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Die Erfindung betrifft eine Elektromotorbaugruppe, umfassend zwei elektrische Maschinen mit jeweils einem zumindest mittelbar an einem Gehäuse stationär festgelegten Stator und einem relativ dazu drehantreibbaren Rotor. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, umfassend wenigstens eine solche Elektromotorbaugruppe.
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Elektromotoren oder Elektromotorbaugruppen werden im Automobilbereich in E-Achssystemen eingesetzt, um das Fahrzeug ganz oder teilweise elektrisch anzutreiben. Die Elektromotoren werden in der Regel von einem im Fahrzeug integrierten Batterie-Modul durch Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ oder HVDC, im Englischen „High-Voltage-Direct-Current‟) mit elektrischer Energie versorgt. Die Kühlung jeder der elektrischen Maschinen erfolgt dabei bisher über einen separaten Ölkreislauf mit eigenem Ölsumpf oder durch einen gemeinsamen Ölsumpf mit darin ausgebildeten Trennwänden. Dabei kann es aufgrund von ungleichmäßiger Aufheizung der elektrischen Maschinen, beispielsweise durch einseitige Belastung des Fahrzeugs bei Rennstreckenfahrten im Rundkurs, dazu kommen, dass die Bauteile der elektrischen Maschinen ungleichmäßig stark belastet werden. Dies führt zu unterschiedlich starkem Verschleiß der Bauteile und damit zu kürzeren Wartungsintervallen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektromotorbaugruppe dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine gleichmäßige Kühlung beider elektrischer Maschinen erreicht wird. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße Elektromotorbaugruppe für ein Fahrzeug umfasst ein Gehäuse mit zwei darin aufgenommenen elektrischen Maschinen, wobei jede elektrische Maschine dazu eingerichtet ist, mit einer jeweiligen Abtriebswelle zum Antrieb eines zumindest mittelbar daran angeordneten Rades wirkverbunden zu sein, wobei die jeweilige elektrische Maschine durch einen jeweiligen Ölkreislauf kühlbar ist, wobei die Ölkreisläufe über einen gemeinsamen Ölsumpf miteinander gekoppelt sind. Mit anderen Worten werden zwei voneinander getrennte Ölkreisläufe bereitgestellt, die über den einzigen gemeinsamen Ölsumpf, auch Ölwanne genannt, miteinander gekoppelt sind. Vorteilhaft ist dabei, dass aufwendige Trennwandgeometrien innerhalb des Ölsumpfes eingespart werden können, wodurch mehr Volumen für ein Kühlmittel, wie beispielsweise Getriebe- oder Hydrauliköl, zur Verfügung steht. Zudem senkt sich das Gesamtgewicht der Ölwanne und er ist leichter herstellbar und folglich kostengünstiger.
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Die Ölkreisläufe sind derart ausgebildet, dass sie das Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb von Ölleitungen fördern können. Zwischen zwei fluidisch miteinander verbundenen Bauteilen können die Ölleitungen beispielsweise als Schläuche oder Rohre mit einem geeigneten Innendurchmesser ausgebildet sein. Indem die beiden separaten Ölkreisläufe bzw. Schmiersysteme über den Ölsumpf miteinander verbunden werden, kann zudem eine thermische Kopplung beider Schmiersysteme realisiert werden, wodurch ein ungleichmäßiges Aufheizen der elektrischen Maschinen aufgrund einseitiger Belastung verhindert wird. Einseitige oder ungleichmäßige Belastungen der Elektromotorbaugruppe bzw. der elektrischen Maschinen findet beispielsweise im Rennsport statt, wenn das Fahrzeug im Rundkurs gefahren wird. Aufgrund der miteinander gekoppelten Ölkreisläufe verbleibt der stärkere Abrieb einer elektrischen Maschine nicht nur in einem Kreislauf, sondern teilt sich auf das gesamte Ölvolumen bzw. auf das Gesamtsystem, bestehend aus dem das Kühlmittel aufnehmenden Ölsumpf sowie den beiden Ölkreisläufen auf. Der Ölsumpf kann Teil des Gehäuses sein oder während einer Montage der Elektromotorbaugruppe mit den dazugehörigen Ölleitungen am Gehäuse befestigt werden.
