DE69923553T2

DE69923553T2 - Antriebsvorrichtung mit einem flüssigkeitsgekühlten elektrischen Motor und Planetengetriebe

Info

Publication number: DE69923553T2
Application number: DE69923553T
Authority: DE
Inventors: Viktor Arbanas; Ernst Zysset
Original assignee: Swatch Group Management Services AG
Current assignee: Swatch Group Management Services AG
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JP2001065647A; KR20010021235A; EP1077522A1; EP1077522B1; US6329731B1; KR100676585B1; ATE288633T1; DE69923553D1; JP4855564B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung des Typs, der einen Elektromotor und ein Planetengetriebe, das mit einer von dem Motor angetriebenen Antriebswelle und mit einer Abtriebswelle versehen ist, umfasst, wobei die Vorrichtung mit einem Kühlkreis des Motors versehen ist, der eine die Zirkulation einer Flüssigkeit in dem Kreis sicherstellende Pumpe aufweist, wobei das Planetengetriebe drei Hauptelemente umfasst, nämlich: ein Sonnenrad, einen Planetenträger, der mit mehreren Planetenrädern versehen ist, und ein Hohlrad, das mit den Planetenrädern in Eingriff ist, wobei eines dieser drei Hauptelemente mit der Antriebswelle verbunden ist, ein anderes Element mit der Abtriebswelle verbunden ist und ein drittes Element als Reaktionselement dient.
Die Wärme, die von dem Elektromotor erzeugt wird, muss abgeführt werden, um die Gefahr seiner Überhitzung zu vermeiden. Im Stand der Technik kann diese Kühlung durch einen Kühlkreis sichergestellt werden, der durch den Elektromotor verläuft und in dem eine Kühlflüssigkeit mittels einer Pumpe zirkuliert, die sich außerhalb des Elektromotors befindet. Eine solche Vorrichtung hat jedoch einen großen Platzbedarf weil sie eine mechanische Übertragung zwischen dem Motor und der Pumpe sowie Leitungen für die Flüssigkeit zwischen diesen Elementen und einem Kühlkörper, wo sich die Flüssigkeit abkühlt, erfordert.
In den Patentanmeldungen EP 785 612 und EP 660 492 ist vorgesehen, einen Elektromotor mittels des Öls eines Kraftübertragungsgetriebes, das direkt mit der Welle des Motors gekoppelt ist, zu kühlen, wobei dieses Öl von der Kraftübertragung in die Hohlwelle des Motors eingeleitet wird. Diese Vorrichtungen haben jedoch einen begrenzten Wirkungsgrad, weil sie nur den Rotor des Motors kühlen.
In dem Patent US 5 127 485 ist eine Antriebsvorrichtung des im Oberbegriff angegebenen Typs beschrieben, die die Form einer kompakten Einheit hat, die ein einziges Rad eines Fahrzeugs wie etwa eines Golf-Fahrzeugs antreibt. Der untere Teil des dem Elektromotor und dem Planetengetriebe gemeinsamen Gehäuses enthält das Öl, das durch eine von einem anderen Elektromotor angetriebene Ölpume, die in Abhängigkeit von der Temperatur des Hauptmotors oder des durch ihn fließenden Stroms gesteuert wird, gefördert wird, um diesen Motor zu kühlen, indem das Öl über die Wicklungen seines Stators und über den Rotor fließt, nachdem es durch einen in das Gehäuse eingebauten Kühl körper geflossen ist. Da dieses Kühlungssystem einen zusätzlichen Motor zum Antreiben der Pumpe und eine bestimmte Steuereinheit zum Steuern dieses Motors erfordert, kann sie Ausfällen unterliegen und gewährleistet daher keine ausreichende Kühlung unter allen Umständen. Außerdem macht die Notwendigkeit des Vorsehens eines speziellen Aufnahmesitzes für die Pumpe und ihres eigenen Motors, vor allem mit einer dichten Kammer für diesen Letzteren, den Aufbau kompliziert.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, diese Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und den Elektromotor mit Hilfe einer besonders einfachen und kompakten Vorrichtung zu kühlen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit Hilfe einer Antriebsvorrichtung des weiter oben angegebenen Typs, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe eine Verdrängerpumpe ist, die durch die Drehung des Reaktionselements des Planetengetriebes angetrieben wird.
