Hub) . Die elektrische Maschine arbeitet dann als (antreibender) Motor, z.B. um den Verbrennungsmotor bei einer Fahrzeug- beεchleunigung zu unterεtützen.

Allein durch eine entεprechende Einεtellung der (Softwa¬ re-)Steuerung der elektriεchen Maεchine - ohne jegliche konεtruktive (Hardware-)Änderungen - sind kleine und sehr große Generatorleistungen einstellbar. Begrenzend wirkt nur die Größe der elektriεchen Maεchine und der Leiεtungεelek- tronik. Damit kann ein und der εelbe Maεchinentyp beiεpielεweiεe für kleine und große Kraftfahrzeugtypen ohne konstruktive Anpassung verwendet werden.

Die in Fig. 3 näher dargestellte elektrische Maschine 4 ist bürεten- bzw. εchleiferloε und damit verschleißfrei. Sie hat einen Außendurchmesεer von ungefähr 300 mm und eine Länge in Axialrichtung von 70 mm und erbringt bei einem Gewicht von 10-15 kg ein Dauerdrehmoment von ca. 50 Nm und ein Spitzendrehmoment von ca. 150 Nm. Sie kann Drehzahlen

erreichen, die den Spitzendrehzahlen üblicher Verbrennungε- motoren (ca. 6000 biε 10000 U/min) entεpricht und ist dreh¬ zahlfest bis 14000 U/min. Die elektrische Maschine 4 hat einen außenliegenden Ständer 8, welcher Nuten 35 in Rich- tung der Triebwelle 10 (Axialrichtung) aufweist. Der Stän¬ der 8 trägt eine Drei-Phasen-Wicklung 36, die so ausgebil¬ det ist, daß sie bei Beaufschlagung mit Drei-Phasen-Strom zwölf magnetiεche Pole ausbildet. Pro Pol sind drei Nuten 35, insgesamt also εechεunddreißig Nuten 35 vorhanden. (Bei anderen (nicht gezeigten) Auεführungεformen sind zwecks Verringerung von Streueffekten pro Pol wenigstens sechs, bevorzugt neun Nuten vorhanden.) Die Pole laufen mit der Drehstrom-Oszillation in einer Kreisbewegung im Ständer 8 um. Für einen bestimmten Zeitpunkt ist ihre momentane Lage durch Pfeile, welche die Bezugεzeichen "S" (für Südpol) und "N" (für Nordpol) tragen, veranεchaulicht. Ein die Nuten 35 nach außen abεchließender, in Umfangεrichtung durchgehender Rückenteil 37 iεt in Radialrichtung relativ dünn, εeine Dicke beträgt (an der Stelle einer Nut 35) beispielsweise 3-25 mm. Der Ständer 8 ist aus dünnen Statorblechen (die Dicke beträgt hier 0,25 mm) auε einem Material mit niedri¬ gen Ummagnetisierungsverlusten (hier kleiner als 1 W/kg bei 50 Hz und einem Tesla) aufgebaut, mit εenkrecht zur Axial¬ richtung verlaufenden Blechebenen.

Der innenliegende Läufer 9 ist bei der Asynchron-Maεchine alε Käfigläufer mit im weεentlichen in Axialrichtung ver¬ laufenden Käfigεtäben, die jeweils stirnseitig mit einem Kurzschlußring 38 verbunden sind, ausgebildet. Beim der Synchronmaεchine trägt der Läufer 9 die gleiche Anzahl von Polen wie der Ständer 8 (hier zwölf Pole) , die durch Perma¬ nentmagnete oder entεprechend erregte Spulen gebildet sein können. In Fig. 3 iεt die Synchronmaεchine ebenfalls ver¬ anεchaulicht, indem die bei ihr vorhandenen Läuferpole (Bezugsziffer 39) schematisch angedeutet εind. Strom zur Speisung der (nicht gezeigten) Läuferwicklung, welche dieεe

Pole hervorbringt, wird dem Läufer über Schleifringe zu¬ geführt.

Der Luftspalt 40 zwischen Läufer 9 und Ständer 8 iεt rela- tiv groß; seine Weite beträgt hier 1 mm.

Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist der Läufer außenliegend und der Ständer innenliegend.