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Die Elektromotorbaugruppe ist Teil eines E-Achssystems und dazu eingerichtet, die Achse eines Fahrzeugs, wie beispielsweise eines PKW, LKW oder NKW zumindest mittelbar anzutreiben. Dazu kann die jeweilige elektrische Maschine der Elektromotorbaugruppe wenigstens eine Abtriebswelle zum Antrieb von einem jeweiligen Rad des Fahrzeugs drehantreiben. Jede elektrische Maschine weist einen zumindest mittelbar am Gehäuse stationär festgelegten Stator und einem relativ dazu drehantreibbaren Rotor auf.
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Der Stator der jeweiligen elektrischen Maschine ist bevorzugt zumindest mittelbar stationär an einem Gehäusedeckel des Gehäuses fixiert und stützt sich folglich daran ab.
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Bei einer Montage der Elektromotorbaugruppe wird die elektrische Maschine zusammen mit der jeweiligen Stromschiene am Gehäusedeckel befestigt, wobei der Gehäusedeckel inklusive der elektrischen Maschine anschließend am Gehäuse befestigt werden. Das Gehäuse ist bevorzugt dazu ausgebildet, von jeder Seite jeweils eine der elektrischen Maschinen im Wesentlichen axial aufzunehmen. Anders gesagt wird bei einer Montage der Elektromotorbaugruppe die elektrische Maschine axial in das Gehäuse eingesetzt. Zudem wird die elektrische Maschine von dem Gehäuse auch radial aufgenommen. Insbesondere nach einer Montage der elektrischen Maschine stützt diese sich radial am Gehäuse ab. Der Gehäusedeckel ist folglich Teil des Gehäuses und begrenzt die Elektromotorbaugruppe zusammen mit dem Gehäuse räumlich. Mithin weist die Elektromotorbaugruppe zwei axial benachbarte elektrische Maschinen auf, wobei die erste elektrische Maschine von einer ersten Seite in das Gehäuse axial eingesetzt wird und die zweite elektrische Maschine von einer gegenüberliegenden zweiten Seite in das Gehäuse axial eingesetzt wird, wobei sich die elektrischen Maschine insbesondere nach Einbau in das Gehäuse radial an diesem abstützen.
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Der Rotor der jeweiligen elektrischen Maschine ist bevorzugt radial innerhalb des jeweiligen Stators angeordnet und ist dazu vorgesehen, eine Abtriebswelle des Achssystems zumindest mittelbar anzutreiben. Die Abtriebswelle kann ferner über ein Getriebe mit einer mit einem Rad wirkverbundenen Welle verbunden sein, um das jeweilige Rad mit einer Drehzahl drehanzutreiben. Auch eine Anordnung, bei der der Stator radial innerhalb des Rotors angeordnet ist, ist ebenfalls denkbar.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die jeweilige elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik steuerungstechnisch verbunden ist. Die jeweilige Leistungselektronik ist über eine jeweilige Zuleitung zumindest mittelbar mit einem Batterie-Modul verbunden, das über die jeweilige elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt. Somit kann eine elektrische Energieversorgung für jedes der sogenannten Elektromotormodule bereitgestellt werden, wobei jede Zuleitung an eine jeweilige Leistungselektronik zur Steuerung der jeweiligen elektrischen Maschine angeschlossen ist. Jedes Elektromotormodul besteht folglich aus einer elektrischen Maschine, einer Leistungselektronik sowie einer Zuleitung, wobei die Zuleitung entweder um das Gehäuse herumgeführt ist oder zumindest abschnittsweise durch das Gehäuse hindurchgeführt ist. Die jeweilige Leistungselektronik ist insbesondere ein Inverter, der den Hochspannungs-Gleichstrom aus dem Batterie-Modul in Hochspannungs-Wechselstrom für die elektrische Maschine umwandelt. Die jeweilige Leistungselektronik ist folglich dazu eingerichtet, die dazugehörige elektrische Maschine mit elektrischer Energie zu versorgen und diese damit zu regeln bzw. zu steuern.
