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Die vorliegende Erfindung behandelt einen Antriebsblock, der als Kfz-Antrieb anstelle einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug verbaubar ist, wobei dieser Antriebsblock seine Antriebsleistung durch elektromotorischen Antrieb erhält.
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Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung behandelt einen Antriebsblock nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Technisches Gebiet
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Besonders interessant sind Antriebsstränge, durch die elektrische Einzelradantriebe realisierbar sind. Diese sogenannten Einzelradelektroantriebe bieten die Möglichkeit des elektrischen „torque vectoring“. Bezüglich der Anordnung ihrer Komponenten und ihrer Wirkweisen können gepaarte Einzelradelektroantriebe auf verschiedene Arten und Weisen realisiert werden.
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Manche Einzelradantriebe werden, so wie u.a. in der
DE 10 2014 214 821 A1 (Anmelderin: Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG; Offenlegungstag: 12.02.2015) beschrieben, durch Radnabenmotoren aufgebaut. Bei Antriebskonzepten mit Radnabenmotoren benötigen die Entwickler solcher Antriebskonzepte Bauraum an jedem anzutreibenden Rad, weil, so wie auch aus den beiden Figuren der
DE 10 2014 214 821 A1 ersichtlich, Motor, Getriebe und ggf. weitere Komponenten des Antriebs unmittelbar neben dem anzutreibenden Rad in einem Kraftfahrzeug einzubauen sind.
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Daher ist es für die Substitution von Verbrennungskraftmaschinen in fertig entwickelten Kraftfahrzeugen durch Elektroantriebe in vielen Fällen einfacher, blockartige bzw. zentralisiert angeordnete Antriebseinheiten für die vormalige Position der Verbrennungskraftmaschine und ihrer Komponenten und Anbauteile vorzusehen.
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Auf der einen Seite sind zu Blöcken zusammengeschlossene Einzelradantriebe bekannt, bei denen jeweils einer von zwei Motoren über ein gemeinsames Twin-Getriebe, das das verbindende, den Block bildende Zwischenbauteil ist, eines der beiden Räder einer Achse eines Kraftfahrzeugs antreiben kann, so wie z. B. in den deutschen Gebrauchsmustern
DE 20 2019 103 770 U1 (Inhaberin: hofer powertrain innovation GmbH),
DE 20 2019 103 771 U1 (Inhaberin: hofer powertrain innovation GmbH),
DE 20 2019 103 778 U1 (Inhaberin: hofer powertrain innovation GmbH),
DE 20 2019 103 779 U1 (Inhaberin: hofer powertrain innovation GmbH) und
DE 20 2019 103 781 U1 (Inhaberin: hofer powertrain innovation GmbH) beschrieben.
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Auf der anderen Seite gibt es das Konzept, zwei voneinander getrennte Motoren in Fahrzeuglängsachse zumindest teilweise überdeckend anzuordnen und an ihren Stirnseiten jeweils ein eigenes, von dem anderen Getriebe abgesetztes Getriebe für die Drehzahlreduktion der Motordrehzahl auf eine Raddrehzahl vorzusehen, wie z. B. in der
WO 2017/211 793 A1 (
Anmelderin: Punch Powertrain N.V.; Veröffentlichungstag: 14.12.2017), in der
DE 10 2010 010 438 A1 (
Anmelderin: Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG; Offenlegungstag: 01.09.2011) oder auch in der
EP 3 587 157 A1 (
Anmelderin: hofer powertrain innovation GmbH; Offenlegungstag: 01.01.2020) vorgestellt.
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Während die
WO 2017/211 793 A1 und die
DE 10 2010 010 438 A1 noch davon ausgehen, dass ein Motor an einer Kraftfahrzeugachse nur dafür verwendet werden kann, jeweils ein Rad anzutreiben, zeigt die
EP 3 587 157 A1 auf, dass die axial hintereinander, von Getrieben seitlich eingefassten beiden Motoren auch so arrangiert werden können, dass wahlweise ein Motor zwei Räder an einer gleichen Achse antreibt, jedoch auch ein Einzelradantrieb bei einem solchen Arrangement möglich ist.
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Für solche, auch mit dem Schlagwort „Sandwich-Bauweise“ aufgrund der seitlichen Einfassung durch die Getriebe bezeichneten Anordnungen von Einzelradantrieben zu einem Antriebsblock ergibt sich häufig, insbesondere bei kompakteren Fahrzeugen oder bei Sportwagen, ein Bauraumproblem.
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Stand der Technik
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Werden die zuvor benannten Druckschriften, die sich mit einem verblockten Antrieb, aber mit getrennten Getrieben beschäftigen, in Bezug auf das in ihnen offenbarte Packaging bzw. die offenbarte Anordnung der Einzelkomponenten eingehender untersucht, lässt sich das jeweils gewählte Packaging wie folgt zusammenfassen.
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Die
WO 2017/211 793 A1 beschreibt die Anordnung zweier Elektromaschinen zusammen mit zwei Getrieben, wobei jeweils ein Getriebe für eine Elektromaschine als Geschwindigkeitsreduzierstufe zu jeweils einem Rad ausgestaltet ist. Diese Anordnung reicht als Einheit bis zu einem in ihrer fotoartigen Figur gezeigten elektrischen Stecker. Tatsächlich überlegt die
WO 2017/211 793 A1 im Zusammenhang mit der Erörterung der
6 sogar, ob elektrische Maschinen überhaupt verwendet werden sollten, und schlägt vor, anstelle von elektrischen Maschinen hydraulische, pneumatische oder sonstige rotierende Maschinen vor den beiden Getrieben einzubauen.
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Die
EP 3 587157 A1 zeigt anhand ihrer
1 und
2 den maximal zur Verfügung stehenden Bauraum, sodass einer der beiden zueinander in der Höhe versetzten Motoren an der oberen Kante des Bauraums liegt, während der andere Motor hierzu tiefer versetzt an der unteren Kante des zulässigen Bauraums angesiedelt ist.
