DE102023203357A1 - Electric drive axle for an electrically powered vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsachse für ein Antriebssystem eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, umfassend einen elektrischen Antrieb 1 mit einem fremderregten Synchronmotor, umfassend eine Anregeeinheit 13, einen Stator 11 und einen Rotor 12, der auf einer Rotorwelle 121 angeordnet ist, eine Leistungselektronik 2, die mit dem elektrischen Antrieb 1 verbunden ist, um den elektrischen Antrieb 1 oder eine Batterie mit Strom zu versorgen, und ein Getriebe 3, das ein Reduziergetriebe mit einem integrierten Differential und mit dem elektrischen Antrieb 1 gekoppelt ist, sodass ein Drehmoment von dem elektrischen Antrieb 1 auf das Getriebe 3 oder umgekehrt übertragen werden kann, wobei die Leistungselektronik 2, der elektrische Antrieb 1 sowie das Getriebe 3 koaxial auf der Rotorwelle 121 angeordnet sind, und der elektrische Antrieb 1 zwischen der Leistungselektronik 2 und dem Getriebe 3 angeordnet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsachse für ein Fahrzeug, die eine Leistungselektronik, einen elektrischen Antrieb und ein Getriebe umfasst. Die elektrische Antriebsachse ist insbesondere für Kraftfahrzeuge, wie Personenkraftwagen (Pkw), Transporter, etc. geeignet. Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt insbesondere in der Automobilindustrie auf dem Gebiet der Elektro- oder Hybridfahrzeuge.The invention relates to an electric drive axle for a vehicle, which comprises power electronics, an electric drive and a transmission. The electric drive axle is particularly suitable for motor vehicles, such as passenger cars, vans, etc. The field of application of the invention is particularly in the automotive industry in the field of electric or hybrid vehicles.
Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von elektrischen Antriebsachsen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge ist es, diese möglichst kompakt und effizient zu gestalten. Daher sollte ein für den Antrieb erforderlicher Bauraum so klein wie möglich sein. Darüber hinaus ist es für die Effizienz einer solchen elektrische Antriebsachses sinnvoll, die Komponenten so anzuordnen und miteinander zu verknüpfen, dass Strom, mechanische Kräfte und Drehmomente möglichst kurze Wege zurücklegen müssen.An important aspect in the development of electric drive axles for electric or hybrid vehicles is to make them as compact and efficient as possible. Therefore, the installation space required for the drive should be as small as possible. In addition, for the efficiency of such an electric drive axle, it makes sense to arrange and link the components in such a way that electricity, mechanical forces and torques have to travel the shortest possible distances.
Im Stand der Technik werden für Elektrische Antriebsachsen von Personenkraftwagen im Wesentlichen permanenterregte Synchronmotoren (engl.: Permanent Magnet Synchronous Motors, kurz: PMSM) oder fremderregte Synchronmotoren (engl.: Separately Excited Synchronous Motors, kurz: SESM) als Antrieb verwendet. Während permanenterregte Synchronmotoren über Permanentmagnete im Rotor verfügen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, verfügen fremderregte Synchronmotoren über Wicklungen im Rotor, durch welche ein Strom geleitet wird um das Magnetfeld zu erzeugen. Vorteilhaft ist bei Letzterem insbesondere, dass eine Stärke des Magnetfelds durch eine Stromstärke eingestellt werden kann und das keine seltenen Erden für die Permanentmagnete benötigt werden, weshalb diese Technik vor allem für die Senkung der Produktionskosten eine Rolle spielt.In the current state of the art, permanent magnet synchronous motors (PMSM) or separately excited synchronous motors (SESM) are essentially used as drives for electric drive axles in passenger cars. While permanent magnet synchronous motors have permanent magnets in the rotor to generate a magnetic field, separately excited synchronous motors have windings in the rotor through which a current is passed to generate the magnetic field. The advantage of the latter is that the strength of the magnetic field can be adjusted by changing the current and that no rare earths are required for the permanent magnets, which is why this technology plays a role in reducing production costs.