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Vorzugsweise ist im jeweiligen Ölkreislauf ein Wärmetauscher angeordnet. Der jeweilige Wärmetauscher ist dazu eingerichtet, thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen zu übertragen. Insbesondere wird die Wärme aus dem von der elektrischen Maschine erwärmten Kühlmittel vom Wärmetauscher aufgenommen und sowie ab- bzw. weitergeleitet. Ferner ist denkbar, dass Wärme aus dem Kühlmittel durch den Wärmetauscher abgeleitet wird, bevor es durch die elektrische Maschine geleitet wird. Mit anderen Worten durchläuft das Kühlmittel den Wärmetauscher in diesem Fall unmittelbar nach einem Herausfördern aus dem Ölsumpf.
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Bevorzugt ist die jeweilige Leistungselektronik räumlich zwischen dem Gehäuse und dem jeweiligen Wärmetauscher angeordnet. Mit anderen Worten ist der jeweilige Wärmetauscher außen am Gehäuse angeordnet, um eine verbesserte Wärmeableitung und folglich einen besseren Wirkungsgrad zu realisieren.
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Zur Förderung des Kühlmittels ist wenigstens ein Aktuator vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, wenigstens einen der Ölkreisläufe mit einem Kühlmittel zu versorgen. Anders gesagt werden die elektrischen Maschinen zumindest mittelbar über den jeweiligen Aktuator gekühlt, der das Kühlmittel durch den jeweiligen Ölkreislauf pumpt bzw. fördert. Vorzugsweise sind zwei Aktuatoren vorgesehen, wobei der erste Aktuator zur Versorgung des ersten Ölkreislaufs mit Kühlmittel und der zweite Aktuator zur Kühlmittelversorgung des zweiten Ölkreislaufs vorgesehen sind. Unter einer Versorgung mit Kühlmittel ist das Fördern oder Pumpen von Kühlmittel in bzw. durch eine Ölleitung des jeweiligen Ölkreislaufs zu verstehen. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem jeweiligen Aktuator um eine Ölpumpe, die mit der Ölleitung des jeweiligen Ölkreislaufs fluidisch verbunden ist.
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Der jeweilige Aktuator ist bevorzugt im Ölsumpf angeordnet. Der jeweilige Aktuator ist dabei derart ausgebildet und im Ölsumpf angeordnet, dass ein Ansaugpunkt des Aktuators an einem möglichst tiefen Punkt des Ölsumpfs angeordnet ist, sodass das Kühlmittel infolge der Schwerkraft zum jeweiligen Ansaugpunkt gelangt. Der Aktuator kann ferner mit der jeweiligen Leistungselektronik verbunden sein, und von ihr zur Kühlung der jeweiligen elektrischen Maschine in geeigneter Weise gesteuert werden.
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Um das gesamte Ölkreislaufsystem, bestehend aus den beiden Ölkreisläufen und dem damit gekoppelten Ölsumpf vor Verunreinigungen zu schützen sowie um möglichen Abrieb in Form von Schwebepartikeln aus den elektrischen Maschinen herauszufiltern, ist im jeweiligen Ölkreislauf ein Ölfilter angeordnet. Der jeweilige Ölfilter kann beliebig im Ölkreislauf angeordnet sein, und zwar entweder stromabwärts oder stromaufwärts der jeweiligen elektrischen Maschine oder direkt im Aktuator.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Elektromotorbaugruppe der zuvor beschriebenen Art. Das Fahrzeug kann mehrere Achsen aufweisen, wobei wenigstens eine der Achsen eine solche Elektromotorbaugruppe aufweist, die dazu eingerichtet ist, die an der jeweiligen Achse angeordneten Räder elektrisch unabhängig voneinander, das heißt durch jede elektrische Maschine der Elektromotorbaugruppe separat anzutreiben. Vorzugsweise weisen alle Achsen eine derartige Elektromotorbaugruppe auf.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung zur Veranschaulichung des grundsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Elektromotorbaugruppe,
- 2 eine schematische Perspektivdarstellung der erfindungsgemäßen Elektromotorbaugruppe gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Elektromotorbaugruppe gemäß 2, und
- 4 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Elektromotorbaugruppe gemäß den 2 und 3.