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Die zuvor genannten Druckschriften gelten mit ihren Benennungen als vollumfänglich in vorliegende Erfindungsbeschreibung inkorporiert. Hierdurch soll vermieden werden, nicht mehr erneut und wiederholt allgemein bekannte Zusammenhänge zwischen Radantrieb und Elektromaschine mit Getriebe zu erörtern, sondern durch Verweis auf die Druckschriften als ebenfalls definiert für vorliegende Erfindung ansehen zu dürfen.
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Einzelne Aspekte zur Gestaltung von insbesondere Elektroantrieben lassen sich noch weiteren Druckschriften entnehmen.
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Z. B. zeigt die
JP 2012-223 016 A (Anmelderin: Honda Motor Co. Ltd.; Veröffentlichungstag: 12.11.2012) einen verblockten Einzelradantrieb mit zwei Elektromotoren.
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Die
DE 10 2013 204 784 A1 (Anmelderin: Robert Bosch GmbH; Veröffentlichungstag: 26.09.2014) beschäftigt sich mit einem Lagesensor in einer elektrischen Fahrzeugachsenvorrichtung.
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Die Patentschrift
EP 2 711 247 B1 (
Inhaberin: Nissan Motor Co., Ltd.; Veröffentlichungstag: 25.05.2016) beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Kabelführung der Ladekabel bzw. des Batteriekabels unter dem Blickwinkel der Unfalleinwirkung und der infolge eines Unfalls auftretenden Deformationen des Motorraums. Unter anderem geht aus der
4 der
EP 2 711 247 B1 eine als „eaves“ bezeichnete flache Kabelbefestigungsvorrichtung hervor.
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In der
US 2005/211 490 A1 (
Anmelderin: Hitachi Ltd.; Veröffentlichungstag: 29.09.2005) ist ein Motor-Inverter-Gehäuse als Teil eines Gehäuseverbunds beschrieben, das mit Kühlrippen ausgestattet sein soll.
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Ein in den Figuren, z. B.
7B, der
US 2019/061 504 A1 (Anmelderin: NIO USA, Inc.; Veröffentlichungstag: 28.02.2019) dargestelltes Gehäuse für einen Inverter ist tiefer angeordnet als die Getriebegehäuse der in der der
US 2019/061 504 A1 beschriebenen Antriebsanordnungen.
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Die
US 2016/039 276 A1 (
Anmelderin: Aisin AW Co. Ltd.; Veröffentlichungstag:11.02.2016) beschäftigt sich mit einem Antrieb mit einem Elektromotor und einem Getriebe, wobei einige Leistungselektronikkomponenten für den Inverter in der
4 der
US 2016/039 276 A1 so eingezeichnet sind, dass diese als oben liegend vermutet werden könnten. Einzelne Leistungselektronikkomponenten, wie z. B. die Kondensatoren, sollen in speziellen Fächern des Gehäuses liegen.
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Die
DE 10 2015 217 875 A1 (
Anmelderin: Siemens AG; Veröffentlichungstag: 23.03.2017) beschreibt ähnlich wie die
US 2016/039 276 A1 einen Antrieb mit nur einer elektrischen Maschine sowie einem Getriebe zusammen mit einer Wellenführung und einem Stromrichter.
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Die
DE 10 2013 223 409 A1 (Anmelderin: MTU Friedrichshafen GmbH; Veröffentlichungstag: 21.05.2015) behandelt mehrere unterschiedliche Ausführungsformen elektro-mechanischer Hybridantriebe für Nutzfahrzeuge zum Personen- und/oder Gütertransport. Die Hybridantriebe sollen ein modular aufgebautes Gehäuse haben. Wie
7 der
DE 10 2013 223 409 A1 zeigt, ist von den Umlaufgetrieben eines, das aus zwei gekoppelten Umlaufgetrieben aufgebaut ist, ein Abgangsumlaufgetriebe, während ein anderes Umlaufgetriebe somit ein Eingangsgetriebe sein muss. In allen Ausführungsbeispielen sind die beiden Elektromaschinen, die als Motor und als Generator betrieben werden können, durch eine Welle gekoppelt. Verschiedene Hybridbetriebszustände, die auf der Zwischenspeicherung der Antriebsenergie als elektrische Energie im elektrischen Speicher aufbauen, werden in den
2A bis
4B der
DE 10 2013 223 409 A1 skizziert.
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In der
DE 10 2010 007 066 A1 (Anmelderin: Rheinmetall Landsysteme GmbH; Veröffentlichungstag: 11.08.2011) wird u.a. ein Achsbaustein für ein aus mehreren Fahrzeugmodulen zusammensetzbares, gepanzertes Radfahrzeug beschrieben. Wie in
1 der
DE 10 2010 007 066 A1 gezeigt ist, beherbergt eine durch ein Lagergestell in zwei Bauräume aufgeteilte Wanne zwei Achsgetriebe, die von zwei separat ausgeführten, oben angeordneten Elektromotoren angetrieben werden. Gemäß
2 soll sich auf der jeweiligen Oberseite der Elektromotoren ein kastenförmiger, nicht näher beschriebener Block befinden.
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Aufgabenstellung
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Bei vielen Antriebskonzepten ist es aber in der Regel mit zwei Elektromaschinen und zwei Getrieben noch nicht getan. Damit ein Antriebsstrang überhaupt funktionstüchtig wird, bedarf es häufig weiterer Komponenten, sodass sich die Bauraumproblematik sogar in solchen Fällen noch weiter verschärft. Es stellt sich dabei die Frage, wie der begrenzte Bauraum für komplette Antriebsmodule und Antriebsaggregate genutzt werden kann.