Bei der Auεführungεform gemäß Fig. 4 iεt in der elektri¬ εchen Maεchine 4 die Kupplung 5 praktisch vollständig inte¬ griert. Innerhalb des z.B. am Motor- oder Getriebegehäuse drehfest gelagerten Ständers 8 ist der Läufer 9 an seiner Peripherie einseitig über einen axial εeitlich auεragenden Käfig 54 mit der Triebwelle 10 des Verbrennungεmotorε 1 drehfeεt verbunden. Der Läufer 9 iεt innen hohl und hat im weεentlichen die Form eines flachen Kreiszylinder-Mantels. In dem Hohlraum ist die Kupplung 5 - hier eine als Fahr¬ kupplung fungierende Lamellenkupplung (Vielflächen-Reib- Scheibenkupplung) - angeordnet. Sie kann einen Kraftschluß zwischen der Triebwelle 10 mit dem Läufer 9 und einer in den Hohlraum ragenden Abtriebswelle 55 zum Getriebe 6 her¬ stellen. Hierzu ist der Läufer 9 innenverzahnt und die Abtriebswelle 55 im Bereich des Hohlraums 55 außenverzahnt. In dem Raum dazwischen ist ein Scheibenpaket 56 angeordnet, deεsen Scheiben 57 abwechselnd außen- und innenverzahnt sind, so daß abwechselnd jeweils eine Scheibe mit dem Läu¬ fer 9 (Außenlamelle 57a) und die nächste Scheibe mit der Abtriebswelle 55 (Innenlamelle 57b) formschlüεεig verbunden ist. Ohne axialen Druck können die Außen- und Innenlamellen 57a, 57b praktisch frei gegeneinander rotieren, die Wellen 10, 55 sind dann entkuppelt. Preßt man die Außen- und In¬ nenlamellen 57a, 57b mit Hilfe einer (nicht dargestellten) Druckvorrichtung (z.B. eines Winkelhebels) in Axialrichtung zusammen, stellen die entstehenden Reibkräfte den KratfSchluß zwischen den Wellen 10, 55 her, so daß sich das vom Verbrennungsmotor 1 und der elektrischen Maschine 4

erzeugte Drehmoment auf die Abtriebswelle 55 überträgt. Der Kraftschlußteil (d.h. hier das Scheibenpaket 56) der Kupp¬ lung 5 findet vollständig im Läufer 9 Platz, ragt alεo nicht etwa in Axialrichtung seitlich aus ihm heraus. Die Kupplung 5 ist als Naßkupplung auεgeführt. Das Kupplungsöl dient gleichzeitig der Kühlung der elektrischen Maschine 4. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungεformen εind andere schaltbare kraftschlüεεige Kupplungen integriert, z.B. eine Einεcheiben-Kupplung in Trocken- oder Naßbauweiεe.

Fig. 5 zeigt einen εchematiεchen Schaltplan deε Wechsel¬ richters 17. Man erkennt den Zwischenkreisspeicher 19 in Form einer Kapazität, welcher der (hier nicht näher darge¬ stellte) Zusatzspeicher 24 parallelgeschaltet ist. Die Kapazität symbolisiert eine Parallelschaltung mehrerer Kondenεatoren.

Der Maεchinenwechεelrichter 20 wird durch drei parallelge¬ schaltete (aber unabhängig schaltbare) Schaltergruppen 42 gebildet, wobei jede der Schaltergruppen 42 für die Erzeu¬ gung jeweils einer der drei Drei-Phasen-Spannungen zustän dig ist. Jede der Schaltergruppen 42 ist eine Serienschal¬ tung zweier (unabhängig schaltbarer) Schalter 43 zwiεchen dem Pluε- und dem Minuεpol deε Zwiεchenkreiεeε. Die Serienschaltung ist mittig (d.h. zwischen den Schaltern 43) mit einer Seite jeweils einer der drei Wicklungen 36a, 36b, 36c der Drei-Phaεenwicklung 36 verbunden; an der anderen Seite sind die drei Wicklungen 36a, 36b, 36c miteinander verbunden.

Parallel zu den Schaltern 43 ist jeweils eine Freilaufdiode 44 geschaltet. Sie ist so gepolt, daß εie normalerweiεe sperrt und, nur wenn der gegenüberliegende Schalter geöff¬ net wird, einen aufgrund von Selbεtinduktion erzeugten, kurzzeitigen Stromfluß in Gegenrichtung durchläßt.