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Gemäß 1 ist eine stark vereinfacht dargestellte Elektromotorbaugruppe 1 dargestellt, welche den prinzipiellen Aufbau der Elektromotorbaugruppe 1 eines - hier nicht gezeigten - Achssystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs vereinfacht zeigen soll. Die Elektromotorbaugruppe 1 umfasst zwei axial benachbarte elektrische Maschinen 3, welche jeweils einen - hier nicht näher dargestellten - Stator und einen radial innerhalb des Stators angeordneten - ebenfalls nicht gezeigten - Rotor aufweisen. Der Stator ist an einem Gehäuse 2 stationär festgelegt und der Rotor ist relativ dazu drehantreibbar. Zur Steuerung der jeweiligen elektrischen Maschine 3 ist diese mit einer dazugehörigen Leistungselektronik 4 steuerungstechnisch verbunden, die am Gehäuse 2 befestigt ist. Mithin dient die jeweilige Leistungselektronik 4 als Steuerungseinheit für die dazugehörige elektrische Maschine 3. Vorliegend ist aus perspektivischen Gründen nur eine elektrische Maschine 3, eine Zuleitung 12 sowie eine Leistungselektronik 4 dargestellt.
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Die jeweilige Leistungselektronik 4 wird von einem Batterie-Modul 9 mit elektrischer Energie versorgt, wobei eine Zuleitung 12 über eine beispielsweise als Steckverbindung ausgebildete Schnittstelle 11 mit der jeweiligen Leistungselektronik 4 verbunden ist. Vorliegend ist die Zuleitung 12 um das Gehäuse 2 herumgeführt. Alternativ ist denkbar, die Zuleitung 12 auch teilweise durch das Gehäuse 2 hindurchzuführen.
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Die Elektromotorbaugruppe 1 weist ferner ein Schmiersystem auf, das nachfolgend detaillierter beschrieben wird. Das Schmiersystem umfasst einen Ölsumpf 6 sowie zwei Ölkreisläufe 5, der die beiden Ölkreisläufe 5 miteinander koppelt, wobei jeder der Ölkreisläufe 5 dazu eingerichtet ist, eine der elektrischen Maschinen 3 zu kühlen. In jedem der Ölkreisläufe 5 ist jeweils ein Wärmetauscher 7 zur Kühlung eines - hier nicht gezeigten - Kühlmittels sowie ein Ölfilter 8 zum Herausfiltern von Schwebepartikeln aus dem Kühlmittel angeordnet. Das Kühlmittel wird mittels eines jeweiligen im Ölsumpf 6 angeordneten Aktuators 10 durch den jeweiligen Ölkreislauf 5 gepumpt. Der Aktuator 10 kann zur Steuerung der Kühlmittelförderung steuerungstechnisch mit der jeweiligen Leistungselektronik 4 verbunden sein. Im vorliegenden Fall sind die Aktuatoren 10 mit einem jeweiligen Ölfilter 8 zu einer Einheit bzw. zu einem Modul zusam mengefasst.
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Nach den 2 bis 4 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel detaillierter dargestellt. Das Gehäuse 2 der Elektromotorbaugruppe 1 ist vorliegend dazu ausgebildet, von zwei Seiten jeweils eine elektrische Maschine 3 axial aufzunehmen, die jeweils mit einer dazugehörigen Leistungselektronik 4a, 4b steuerungstechnisch verbunden sind. Dazu kann das Gehäuse 2 im Wesentlichen rohrförmig bzw. innen hohl ausgebildet sein. Alternativ kann zwischen den beiden Aufnahmen für die elektrischen Maschinen 3 auch eine Zwischenwand vorgesehen sein.
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Jede elektrische Maschine 3 ist zumindest mittelbar mit einer jeweiligen Abtriebswelle 13a, 13b wirkverbunden, wobei ferner ein - hier nicht näher dargestelltes und beschriebenes - Getriebe im Leistungsfluss zwischen der jeweiligen elektrischen Maschine und der dazugehörigen Abtriebswelle 13a, 13b vorgesehen sein kann. Über die Abtriebswellen 13a, 13b werden an ihren Enden angeordnete Räder mit einer Drehzahl angetrieben. Ferner sind die beiden elektrischen Maschinen 3 an einem dazugehörigen Gehäusedeckel 14 des Gehäuses 2 befestigt. Die Elektromotorbaugruppe 1 wird somit durch die Gehäusedeckel 14 und das Gehäuse 2 räumlich begrenzt.