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Erfindungsbeschreibung
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Antriebsblock nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
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Kraftfahrzeuge, die elektromotorisch angetrieben werden sollen, benötigen wenigstens eine Elektromaschine, wie z. B. eine Synchronmaschine oder z. B. eine Asynchronmaschine bzw. von diesen grundlegenden Elektromaschinentypen abgeleitete Weiterentwicklungen (Reluktanzmotor, Radnabenmotor, Spaltrohrmotor, Widerstandsläufer, Ferrarismotor usw.). In der Regel wird ein mit einer im Vergleich zu einer Radgeschwindigkeit mit einer höheren Drehzahl drehender Motor als Antriebsmotor in einem Personenkraftwagen verwendet, dessen Drehzahl durch ein an der Ausgangswelle des Motors angesiedeltes Getriebe auf eine (angemessene) Raddrehzahl reduziert wird, z. B. in einen Drehzahlbereich zwischen 0 U/min bis weniger als 2.000 U/min, in einer alternativen Ausgestaltung bis zu einer maximalen Drehzahl von ca. 2.600 U/min.
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Lässt sich jedes Rad einer Achse eines Kraftfahrzeugs durch einen eigenen Motor antreiben, so kann von einem Einzelradantrieb gesprochen werden, wobei es - bekanntermaßen bzw. siehe oben - auch Getriebeanordnungen gibt, durch die (wahlweise bzw. in Abhängigkeit einer Schaltstellung) einer der Motoren oder sogar beide Motoren als Achsantriebe anstelle von Einzelradantrieben geschaltet werden können. Vorteilhafterweise treibt ein solcher Antriebsblock mit zwei Elektromaschinen, d. h. mit einer ersten Elektromaschine und mit einer zweiten Elektromaschine, entweder eine komplette Achse eines Kraftfahrzeugs oder jeweils eine Elektromaschine treibt ein einzelnes Straßenrad an der anzutreibenden Achse des Kraftfahrzeugs. Wie gesagt, können auch umschaltbare Mischformen an einer Achse eines Kraftfahrzeugs vorhanden sein, die, je nach Schaltzustand, z. B. eines aufschaltbaren Differentials, entweder als Einzelradantrieb oder als Achsantrieb genutzt werden können. Treibt jeweils eine Elektromaschine ein Straßenrad des Kraftfahrzeugs an, kann über eine Ansteuerung der Elektromaschinen, z. B. über einen Inverter (bzw. Wechselrichter bzw. Umrichter), insbesondere durch eine Frequenzsteuerung, ein „torque vectoring“ (eine Gier-Winkelsteuerung des Kraftfahrzeugs) betrieben werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die einzelnen Komponenten eines (Teil-)Antriebs mit den gleichartigen Komponenten eines zweiten (Teil-)Antriebs ineinander geschoben, d. h. aufeinander zubewegt angeordnet sind, was auch mit den Worten „verschachtelt angeordnet“ bezeichnet werden kann. Hierbei ist die Möglichkeit gegeben, jeden (Teil-)Antrieb eigenständig mit sämtlichen Komponenten für das Antreiben eines Einzelrades oder sogar für das Antreiben einer Kfz-Achse auszustatten.
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Lassen sich die einzelnen Komponenten des Antriebsblocks in einem kompakten Block arrangieren, so steht die (theoretische) Möglichkeit zur Verfügung, den Antriebsblock in seinen Abmessungen an den Abmessungen und an der Form einer Verbrennungskraftmaschine mit den an ihr angeordneten Aggregaten auszurichten. Der Formfaktor entspricht (im Wesentlichen) einem Verbrennungsmotor mit seinen Anbauaggregaten und gegebenenfalls seiner Kapselung. Solche Motoren lassen sich in einer Längsfahrzeugrichtung einbauen, z. B. in einem Motorraum unterhalb einer Motorhaube. Hierbei kann der Antriebsblock für einen Quereinbau in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Als Quereinbau des Antriebsblocks kann eine Orientierung bezeichnet werden, bei der die Radantriebswellen, die aus dem Block herausstehen, auf die anzutreibenden Räder gerichtet sind; es gibt keine Umlenkung um 90°, um von den Radantriebswellen zu den Rädern der Achse zu gelangen.
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Entspricht der Antriebsblock in seinen maximalen Abmessungen den Breiten, Höhen und/oder Längen einer Verbrennungskraftmaschine, die für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs konzipiert ist, so bietet sich die Möglichkeit, eine fertig entwickelte Karosserie weiterhin zu verwenden und den Antriebsblock als Substituent für einen Antrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine einzusetzen. Der für eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehene Bauraum kann von dem Antriebsblock genutzt bzw. beansprucht werden. Weitere Komponenten, die sonst noch im Motorraum verbaut sein können, wie eine Hilfslenkung bzw. eine Lenkunterstützung können weiterhin im Motorraum unverändert beibehalten werden.
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Treibt die erste Elektromaschine ein erstes Einzelrad an, bedarf es, aufgrund der erhöhten Drehzahl der Elektromaschine bzw. der für einen Radantrieb zu hohen Winkelgeschwindigkeit, eines ersten (Untersetzungs-)Getriebes. Treibt eine zweite Elektromaschine ein zweites Einzelrad an, so bedarf es, aufgrund der im Vergleich zum Straßenrad höheren Drehzahl der Elektromaschine, eines zweiten Getriebes (in das Langsame). Werden die Getriebe jeweils stirnseitig auf der ersten Elektromaschine bzw. auf der zweiten Elektromaschine befestigt, so ergibt sich ein (Teil-)Block aus einer Elektromaschine und einem dazugehörigen Getriebe. Werden die beiden Elektromaschinen bezüglich ihrer Längserstreckung, z. B. bezüglich ihrer Rotorachsen bzw. ihrer rotierenden Achsen, parallel und bezüglich ihrer Gehäuse hintereinander angeordnet, ergibt sich ein Block aus zwei L-förmigen Motor-Getriebe-Einheiten.