Somit wird zum Antreiben der Pumpe ein in der Antriebsvorrichtung bereits vorhandenes mechanisches Organ verwendet, wodurch der Aufbau in allen diesen Fällen vereinfacht wird. Darüber hinaus kann die Pumpe vorteilhaft im selben Gehäuse wie das Planetengetriebe angeordnet sein, was Verbindungsleitungen vermeidet.
Vorzugsweise ist das Reaktionselement das Hohlrad des Planetengetriebes, das seinerseits wenigstens einen Teil des Rotors der Pumpe bildet.
Vorzugsweise ist der Kühlkreis mit wenigstens einem einstellbaren Ventil versehen, beispielsweise mit einem Durchflussbegrenzungsventil, das durch eine elektronische Steuereinheit gesteuert wird. Somit ist es möglich, die Kühlung des Motors in Abhängigkeit von den Bedürfnissen automatisch einzustellen, indem der Durchsatz der von der Pumpe geförderten Kühlflüssigkeit eingestellt wird.
Darüber hinaus ist die Kühlung des Motors selbst dann möglich, wenn die Abtriebswelle still steht. In diesem Fall kann nämlich der Motor gedreht werden, indem das Reaktionselement gedreht wird, wodurch die Kühlflüssigkeit zirkuliert.
Schließlich bilden gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung die Pumpe, das einstellbare Ventil und die elektronische Steuereinheit Steuermittel, die auf das Reaktionselement einwirken, um die Drehzahl und/oder das Drehmoment der Abtriebswelle einzustellen.
Die Erfindung wird besser verständlich beim Lesen der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die anhand eines erläuternden und nicht beschränkenden Beispiels gegeben wird, indem auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, worin:
1 eine radiale Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, die einen Elektromotor, ein Planetengetriebe und einen in den zwei Komponenten verlaufenden Hydraulikkreis umfasst, wobei die Figur aus zwei Halbschnitten längs der Linie A1-A1 in 2 und der Linie A2-A2 in 3 gebildet ist,
2 eine Längsschnittansicht längs der Linie B-B von 1 ist,
3 eine Längsschnittansicht der Hälfte der Vorrichtung längs der Linie C-C von 1 ist und
4 ein allgemeiner Schaltplan der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist.
Die in den 1 bis 3 gezeigte Antriebsvorrichtung umfasst einen Motor 1 und ein Planetengetriebe 3 in einem gemeinsamen Gehäuse 5 aus zwei Teilen. Der hier beschriebene Motor ist ein Elektromotor, die Erfindung könnte jedoch ebenso gut an eine Brennkraftmaschine angepasst werden. Herkömmlicherweise umfasst der Elektromotor 1 einen Stator 7 und einen Rotor 9, der mit einer Hohlwelle 11 versehen ist. Diese dreht sich um ein festes Mittelrohr 12. Die Gesamtheit dieser Elemente ist in einem Motorrahmen 13 aufgenommen, auf dem die Welle 11 des Rotors durch Lager 15 aufliegt. In der folgenden Beschreibung wird diese Welle 11 "Antriebswelle" genannt.
In ebenfalls herkömmlicher Weise ist das Planetengetriebe 3 aufgebaut aus einem mittigen Sonnenrad 17, einem Planetenträger 19, der mit mehreren Planetenrädern 21 (drei, wie am besten aus 1 hervorgeht) versehen ist, und aus einem Hohlrad 23, das an seiner inneren Oberfläche 24 mit Zähnen versehen ist. Die Planetenräder 21 sind an dem Planetenträger 19 mit Wellen 25 angebracht und gleichzeitig mit dem Sonnenrad 17 und mit der Zahnung des Hohlrades 23 in Eingriff. Der Planetenträger 19 ist durch eine Welle 27, die "Abtriebswelle" genannt wird, verlängert, die dazu bestimmt ist, ein (in den Figuren nicht gezeigtes) angetriebenes Element zu drehen, das ein Element einer Maschine oder beispielsweise das Rad eines Fahrzeugs sein kann.