Fremderregte Synchronmotoren weisen in der Regel einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Rotor um eine Rotorachse rotierbar ist. Im Stand der Technik wird die Leistungselektronik in der Regel in radialer Richtung von der Rotorachse aus gesehen hinter dem Rotor und/oder dem Getriebe angeordnet, wodurch in radialer Richtung zusätzlicher Bauraum beansprucht wird.Separately excited synchronous motors usually have a stator and a rotor, with the rotor being rotatable about a rotor axis. In the current state of the art, the power electronics are usually arranged behind the rotor and/or the gearbox in the radial direction from the rotor axis, which requires additional installation space in the radial direction.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine elektrische Antriebsachse für ein Fahrzeug, die eine Leistungselektronik, einen elektrischen Antrieb und ein Getriebe umfasst, bereitzustellen, die eine sehr hohe Effizienz aufweist und vergleichsweise wenig Bauraum beansprucht.It is the object of the invention to provide an electric drive axle for a vehicle, which comprises power electronics, an electric drive and a transmission, which has a very high efficiency and requires comparatively little installation space.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine elektrische Antriebsachse für ein Antriebssystem eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, umfassend einen elektrischer Antrieb mit einem fremderregten Synchronmotor, umfassend eine Anregeeinheit, einen Stator und einen Rotor, der auf einer Rotorwelle angeordnet ist, eine Leistungselektronik, die mit dem elektrischen Antrieb verbunden ist, um den elektrischen Antrieb oder eine Batterie mit Strom zu versorgen, und ein Getriebe, das ein Reduziergetriebe mit einem integrierten Differential und mit dem elektrischen Antrieb gekoppelt ist, sodass ein Drehmoment von dem elektrischen Antrieb auf das Getriebe oder umgekehrt übertragen werden kann, wobei die Leistungselektronik, der elektrische Antrieb sowie das Getriebe koaxial auf der Rotorwelle angeordnet sind und der elektrische Antrieb zwischen der Leistungselektronik und dem Getriebe angeordnet ist, gelöst.The object of the invention is achieved by an electric drive axle for a drive system of an electrically driven vehicle, comprising an electric drive with an externally excited synchronous motor, comprising an excitation unit, a stator and a rotor arranged on a rotor shaft, power electronics connected to the electric drive to supply the electric drive or a battery with power, and a transmission which is a reduction gear with an integrated differential and is coupled to the electric drive so that a torque can be transmitted from the electric drive to the transmission or vice versa, wherein the power electronics, the electric drive and the transmission are arranged coaxially on the rotor shaft and the electric drive is arranged between the power electronics and the transmission.
Wo die Batterie, in der die Energie zum Betrieb des elektrischen Antriebs gespeichert ist, angeordnet ist, ist für die Erfindung unwesentlich. Die Batterie muss jedoch mit der Leistungselektronik sowie dem elektrischen Antrieb verbunden sein, damit elektrische Energie von der Batterie zum elektrischen Antrieb oder umgekehrt übertragen werden kann.Where the battery, in which the energy for operating the electric drive is stored, is located is not important for the invention. However, the battery must be connected to the power electronics and the electric drive so that electrical energy can be transferred from the battery to the electric drive or vice versa.
Dadurch, dass die Leistungselektronik, der elektrische Antrieb sowie das Getriebe koaxial auf der Rotorwelle angeordnet sind, kann ein für die elektrische Antriebsachse benötigter Bauraum in einer radialen Richtung senkrecht zur Rotorwelle reduziert werden. Dadurch, dass der elektrische Antrieb zwischen der Leistungselektronik und dem Getriebe angeordnet ist, werden die Wege für mechanische Kräfte und Drehmomente sowie für elektrischen Strom sehr kurz gehalten.Because the power electronics, the electric drive and the gearbox are arranged coaxially on the rotor shaft, the installation space required for the electric drive axis can be reduced in a radial direction perpendicular to the rotor shaft. Because the electric drive is arranged between the power electronics and the gearbox, the paths for mechanical forces and torques as well as for electrical current are kept very short.
Vorteilhaft umfasst die Leistungselektronik einen thermischen Isolator, über den die Leistungselektronik gegenüber dem elektrischen Antrieb wärmeisoliert ist. Durch den thermischen Isolator wird im Betrieb keine Wärme von dem elektrischen Antrieb auf die Leistungselektronik übertragen. Vorteilhaft ist der thermische Isolator ein Träger auf dem die Komponenten der Leistungselektronik montiert sind. Das Getriebe vorteilhaft kann durch einen weiteren thermischen Isolator ebenfalls gegenüber dem elektrischen Antrieb wärmeisoliert sein.The power electronics advantageously include a thermal insulator, which is used to thermally insulate the power electronics from the electric drive. The thermal insulator ensures that no heat is transferred from the electric drive to the power electronics during operation. The thermal insulator is advantageously a carrier on which the power electronics components are mounted. The transmission can also be thermally insulated from the electric drive by means of another thermal insulator.