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Die Getriebe, also das erste Getriebe und das zweite Getriebe, können durch mehrere Stirnradstufen oder auch durch ein Planetengetriebe realisiert sein.
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Handelt es sich bei den Elektromaschinen um Motoren, die mit einer Wechselspannung, entweder einphasig oder mehrphasig, wie z. B. dreiphasig, betrieben werden, so bedarf es als weitere Komponente des Antriebsblocks wenigstens eines Inverters; vorzugsweise werden jedoch zwei Inverter eingesetzt, je ein Inverter pro Antrieb, gebildet aus Elektromaschine und Getriebe. Die beiden Inverter werden vorteilhafterweise auf dem doppelt gestalteten L-förmigen Block aus zwei Elektromaschinen und aus zwei an den zylinderförmigen Enden des Gehäuses der Elektromaschinen angesiedelten Getrieben platziert. Hierbei ist der Antriebsblock für einen Einbau vorgesehen, bei dem in einem unteren Bereich die Elektromaschinen und die Getriebe platziert sind, während die Inverter oberhalb der Antriebswellen der Elektromaschinen, d. h. bodenabgewandt angeordnet sind. Die schwereren Elektromaschinen bilden - in der Einbaulage (wenn der Antriebsblock für die Montage in einem Kraftfahrzeug ausgerichtet worden ist (der Hochzeit mit dem Chassis)) - die Basis des Antriebsblocks. Die leichteren, häufig thermisch empfindlicheren, zum Teil auch mechanisch fragileren, Inverter befinden sich in einem Bereich, der im Vergleich zu den Elektromaschinen bodenferner angesiedelt ist.
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Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dargelegt, die für sich gesehen, sowohl einzeln als auch in Kombination, ebenfalls erfinderische Aspekte offenbaren können.
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Vorteilhaft ist es, wenn wenigstens einer der Inverter ein flacher Kasten ist, ganz bevorzugt beide Inverter, insbesondere bei einem mit zwei Elektromaschinen aufgebauten Antriebsblock, flache Kästen sind, die z. B. quadratisch ausgebildet sein können. Jeder Kasten kann eine solche Abmessung haben, dass er ungefähr die Hälfte einer Oberseite des Antriebsblocks ausbildet. Der erste Kasten, also der erste Inverter, bedeckt z. B. die rechte Seite der beiden hintereinander angeordneten Elektromaschinen als überspannende flache Einheit. Der zweite Inverter kann neben dem ersten Inverter angeordnet sein. Der zweite Inverter kann genauso beide Elektromaschinen von oben abdecken. Der zweite Inverter ist idealerweise mit den gleichen Abmessungen ausgestattet wie der erste Inverter. Die beiden Inverter bilden die nach oben hin begrenzende Abdeckung durch ihre oberen Gehäuseschalen.
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Die Unterseite eines Inverters kann dafür gestaltet sein, auf einer Trägerplatte angeordnet zu werden. Die Trägerplatte kann eine flache Abdeckplatte sein, die das Brückenelement über die beiden Elektromaschinen darstellt. Die Trägerplatte ruht als flache Abdeckplatte auf beiden Elektromaschinen. Vibrationen der Elektromaschinen oder des Antriebsblocks werden, wenn die Trägerplatte ausreichend massiv gestaltet ist und zugleich günstig schwingungstechnisch gelagert ist, abgemildert, sodass die Elektronik des Inverters bzw. die beiden Elektroniken der beiden Inverter nur verringerte (idealerweise gar keine) Schwingungen und Vibrationen erleiden.
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Für jeden Inverter kann es - in einer vorteilhaften Ausgestaltung - einen Kabelsteckadapter geben. Die beiden Kabelsteckadapter, von denen jeweils ein Kabelsteckadapter für den Anschluss zu einem Inverter gestaltet ist, sind in einer vorteilhaften Weiterbildung voneinander abweichend. Ein Kabelsteckadapter führt auf einen Elektroanschluss des Inverters, an dem der Kabelsteckadapter angebracht ist.
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Am Rande bemerkt, die zuvor aufgeführten Komponenten, wie erste Elektromaschine, wie zweite Elektromaschine, wie erstes Getriebe, wie zweites Getriebe, wie erster Inverter, wie zweiter Inverter, können jeweils als identische Teile ausgeführt werden. Es kann auch gesagt werden, die Elektromaschinen sind als Gleichteile ausgeführt. Gleichartig kann auch gesagt werden, die Getriebe sind als Gleichteile ausgeführt. Genauso kann gesagt werden, dass die Inverter Gleichteile sind. Hiervon unterscheiden sich, in einer günstigen Weiterbildung, die Kabelsteckadapter, durch die unterschieden wird, ob der erste (Teil-)Antriebsblock ein linker oder ein rechter (Teil-)Antriebsblock ist und ob der zweite (Teil-)Antriebsblock ein rechter oder ein linker (Teil-)Antriebsblock ist.
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Ein solcher Kabelsteckadapter kann für die seitliche Platzierung am Inverter gestaltet sein. Durch den Kabelsteckadapter wird bestimmt, wo ein Stecker seitlich zu dem Inverter positioniert wird. Der Inverter hat eine, wie oben angesprochen, flache, aber eine (gewisse) Länge und eine (gewisse) Breite abdeckende Form. Somit hat der Inverter eine Längserstreckung bzw. eine Breite, die idealerweise (im Wesentlichen) der Breite der beiden nebeneinander bzw. versetzt zueinander angeordneten Elektromaschinen - im Sinne einer Gesamtbreite - entspricht. Der Kabelsteckadapter hat also eine Breite, die der Breite der beiden Elektromaschinen bzw. bei zylindrischen Gehäusen der Elektromaschinen den Durchmessern der Elektromaschinen, wenn diese vollständig nebeneinander liegen, entspricht.