Der Elektromotor 1, sein Rahmen 13 und das Planetengetriebe 3 sind in dem zylindrischen Gehäuse 5 angebracht, das aus mehreren Teilen verwirklicht ist, um die Montage der verschiedenen Elemente zu ermöglichen. Genauer ist dieses Gehäuse 5 aus einem kreisförmigen Boden 29, der in 2 links ersicht lich ist, aus einem ringförmigen mittigen Teil 31, der mit Flügeln versehen ist und einen Kühlkörper bildet, und aus einem Teil 33 gegenüber dem Boden 29, der vor allem das Planetengetriebe 3 schützt und im Folgenden Kraftübertragungsgehäuse 33 genannt wird, aufgebaut. Dieses Kraftübertragungsgehäuse 33 weist eine im Allgemeinen konische Form auf, wobei sein Abschnitt mit kleinstem Durchmesser eine Öffnung 35 für den Durchgang der Abtriebswelle 27 definiert. Das Ende des Planetenträgers 19, das mit der Abtriebswelle 27 verbunden ist, ruht auf einem Lager 37, das in dieser Öffnung 35 aufgenommen ist. Außerdem ruht das andere Ende des Planetenträgers auf einem weiteren Lager 39, das seinerseits auf dem Rahmen 13 des Elektromotors ruht.
Wie in 2 gezeigt ist, weist das Hohlrad 23 außer seiner gezahnten Innenfläche zwei gegenüberliegende ebene Seitenflächen, die vordere Seitenfläche 41 (d. h. die in 1 sichtbare Seitenfläche) und hintere Seitenfläche 43 genannt werden, auf. Außerdem weist der Rahmen 13 des Elektromotors in dem Bereich, der sich gegenüber der hinteren Seitenfläche 43 befindet, eine ringförmige, ebene Kontaktoberfläche 45 auf. Auf symmetrische Weise weist das Kraftübertragungsgehäuse 33 in dem Bereich, der sich gegenüber der vorderen Seitenfläche 41 des Hohlrades befindet, eine ringförmige, ebene Kontaktoberfläche 47 auf. Diese zwei Kontaktoberflächen 45, 47 tragen zur Führung des Hohlrades 23 bei und sind voneinander um eine Strecke beabstandet, die die Drehung des Hohlrades zulässt, jedoch eine gute Dichtigkeit mit diesem gewährleistet.
Wenn nun auf 1 Bezug genommen wird, ist ersichtlich, dass das Kraftübertragungsgehäuse 33 eine zylindrische innere Oberfläche 49 und eine Außenwand mit mehreren Öffnungen 51, die dazu bestimmt sind, Schrauben aufzunehmen, die sie am Rahmen 13 des Motors befestigen, aufweist. Das Hohlrad 23 besitzt gegenüber ihrer gezahnten inneren Oberfläche 24 eine glatte äußere Oberfläche 53. Während das Profil der inneren Oberfläche 24 kreisförmig ist, ist das Profil der äußeren Oberfläche 53 nicht kreisförmig, sondern eventuell oval. Mit anderen Worten, die Dicke e des Hohlrades 23 ist nicht konstant. Daraus ergeben sich zwei symmetrische und diametral gegenüberliegende Kammern 54 zwischen den Oberflächen 49 und 53. Diese Kammern sind seitlich durch die Kontaktoberflächen 45, 47, die oben erwähnt worden sind, begrenzt. In Umfangsrichtung sind sie durch zwei unbewegliche Segmente 59 begrenzt, die im Gehäuse 33 radial gleiten und gegen die Oberfläche 53 des Rotors durch Federn 61 gedrückt werden. Durch Gleiten an diesen Segmenten verändert die nicht kreisförmige Ober fläche 53 das Volumen der Kammer 54. Somit bilden gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung das Hohlrad 23 und das Gehäuse 33 des Planetengetriebes eine hydraulische Verdrängerpumpe 60 (4), wobei das Hohlrad 23 den Rotor dieser Pumpe bildet. Gemäß einer hier nicht gezeigten Ausführungsvariante könnte das Hohlrad 23 nur einen Teil dieses Rotors bilden, in dem Sinn, dass an ein herkömmliches (d. h. kreisförmiges) Hohlrad, das auf dem Markt verfügbar ist, zwei Teile mit sich kreuzender Form angepasst werden, um die ovale oder analoge endgültige Form zu erhalten.