Jeder Schalter 43 symbolisiert eine Parallelschaltung von mehreren (z.B. fünf) MOS-Feldeffektransistoren, welche von der Steuereinrichtung 31 zur Bildung eines Drei-Phasen- Stroms gewünschter Amplitude, Frequenz und Phase direkt angesteuert werden.

Der Gleichspannungsumsetzer 18 umfaßt zwei Unter-Baugrup¬ pen, nämlich eine, welche elektrische Energie von dem nied¬ rigen Spannungsniveau (12 V) auf das hohe Zwischenkreis- Spannungsniveau (60 V bzw. 350 V) bringen kann, und eine andere, welche - umgekehrt - elektrische Energie von dem hohen Spannungsniveau (60 V bzw. 350 V) auf das niedrige Spannungsniveau (12 V) bringen kann. Bei Ausführungsformen mit im Zwischenkreis angeordneter Fahrzeugbatterie kann die erstgenannte Unter-Baugruppe entfallen.

Bei der ersten Unter-Baugruppe handelt es z.B. sich um einen Hochεetzsteller 45. Dieser wird durch eine Serien¬ schaltung einer mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie 11 verbundenen Induktivität 46 und einen mit deren Minuspol und dem Minuspol des Zwiεchenkreiεeε verbundenen Schalter 47 gebildet, wobei dieεe Serienschaltung mittig über eine (in Durchlaßrichtung gepolte) Hochsetzdiode 48 mit dem Pluspol des Zwiεchenkreiεes verbunden ist. Bei geschloεεe- nem Schalter 47 fließt ein Kreiεεtrom vom Plus- zum Minus¬ pol der Fahrzeugbatterie 11. Nach Öffnen des Schalters 47 sucht eine Selbstinduktionεspannung ein Zusammenbrechen dieses Stromes zu verhindern, mit der Folge, daß kurzzeitig daε hohe Zwiεchenkreiε-Spannungεniveau (350 V) überschrit- ten wird und Strom durch die (ansonsten sperrende) Hoch¬ setzdiode 48 fließt und den Zwischenkreiεεpeicher 19 auf¬ lädt. Durch periodisches Öffnen und Schließen des Schalters 47 erzielt man einen quasi-stationären Ladestrom, z.B. als Vorbereitung des Startvorgangs. Bei dem Schalter 47 handelt es sich um einen Halbleiterschalter, welcher direkt von der Steuereinrichtung 31 angeεteuert wird.

Die zweite Unter-Baugruppe iεt z.B. ein Spannungsunterset¬ zer 49, der ähnlich einem Schaltnetzteil funktioniert. Er umfaßt zwei Serienschaltungen von Schaltern 50 zwischen dem Pluε- und Minuspol des Zwiεchenkreiεeε, mit jeweils parallelgeschalteten Freilaufdioden 51. Die Enden einer Primärwicklung eineε Hochfrequenz (HF) -Transformators 52 sind jeweils mit den Mitten dieser Serienschaltungen ver¬ bunden. Die Sekundärwicklung des HF-Transformatorε 52 speiεt eine Gleichrichtungε- und Glättungεeinheit 53, wel- ehe wiederum die Fahrzeugbatterie 11 und ggf. Niederεpan- nungsverbraucher 23 speist. Die Schalter 50 symboliεieren Halbleiterschalter, welche direkt von der Steuereinrichtung 31 angesteuert werden. Durch periodisches Öffnen und Schließen der Schalter läßt sich ein hochfrequenter Wech- selstrom erzeugen, welcher in der Sekundärwicklung des HF- Tranεformatorε 52 eine entεprechende Wechεelεpannung auf niedrigerem Spannungεniveau induziert, welche durch die Einheit 53 gleichgerichtet und geglättet wird. Der genaue Wert der reεultierenden Gleichspannung läßt sich mit Hilfe der Schalter 50 durch Variation der Schaltfrequenz genau einstellen.

Bei Ausführungsformen mit einer Synchronmaschine benötigt man im Generatorbetrieb keine aktiv gesteuerten Halblei- terschalter, hier genügen zur Bildung einer Gleichrichter funktion spannungsgeεteuerte Ventile. Mit aktiv geεteuerten Schaltern erzielt man aber höhere Leiεtung.