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Vorteilhafterweise ist der Kabelsteckadapter dafür vorgesehen, ein Versorgungskabel, das von einem elektrischen Energiespeicher, z. B. von einem Lithium-Ionen-Akkumulator-Paket, eine elektrische Verbindung an den Inverter über den Kabelsteckadapter herstellt, durch einen Stecker anschließbar zu machen, damit der Inverter aus dem elektrischen Speicher elektrisch versorgt werden kann.
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Ein Kabelsteckadapter kann auch als Elektroübergabe bezeichnet werden. Jeder Inverter hat einen eigenen Kabelsteckadapter, wobei - in ihren konkreten Ausführungen - der Kabelsteckadapter des ersten Inverters von dem Kabelsteckadapter des zweiten Inverters abweichen kann. Die Steckerpositionierung, die an einer Stelle an der Längserstreckung des Kabelsteckadapters vorhanden ist, ist vorteilhafterweise für die Bildung einer Gesamtlänge zwischen dem Energiespeicher bzw. einer zentralen Energiequelle und dem Eingang des Inverters, einem Elektroanschluss des Inverters, platziert. Vorteilhafterweise hat das Kraftfahrzeug eine einzige zentrale Energiequelle als Energiespeicher.
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Auf diese Weise kann eine Strompfadlänge bestimmt werden. Die Strompfadlänge ergibt sich aus der Länge eines Anschlusskabels zwischen Energiespeicher und der Steckerpositionierung des Kabelsteckadapters sowie einer Leitungsführung innerhalb des Kabelsteckadapters. Ist aufgrund von Leitungsführungen innerhalb des Kraftfahrzeugs die eine Länge eines Versorgungskabels an einen der Kabelsteckadapter kürzer als die Länge eines Kabels an den anderen Kabelsteckadaptern, so kann durch eine Leitungsführung innerhalb des Kabelsteckadapters ein Ausgleich bezüglich der (Gesamt-)Länge, bezüglich der Induktivität, bezüglich des Widerstandes und/oder der Signallaufzeiten auf den elektrischen Verbindungen zwischen Energiespeicher und Antriebsblock bewirkt werden. Somit lässt sich ein Ausgleich zwischen unterschiedlichen Längen der unterschiedlichen Anschlusskabel herstellen.
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Vorteilhaft ist es, wenn ein Kabelsteckadapter nicht nur eine Position oder einen Stecker aufweist, in den ein Gegenstecker eines Versorgungskabels einsteckbar ist, sondern ein Kabelsteckadapter eine verschiebliche Steckerposition oder mehrere Stecker anbietet. Je nach Leitungsführung oder Länge des Versorgungskabels kann dann einer der mehreren Stecker ausgewählt werden. Bietet der Kabelsteckadapter mehrere Steckerpositionen, kann ein Anschlusskabel an irgendeiner der zur Verfügung stehenden Steckerpositionen angeschlossen werden. Die Stecker oder Steckerpositionen können so ausgeführt sein, dass ein Anschlusskabel wechselweise an die eine oder andere Position oder an den einen oder anderen Stecker angeschlossen werden kann.
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Das Getriebegehäuse ist vorteilhafterweise ein elliptisches bzw. einer elliptischen Form nachgebildetes, flaches, längliches Gehäuse, das zudem schräg (in Bezug auf einen Boden bzw. eine Straße) angesiedelt ist. Werden die beiden Elektromaschinen zueinander (leicht) versetzt (in Bezug auf eine Bodenhöhe) angesiedelt, kann zusätzlich benötigte Bauraumlänge für die Getriebe durch Schrägplatzierung der Getriebegehäuse geschaffen werden. Bei einem elliptischen Getriebegehäuse kann einer der Brennpunkte der Ellipse, die durch einen Schraubkranz des Gehäuses geformt ist, eine Stelle für einen Austritt einer Radabtriebswelle sein. Im Bereich des Brennpunktes tritt eine Radabtriebswelle aus dem Getriebegehäuse aus. In diesem Sinne wird als Brennpunkt ein konstruktives Hilfsmittel bei der Bildung der Ellipse verstanden (gem. üblicher Ellipsengeometrie). Eine Ellipse hat (üblicherweise) zwei Brennpunkte und einen Mittelpunkt sowie dazugehörige Halbachsen. Einer der Brennpunkte wird als Austrittsstelle aus dem Gehäuse benutzt. Einer der Brennpunkte kann als Eintrittsstelle für eine Antriebswelle der Elektromaschine genutzt werden. In einem Brennpunkt wird Antriebsleistung in das Getriebe eingebracht, in dem anderen Brennpunkt wird Antriebsleistung aus dem Getriebe ausgebracht.
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Jedes Getriebe hat vorteilhafterweise ein eigenes Gehäuse, das dem Getriebe zugehörige Getriebegehäuse. Jedes Getriebe umfasst ein Getriebegehäuse. Ein Getriebe ist mit einem Getriebegehäuse ausgestattet.
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Die Getriebegehäuse reichen weiter nach unten als die Elektromaschinen. Im Bereich einer tiefsten Stelle des Antriebsblocks ist ein Getriebe, genauer ein Getriebegehäuse zu finden. Das Getriebegehäuse reicht weiter in einen bodennahen Bereich als jede der Elektromaschinen. Die Elektromaschinen haben ebenfalls eine tiefste Stelle. Diese tiefste Stelle ist aber weiter von dem Boden bzw. der Straße entfernt als die tiefste Stelle eines der Getriebegehäuse.
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Vorteilhafterweise flankieren die Getriebe mit ihren unteren Enden einen Bauraum, der sich parallel zu den Elektromaschinen zwischen den Getrieben erstreckt. Die Elektromaschinen können von der Unterseite durch weitere Komponenten eingefasst werden. Die Elektromaschinen liegen in einem mittleren Bereich. Der von den Getriebegehäusen seitlich eingefasste Bauraum wird von den Elektromaschinen nach oben begrenzt.