Die Pumpe kann sich entsprechend der Richtung des Reaktionsmoments in zwei Richtungen drehen. Die beiden Kammern 54 sind mit Saugöffnungen 55 bzw. Förderöffnungen 57 verbunden. In 1 wird angenommen, dass sich das Hohlrad 23 in Richtung des Pfeils F1 dreht und dass die Saug- und Förderöffnungen wie gezeigt festgelegt sind. Wenn sich jedoch der Motor in der anderen Richtung (Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs) dreht, dreht das Reaktionsmoment das Hohlrad 23 in der entgegengesetzten Richtung (Pfeil F2), wobei die Saugöffnungen 55 dann zu den Förderöffnungen 57 werden und umgekehrt, wobei die Flüssigkeit in der anderen Richtung gefördert wird.
Schließlich sei angemerkt, dass das Hohlrad, das den Rotor der Pumpe bildet, nicht präzise im Gehäuse des Planetengetriebes zentriert werden muss, weil die Segmente 59, die mittels Federn 61 gegen es gedrückt werden, ihm ermöglichen, gegenüber der Oberfläche 49 des Gehäuses 33 ein radiales Spiel zu haben.
Die allgemeine Struktur der Antriebsvorrichtung wird mit Bezug auf das Schema von 4 beschrieben, wo der Elektromotor 1, das Getriebe 3 und die Kühlflüssigkeitspumpe 60 sowie der Kreis 62 der Kühlflüssigkeit, die vorteilhaft Wasser ist, gezeigt sind. Dieser Kreis beginnt bei den Förderöffnungen der Pumpe 60 und bildet eine geschlossene Schleife, um zu den Saugöffnungen dieser Pumpe zurückzukehren. Dieser Kreis ist symmetrisch und umfasst ein Paar einstellbarer Ventile 63 für die Durchflussbegrenzung, die sich jeweils hinter jeder Förderöffnung befinden. Eine zu jedem Ventil 63 parallele Ableitung umfasst ein Rückschlagventil 65. Dieser Kreis 62 ist symmetrisch, um so die Drehung der Pumpe in den beiden Richtungen zu ermöglichen. Der Kühlkreis verläuft außerdem durch den Kühlkörper 31 und den Elektromotor 1, bevor er zur Pumpe 60 zurückkehrt, indem er das Rückschlagventil 65 durchläuft. Außerdem kann der Kreis mit einem Flüssigkeitsvorratsbehälter oder mit einem hydraulischen Akkumulator 73 verbun den sein.
Die einstellbaren Ventile 63 werden durch eine elektrische Steuereinheit 67, die Signale von Sensoren empfangen kann, die beispielsweise die Drehzahl der Antriebswelle 11 und der Abtriebswelle 27, die Temperatur des Motors 1 und dergleichen angeben, automatisch vorgesteuert. Die elektronische Einheit 67 kann ein Programm enthalten, das den Kühlflüssigkeitsdurchfluss sowie den Förderdruck der Pumpe und daher das durch die Flüssigkeit auf das Planetengetriebe ausgeübte Reaktionsmoment automatisch steuert.
Der Kühlflüssigkeitskreis durch den Motor wird nun im Einzelnen mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben.
Wie in dem Schnitt von 2 veranschaulicht ist, dringt die Flüssigkeit, die von der Förderöffnung 57 ausgegeben und durch das in 4 gezeigte Ventil 63 verläuft, über eine Leitung 75 in einen ersten ringförmigen Kanal 77 ein, der sich über den gesamten Umfang des Motors erstreckt, anschließend durchläuft die Flüssigkeit ein Bündel von Kühlleitungen 81 des Stators, um in einem zweiten ringförmigen Kanal 79, der dem Kanal 77 ähnlich ist, am anderen Ende des Motors wieder zusammengeführt zu werden. Wie in 1 gezeigt ist, sind die Kühlleitungen 81 im Wesentlichen auf der gesamten Umfangsfläche des Stators angeordnet. Sie können im Schnitt eine beliebige Form aufweisen. Schließlich verlässt die Kühlflüssigkeit den zweiten ringförmigen Kanal 79 und dringt über eine radiale Leitung 83 in das mittige Rohr 12 ein, von wo aus sie sich zwischen dem Rohr 12 und der inneren Oberfläche der Hohlwelle des Motors bewegt, wo sie sich durch die Wärme des Rotors bewegt. Die Flüssigkeit bewegt sich dann in eine weitere radiale Leitung 85 und dringt durch eine Öffnung 86 in den Kühlkörper 31 ein. Dieser enthält einen Sammelkanal 87, der mit einem weiteren Sammelkanal 89 über ein Bündel von Kühlrohren 91, die durch die Flügel des Kühlkörpers 31 auf seiner gesamten Länge verlaufen, verbunden ist. Schließlich verlässt die Kühlflüssigkeit den Sammelkanal 89, um bei der Saugöffnung 55 wieder zusammengeführt zu werden. Die beiden Kanäle 87 und 89 erstrecken sich jeweils über etwas weniger als die Hälfte des Umfangs des Motors, wie in 1 ersichtlich ist, wo auch ersichtlich ist, dass die Rohre 91 des Kühlkörpers 31 einen kreisförmigen Querschnitt haben.