Die elektriεche Maεchine 4 gemäß Fig. 6, welche zusätzlich die Funktion einer elektromagnetischen Kupplung und/oder Synchronisiereinrichtung hat, weiεt ein innereε und ein äußeres elektromagnetisches Wirkelement auf, die in Anleh nung an bei elektrischen Maschinen üblichen Bezeichnungs- weiεen hier Läufer 9 und Ständer 8' genannt werden. Der Läufer 9 iεt drehfeεt mit einer z.B. mit dem Getriebe 6 gekoppelten Abtriebεwelle 55 und der Ständer 8' iεt dreh¬ fest mit der Triebwelle 10 verbunden (bei anderen - nicht

gezeigten - Auεführungεformen ist diese Zuordnung umge¬ kehrt) . Die elektrische Maεchine 4 iεt alεo zuεätzlich zur Läuferdrehung als Ganzes drehbar; der Begriff "Ständer" ist also angesichts dessen Drehbarkeit nur in einem übertrage- nen Sinn zu verstehen. Während es bei einer feststehenden elektrischen Maschine - z.B. einer Drehfeld-Maschine - möglich ist, die Stromzufuhr auf das feststehende Wirkele¬ ment (d.h. den Ständer) zu beschränken und im drehbaren Wirkelement (d.h. im Läufer) Ströme ohne Stromzufuhr nur durch Induktion hervorzurufen, wird hier - wo beide Wirk¬ elemente drehbar sind - wenigstenε einem von ihnen (hier dem Ständer 8') Strom über drehbewegliche elektriεche Ver¬ bindungen (z.B. über hier nicht gezeigte Schleifer/Schleif¬ ring-Kontakte) zugeführt. Die Abtriebswelle 55 ist mit einer mechanischen Kupplung, hier einer gegen das Fahrzeug¬ chassis oder das Getriebegehäuεe abgestützten Bremse 62 gegen Drehung festlegbar. Die gezeigte Ausführungεform hat keine Überbrückungεkupplung, andere (nicht gezeigte) Auε- führungsformen εind jedoch mit einer reib- oder kraft- schlüssigen Überbrückungskupplung zur mechanischen Verbin¬ dung der Wellen 10, 55 ausgerüstet.

Die elektrische Maschine 4 kann den Verbrennungsmotor 1 direkt in Abstützung gegen die durch die Bremse 62 festge- legte Abtriebswelle 55 starten. Die Generatorfunktion wird durch einen dauernd aufrechterhaltenen Kupplungsschlupf erzielt.

In der Zusatzfunktion alε Schaltkupplung und ggf. alε An- fahrkupplung wird (abgeεehen von dem Schlupf für die Gene¬ ratorfunktion) ein Gleichlauf der Wellen 10, 55 durch eine solche Einstellung der drehmomenterzeugenden magnetischen Felder der Maschine 4 erzielt, daß Drehzahlgleichheit zwi¬ schen den Wellen 10,55 herrscht. Bei einer Aεynchronmaεchi- ne wird dieε beispielsweiεe durch die Regelung bzw. Steue¬ rung deε magnetischen Schlupfes eines entgegen der An-

triebsdrehmoment-Richtung umlaufenden Drehfelds geeigneter Frequenz und Amplitude erzielt.

Zusatzbeschleunigung oder -bremsung iεt durch Erzeugung entsprechenden Drehmomente - oder anders ausgedrückt - kleineren oder größeren Kupplungsschlupfes möglich. Die elektrische Maschine 4 kann in eine ASR-Regelung derart einbezogen sein, daß bei zu großem Antriebsrad-Schlupf der Kupplungsschlupf augenblicklich vergrößert und damit das an den Antriebsrädern anliegende Moment verkleinert wird.

Eine Verringerung von Drehungleichförmigkeiten der Trieb¬ welle 10 kann im Stand des Fahrzeugs in Abstützung gegen den dann mit Hilfe der Bremse 62 gegen Drehung festgelegten Läufer 9 erfolgen. Bei angetriebener Fahrt können Drehun¬ gleichförmigkeiten durch schnelleε Variieren des übertrage¬ nen Drehmomentε verringert werden, und zwar durch Verklei¬ nerung und Vergrößerung des Kupplungsεchlupfeε.