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Die oberste Seite des Antriebsblocks kann mit Kühlrippen ausgestattet sein. Die Kühlrippen befinden sich, sofern die Inverter die höchsten Bauteile des Antriebsblocks sind, an den Invertern. Während Elektromaschinen nicht nur mechanisch häufig robuster als Inverter sind, sondern für höhere Betriebstemperaturen auch deutlich unproblematischer gestaltet werden können, sind viele elektronische Bauteile, die in einem durch ein Gehäuse gekapselten Inverter einzubauen sind, thermisch empfindlicher; bzw. die Bauteile besitzen nur eine geringere maximale Betriebstemperatur. Werden die Kühlrippen an der Oberseite des Antriebsblocks angesiedelt, so kann mit Hilfe der Luftkonvektion, z. B. durch einen Kraftfahrzeugventilator (z. B. einem Viskolüfter oder einem anderen Kupplungslüfter), eine Temperaturabsenkung der Inverter bewirkt werden.
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Die Komponentenkombination aus Elektromaschine und Getriebe erinnert in einer günstigen, besonders kompakten Ausgestaltung an den Großbuchstaben „L“; die Anordnung der beiden Komponenten „Elektromaschine“ und „Getriebe“ zueinander kann auch als L-förmig bezeichnet werden. Der Inverter erinnert an einen Block. Es können identisch gestaltete Inverter als erster Inverter und als zweiter Inverter Teil des Antriebsblocks werden, wenn einer der beiden Inverter im Vergleich zu dem anderen Inverter an seiner Gehäusehochachse gedreht worden ist und somit beide Inverter spiegelbildlich (insbesondere in Bezug auf eine Spiegelsymmetriestelle) zueinander angesiedelt werden. Idealerweise sind beide Gehäuse der Inverter ein wenig voneinander beabstandet angeordnet, sodass sich eine Trennfuge zwischen den Gehäusen der Inverter ausbildet. Der Punkt für die punktsymmetrische Spiegelung des einen Inverters auf den anderen Inverter kann in der Mitte dieser Trennfuge platziert sein.
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Besonders vorteilhaft ist eine Platzierung der Inverter auf dämpfenden Befestigungspunkten, z. B. auf dämpfenden Lagern. Die Inverter können Teil des Antriebsblocks sein und trotzdem vibrationsmäßig von den rotierenden Elektromaschinen entkoppelt sein. Eine dämpfende Aufhängung sichert die ruhige Ortslage jedes Inverters.
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Werden die einzelnen (Teil-)Antriebsblöcke miteinander verglichen, so hat jeder (Teil-)Antriebsblock einen eigenen Elektroanschluss, idealerweise einen eigenen Kühlkreislaufeingang, idealerweise einen eigenen Kühlkreislaufausgang und idealerweise Befestigungspunkte, die spiegelbildlich an dem anderen (Teil-)Antriebsblock wiederzufinden sind. Somit sind die Komponenten des Antriebsblocks miteinander verbunden. Beide (Teil-)Antriebsblöcke sind so gestaltet, dass sie aufeinander zugeschoben einen Gesamtblock bilden, der in seinen Abmessungen einer (üblichen) Verbrennungskraftmaschine eines, insbesondere Klein-Kraftfahrzeuges, entspricht.
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Die vorgestellte Anordnung der einzelnen Komponenten eines Antriebsblocks hat zahlreiche Vorteile. Die empfindlicheren Bauteile, wie z. B. die Inverter, sind aus der größten Gefahrenzone herausgenommen. Steinschläge und andere mechanische Impulse können deutlich geringere Schäden an den Gehäusen der Elektromaschinen verursachen als an den, durch die gewählte erhöhte Position filigraner auslegbaren, Gehäusen der Inverter.
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Ein ganz besonderer Vorteil ergibt sich daraus, dass aufwendig entwickelte Kraftfahrzeuge mit ihren langen Entwicklungszeiten für Karosserien weiterhin nutzbar sind. Solche Kraftfahrzeuge können wahlweise mit einer Verbrennungskraftmaschine oder mit einem der zuvor vorgestellten Antriebsblöcke ausgestattet werden.
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Die zuvor dargestellten Kombinationen und Ausführungsbeispiele lassen sich auch in zahlreichen weiteren Verbindungen und Kombinationen betrachten.
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So ist es u. a. möglich, das Getriebegehäuse und das Elektromaschinengehäuse als Gesamtgehäuse auszugestalten. Eine erste Komponente ist in diesem Fall der elektromotorische Antrieb aus Elektromaschine und Getriebe. Eine zweite bzw. weitere Komponente ist der dazugehörige Inverter.
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Hochvolt-Leitungen von Batterien bzw. Akkumulatoren, kurzum von der zentralen Energiequelle, können unterschiedlich lang sein. Es kann sein, dass die Batterie nicht mittig im Kraftfahrzeug sitzt. In einem solchen Fall kann über die Position der Anschlüsse am Inverter gesteuert werden, dass die Kabellänge zum rechten und zum linken Inverter gleich ist.
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So gibt es eine „interne“ Führung der Hochvolt-Leitungen zum Inverter hin. Hier zählt es, dass die Summe bzw. Länge aus den Einzelstücken des einen Strompfads und die Summe bzw. Länge aus den Einzelstücken des anderen Strompfads äquivalent sind, was über eine „externe Box“, die am Inverter hängt, gesteuert werden kann. Diese „externe Box“ kann der Kabelsteckadapter sein.