Es ist anzumerken, dass der Kühlkörper 31 entsprechend den Bedürfnissen auch anders entworfen sein könnte, beispielsweise auf einer einzigen Seite des Motors angeordnet sein könnte, um einem Luftstrom gut ausgesetzt zu sein. Dieser Luftstrom könnte durch ein Gebläse erzeugt werden und durch eine den Kühlkörper überdeckende Abdeckhaube geführt werden.
In 2 ist ersichtlich, dass die Kontaktoberflächen 47, 45 des Motorrahmens 13 bzw. des Kraftübertragungsgehäuses mit Nuten 93 versehen sind. Außerdem weist der Rahmen des Motors 13 eine Bohrung 95 auf, die die Nuten 93 mit dem Eingang des ringförmigen Kanals 77 verbindet. Da nämlich die Kühlflüssigkeit vorzugsweise Wasser ist, ermöglichen die Nuten 93 die Rückgewinnung von entwichenem Wasser, das andernfalls in das Planetengetriebe eindringen könnte.

Claims

Antriebsvorrichtung, die einen Elektromotor (1) und ein Planetengetriebe (3), das mit einer von dem Motor angetriebenen Antriebswelle (11) und mit einer Abtriebswelle (27) versehen ist, umfasst, wobei die Vorrichtung mit einem Kühlkreis (62) des Motors (1) versehen ist, der eine die Zirkulation einer Flüssigkeit in dem Kreis sicherstellende Pumpe (60) aufweist, wobei das Planetengetriebe (3) drei Hauptelemente umfasst, nämlich: ein Sonnenrad (17), einen Planetenträger (19), der mit mehreren Planetenrädern (21) versehen ist, und ein Hohlrad (23), das mit den Planetenrädern in Eingriff ist, wobei eines dieser drei Hauptelemente mit der Antriebswelle verbunden ist, ein anderes Element mit der Abtriebswelle verbunden ist und ein drittes Element als Reaktionselement dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe eine Verdrängerpumpe ist, die durch die Drehung des Reaktionselements des Planetengetriebes angetrieben wird.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionselement das Hohlrad (23) des Planetengetriebes ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (23) wenigstens einen Teil des Rotors der Pumpe bildet.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (33) des Planetengetriebes auch das Gehäuse der Pumpe bildet.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (11) eine Hohlwelle des Rotors (9) des Elektromotors ist und dass der Kühlkreis innerhalb der Hohlwelle verläuft.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis vollständig in einem gemeinsamen Gehäuse (5), das den Motor und das Planetengetriebe enthält, enthalten ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Gehäuse (5) an seinem Umfang mit einem Kühlkörper versehen ist, in dem der Kühlkreis verläuft.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (1) und die Pumpe (60) so angeordnet sind, dass sie sich in den zwei Richtungen drehen.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis mit wenigstens einem einstellbaren Ventil versehen ist, das durch eine elektronische Steuereinheit (67) gesteuert wird.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein einstellbares Durchsatzbegrenzungsventil (63) ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (67) Signale von wenigstens einem Sensor empfängt, der aus einem Drehzahlsensor für die Antriebswelle (11), einem Drehzahlsensor für die Abtriebswelle (27) und einem Temperatursensor des Motors (1) ausgewählt ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (60), das einstellbare Ventil (63) und die elektronische Steuereinheit (67) Einstellmittel bilden, die auf das Reaktionselement einwirken, um die Drehzahl und/oder das Drehmoment der Abtriebswelle (27) einzustellen.