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In den 3 und 4 sind die beiden Ölkreisläufe 5a, 5b stark schematisiert aus zwei Perspektiven dargestellt, wobei durch die Pfeile an den Ölkreisläufen 5a, 5b die Fließrichtung des Kühlmittels dargestellt ist. Wie bereits erwähnt, wird jede elektrische Maschine 3 durch einen jeweiligen Ölkreislauf 5a, 5b gekühlt, wobei die beiden separaten Ölkreisläufe 5a, 5b über einen gemeinsamen Ölsumpf 6 miteinander gekoppelt sind. Das im Ölsumpf 6 vorgehaltene Kühlmittel wird durch den jeweiligen Aktuator 10a, 10b in den ersten Ölkreislauf 5a, bzw. den zweiten Ölkreislauf 5b gefördert bzw. gepumpt. Die Aktuatoren 10a, 10b sind vorliegend als Hydraulikpumpen ausgebildet, wobei das Kühlmittel ein Hydrauliköl ist. Das Hydrauliköl wird ausgehend vom jeweiligen Aktuator 10a, 10b zunächst in den jeweiligen Wärmetauscher 7a, 7b gefördert, bevor es in die jeweilige elektrische Maschine 3 der Elektromotorbaugruppe 1 gelangt. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmetauscher 7a, 7b, ist die jeweilige Leistungselektronik 4a, 4b räumlich zwischen dem Gehäuse 2 und dem jeweiligen Wärmetauscher 7a, 7b angeordnet. In der elektrischen Maschine 3 nimmt das Hydrauliköl die in der Wicklung der jeweiligen elektrischen Maschine 3 durch den Stromfluss erzeugte Wärme auf und wird anschließend stromabwärts zurück in den Ölsumpf 6 gefördert. Im Ölsumpf 6 wird das Hydrauliköl durch Gravitation und eine geeignete Innengeometrie des Ölsumpfs 6 zum Aktuator 10a, 10b geleitet, der vorliegend so tief wie möglich im Ölsumpf 6 angeordnet ist, um das Hydrauliköl nach dem Filtern mittels des Ölfilters 8 zurück in den jeweiligen Ölkreislauf 5a, 5b zu pumpen.
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Durch das Koppeln der Ölkreisläufe 5a, 5b über den Ölsumpf 6 ist aufgrund von entfallenen Trennwandgeometrien nicht nur mehr Kühlmittelvolumen im Gesamtsystem vorhanden, es erfolgt zudem eine thermische Kopplung der Ölkreisläufe 5a, 5b, sodass eine einseitige Belastung aus ungleichmäßiger Aufheizung der elektrischen Maschinen 3 vermieden wird. Ferner kann ungleichmäßigem Verschleiß der beiden elektrischen Maschinen positiv entgegengewirkt werden. Mit anderen Worten wird unterschiedlich hoher Abrieb innerhalb der elektrischen Maschinen 3 im Gesamtsystem verteilt, da sich der Abrieb einer elektrischen Maschine 3 nicht mehr in einem eigenen geschlossenen System mit eigenem Ölsumpf befindet. Vielmehr wird der Abrieb über den gemeinsamen Ölsumpf 6 auf beide Systeme gleichmäßig verteilt, sodass die Lebensdauer des Gesamtsystems, bestehend aus dem Ölsumpf 6, den Ölkreisläufen 5a, 5b, den Wärmetauschern 7a, 7b sowie den Aktuatoren 10a, 10b mit den Ölfiltern 8 verbessert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotorbaugruppe
- 2
- Gehäuse
- 3
- elektrische Maschine
- 4, 4a, 4b
- Leistungselektronik
- 5, 5a, 5b
- Ölkreislauf
- 6
- Ölsumpf
- 7, 7a, 7b
- Wärmetauscher
- 8
- Ölfilter
- 9
- Batterie-Modul
- 10, 10a, 10b
- Aktuator
- 11
- Schnittstelle
- 12
- Zuleitung
- 13a, 13b
- Abtriebswelle
- 14
- Gehäusedeckel