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Diese Option kann weiterentwickelt werden. Die Einzelstücke und einzelnen Teilstrecken von der Batterie bis zum einem Inverter sind in Summe gleich zu den Einzelstücken zu dem anderen Inverter. Sprich, die Montageorte für die einzelnen Komponenten können komplett asymmetrisch sein, aber trotzdem ist es möglich, gleiche Hochvolt-Leitungslängen von der Batterie aus bis zu den Elektromaschinen zu haben.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, die beispielhaft besonders vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten darlegen, ohne die vorliegende Erfindung auf diese einzuschränken, wobei
- 1 in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsblock zeigt,
- 2 eine erste Ansicht eines erfindungsgemäßen Antriebsblocks zeigt,
- 3 eine zweite Ansicht eines erfindungsgemäßen Antriebsblocks zeigt und
- 4 eine dritte Ansicht eines erfindungsgemäßen Antriebsblocks zeigt.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug 201 mit einem erfindungsgemäßen Antriebsblock 1. Zu dem Kfz-Antrieb 203 gehört der Antriebsblock 1. Teil des Kfz-Antriebs 203 ist der elektrische Energiespeicher 43, der über Kabel, wie das Versorgungskabel 39 und das Versorgungskabel 41, mit dem Antriebsblock 1 verbunden ist.
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Der Antriebsblock 1 ist ein Einzelradantrieb 205, 207, der zwei einzelne (Straßen-)Räder über seine beiden unabhängig arbeitenden Einzelradantriebe 205, 207 antreiben kann. Die beiden Einzelradantriebe 205, 207 befinden sich an der gleichen Achse 209, die in dem Ausführungsbeispiel nach 1 die Hinterachse des Kraftfahrzeugs 201 ist (z. B. von einem typischen Hinterachsen angetriebenen Sportwagen). Anhand der Fahrgastzelle 223 und der Anordnung des Lenkrads 221 an dem Lenkgestänge 225 ist zu erkennen, dass es sich in dem Ausführungsbeispiel nach 1 um einen Hinterachsantrieb bei dem Einzelradantrieb 205, 207 handelt. Der Antriebsblock 1 ist quer eingebaut, was an der Kraftfahrzeugquerrichtung 213 zu erkennen ist. Der Antriebsblock 1 ist in Längsrichtung schmaler als in Querrichtung, wie durch einen Vergleich der Erstreckung des Antriebsblocks 1 in Längsfahrzeugrichtung 211 im Vergleich mit der Erstreckung in Kraftfahrzeugquerrichtung 213 zu erkennen ist.
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2 zeigt in einer seitlichen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebsblocks 1. In der Ansicht gemäß 2 ist die erste Elektromaschine 3 zusammen mit dem ersten Getriebe 7 von der Seite aus zu sehen. In dieser Ansicht ist auch die erste Steckerposition 49 an dem ersten Kabelsteckadapter 23 zu sehen. Das Getriebe 7 erstreckt sich schräg ausgerichtet in seinem Getriebegehäuse 27 hinter dem Teil des Kabelsteckadapters 23, der die Steckerpositionierung 49 umfasst. An jene Stelle sind die ersten Versorgungskabel 39, 39I herangeführt.
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In 2 ist der Antriebsblock 1 in der Einbaulage 71 dargestellt. In der Einbaulage 71 trennt die erste Trägerplatte 19 den ersten Inverter 11 mit seinem kastenartigen Gehäuse 15 von den darunter liegenden beiden Komponenten Elektromaschine 3 und Getriebe 7. Der erste Inverter 11 bildet mit seiner Oberseite die höchste Stelle 73. Durch das Gehäuse 27 wird die tiefste Stelle 75 gebildet.
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Die erste Elektromaschine 3 hat eine Breite 45, die sich teilweise hinter dem Getriebegehäuse 27 erstreckt.
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Der Inverter 11 (zusammen mit dem Inverter 13 - siehe 3) bildet, wie in 2 zu sehen ist, die Oberseite 77 des Antriebsblocks 1.
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3 zeigt den Antriebsblock 1 aus einer weiteren seitlichen Perspektive. Werden die 2 und die 3 miteinander verglichen, so sieht der Antriebsblock 1 von beiden Seiten aufgrund der ersten Elektromaschine 3, der zweiten Elektromaschine 5, des ersten Getriebes 7, des zweites Getriebes 9, des ersten Inverters 11 und des zweiten Inverters 13 nahezu identisch aus. Unterschiede zwischen linker Ansicht (gemäß 2) und rechter Ansicht (gemäß 3) ergeben sich durch die beiden Kabelsteckadapter 23, 25, deren Steckerpositionierungen 49, 51 anders ausgeführt sind. Hierdurch wird Bedacht genommen auf die unterschiedlichen Strompfadlängen (vgl. 4), die durch die Leitungsführungen 57, 59 hervorgerufen werden. Die (Gesamt-)Strompfadlänge 53 (vgl. 2 i. V. m. 4), die sich aus den einzelnen Strompfadlängen zusammensetzt, kann durch den Kabelsteckadapter 23 angepasst werden. Die (Gesamt-)Strompfadlänge 53, 55, die sich aus den einzelnen Strompfadlängen der einzelnen Komponenten der Verbindung zwischen Batterie 43 und dem eingehausten Inverter 15 bzw. eingehausten Inverter Inverter 17 ergibt, kann für alle Inverter 15, 17 bzw. 11, 13 gleich gehalten werden. Das (zweite) Getriebegehäuse 29 erstreckt sich hinter dem (zweiten) Kabelsteckadapter 25.
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Die zweite Elektromaschine 5 hat eine (zweite) Breite 47, die dem Durchmesser der zylindrisch gestalteten Elektromaschine (im Wesentlichen) entspricht. Die (zweite) Breite 47 beträgt ungefähr die Hälfte der Breite (bzw. Tiefe bzw. Länge) des auf der Elektromaschine 5 oberhalb aufgebrachten (zweiten) Inverters 13.
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Der erste Inverter 11 wird durch die erste Trägerplatte 19 unterstützt. Der zweite Inverter 13 wird durch die zweite Trägerplatte 21 unterstützt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der (fünfte) Befestigungspunkt 103 zwischen dem oberen Teil des Gehäuses des Inverters 13 und der Trägerplatte 21 ein gedämpfter Befestigungspunkt 103, z. B. durch eine Moosgummimatte ist.
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Die verschiedenen Versorgungskabel 39, 39I, 41, 41I sind unterschiedlich lang ausgestaltet. Durch die Gestaltung der Kabelsteckadapter 23, 25 können Längenausgleiche im Bereich oder mittels der Steckerpositionierungen 49, 51 bewirkt werden.
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Die Breite 47 der zweiten Elektromaschine 5 entspricht der Breite 45 der erster Elektromaschine 3.
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In 4 sind besonders gut die Kühlrippen 61, 63, 65, 67 an den kastenartigen Gehäusen 15, 17 der Inverter 11, 13 (vgl. 2 und 3) zu sehen.
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In 4 ist auch gut zu erkennen, dass jeder Inverter 11, 13 seinen eigenen Elektroanschluss 83, 85, seinen eigenen Kühlkreislaufeingang 87, 89, seinen eigenen Kühlkreislaufausgang 91, 93 und seine Befestigungspunkte 95, 97, 99, 101 hat.
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Die (zweite) Strompfadlänge 55 der (zweiten) Leitungsführung 59 wird durch den Abstand des elektrischen Energiespeichers 43 zu dem Antriebsblock 1 bestimmt.
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Die beiden kastenartigen Gehäuse 15, 17 der Inverter 11, 13 sind ein wenig beabstandet, sodass eine Trennfuge 81 zwischen beiden ausgebildet ist.
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Die Inverter 11, 13 können baugleich ausgeführt sein. Allein durch ein Drehen um die Gehäusehochachse 79 ist es möglich, zwei zueinander identische Inverter 11, 13 zu verwenden, die beide Teile der Oberseite 77 des Antriebsblocks 1 sind (vgl. 2 bis 4).
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Die in den einzelnen Figuren gezeigten Ausgestaltungsmöglichkeiten lassen sich auch untereinander in beliebiger Form verbinden.
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Die zentral angeordnete Batterie, wie der elektrische Energiespeicher 43, kann auch an mehreren Stellen verteilt im Fahrzeug platziert sein. Dadurch ergeben sich noch größere Unterschiede in den Kabellängen der Versorgungskabel 39, 39I, 41, 41I.
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Wie anhand der 2 und 3 zu sehen ist, gibt es mehrere Stecker, an die wahlweise das eine Versorgungskabel 39, 41 oder das andere Versorgungskabel 39I, 41I herangeführt werden kann.
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Statt, wie dargestellt, dass die beiden Elektromaschinen 3, 5 zueinander in Bezug auf die tiefste Stelle 75 leicht versetzt angeordnet sind, können, sofern mehr Platz in axialer Richtung zur Verfügung steht, die Elektromaschinen 3, 5 auch auf gleicher Ebene in Bezug auf die Inverter 11, 13 unterhalb dieser angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsblock
- 3
- erste Elektromaschine
- 5
- zweite Elektromaschine
- 7
- erstes Getriebe
- 9
- zweites Getriebe
- 11
- erster Inverter
- 13
- zweiter Inverter
- 15
- erstes kastenartiges Gehäuse, insbesondere des ersten Inverters
- 17
- zweites kastenartiges Gehäuse, insbesondere des zweiten Inverters
- 19
- erste Trägerplatte
- 21
- zweite Trägerplatte
- 23
- erster Kabelsteckadapter
- 25
- zweiter Kabelsteckadapter
- 27
- erstes Getriebegehäuse
- 29
- zweites Getriebegehäuse
- 39, 39I
- erstes Versorgungskabel
- 41, 41I
- zweites Versorgungskabel
- 43
- elektrischer Energiespeicher
- 45
- erste Breite der ersten Elektromaschine
- 47
- zweite Breite der zweiten Elektromaschine
- 49
- erste Steckerpositionierung
- 51
- zweite Steckerpositionierung
- 53
- erste Strompfadlänge
- 55
- zweite Strompfadlänge
- 57
- erste Leitungsführung
- 59
- zweite Leitungsführung
- 61
- erste Kühlrippe
- 63
- zweite Kühlrippe
- 65
- dritte Kühlrippe
- 67
- vierte Kühlrippe
- 71
- Einbaulage
- 73
- höchste Stelle
- 75
- tiefste Stelle
- 77
- Oberseite des Antriebsblocks
- 79
- Gehäusehochachse
- 81
- Trennfuge
- 83
- erster Elektroanschluss
- 85
- zweiter Elektroanschluss
- 87
- erster Kühlkreislaufeingang
- 89
- zweiter Kühlkreislaufeingang
- 91
- erster Kühlkreislaufausgang
- 93
- zweiter Kühlkreislaufausgang
- 95
- erster Befestigungspunkt
- 97
- zweiter Befestigungspunkt
- 99
- dritter Befestigungspunkt
- 101
- vierter Befestigungspunkt
- 103
- fünfter Befestigungspunkt
- 201
- Kraftfahrzeug
- 203
- Kfz-Antrieb
- 205
- erster Einzelradantrieb
- 207
- zweiter Einzelradantrieb
- 209, 209I
- Achse, insbesondere Kfz-Achse
- 211
- Längsfahrzeugrichtung
- 213
- Kraftfahrzeugquerrichtung
- 221
- Lenkrad
- 223
- Fahrgastzelle
- 225
- Lenkgestänge
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014214821 A1 [0004]
- DE 202019103770 U1 [0006]
- DE 202019103771 U1 [0006]
- DE 202019103778 U1 [0006]
- DE 202019103779 U1 [0006]
- DE 202019103781 U1 [0006]
- WO 2017/211793 A1 [0007, 0008, 0011]
- DE 102010010438 A1 [0007, 0008]
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