Die elektrische Antriebsachse kann vorteilhaft eine Wasserkühlung zur Kühlung der Leistungselektronik aufweisen. Alternativ oder zusätzlich ist es von Vorteil, wenn die elektrische Antriebsachse eine Ölkühlung zur Kühlung des Rotors des elektrischen Antriebs aufweisen.The electric drive axle can advantageously have a water cooling system for cooling the power electronics. Alternatively or additionally, it is advantageous if the electric drive axle has an oil cooling system for cooling the rotor of the electric drive.
Bevorzugt weist der Rotor ein Blechpaket bestehend aus Wicklungen, auf.. Die Anregeeinheit ist gegebenenfalls vorteilhafterweise im Rotor unter dem Blechpaket angeordnet.Preferably, the rotor has a laminated core consisting of windings. The excitation unit is, if appropriate, advantageously arranged in the rotor under the laminated core.
Aufgrund der hohen Schaltfrequenzen induzieren alle in der Leistungselektronik enthaltenen Frequenzumrichter Wellenströme im elektrischen Antrieb. Wenn die anliegenden Spannungen ausreichend hoch sind, um die dielektrischen Eigenschaften des Schmiermittels an den Lagern zu überwinden, entladen sie sich über den Weg des geringsten Widerstandes am Motorgehäuse, in der Regel über die Motorlager. Dadurch werden die Motorlager beschädigt. Um das zu verhindern weist die elektrische Antriebsachse vorzugsweise mindestens eine Wellenerdung zum Ableiten von in der elektrischen Antriebsachse entstehenden Wellenströmen auf.Due to the high switching frequencies, all frequency converters included in the power electronics induce shaft currents in the electric drive. If the applied voltages are high enough to overcome the dielectric properties of the lubricant on the bearings, they discharge via the path of least resistance on the motor housing, usually via the motor bearings. This damages the motor bearings. To prevent this, the electric drive axle preferably has at least one shaft ground to divert shaft currents generated in the electric drive axle.
Vorteilhaft weist die elektrische Antriebsachse mindestens einen Lagesensor zum Detektieren einer Rotorposition auf. Damit der Stromfluss durch die Wicklungen des Rotors gesichert zum richtigen Zeitpunkt und im richtigen Takt erfolgt, muss die aktuelle Rotorlage bekannt sein. Eine Erfassung der Rotorlage erfolgt daher mit einem oder mehreren Lagesensoren erfolgen. Der mindestens eine Lagesensor erfasst dabei vorzugsweise das wechselnde magnetische Feld der Rotorwicklungen oder ein magnetisches Feld, das von einem separaten mit dem Rotor verbundenen Steuerelement erzeugt wird. Die mindestens eine Wellenerdung und/oder der mindestens eine Lagesensor ist vorteilhaft im Rotor unter dem Blechpaket angeordnet, um zusätzlichen Bauraumbedarf zu vermeiden.The electric drive shaft advantageously has at least one position sensor for detecting a rotor position. In order to ensure that the current flows through the windings of the rotor at the right time and in the right cycle, the current rotor position must be known. The rotor position is therefore detected using one or more position sensors. The at least one position sensor preferably detects the changing magnetic field of the rotor windings or a magnetic field that is generated by a separate control element connected to the rotor. The at least one shaft grounding and/or the at least one position sensor is advantageously arranged in the rotor under the laminated core in order to avoid additional installation space requirements.
Vorteilhaft weisen die Leistungselektronik, der Rotor und das Getriebe in eine radiale Richtung zu der Rotorwelle einen gleichen Außendurchmesser auf. Der Außendurchmesser ist im Rahmen einer Toleranz gleich. Wenn die Außendurchmesser aller auf der Rotorwelle angeordneten Komponenten gleich sind, wird ein zusätzlicher Bauraumbedarf über den Durchmesser der einzelnen Komponenten hinaus vermieden.Advantageously, the power electronics, the rotor and the gear unit have the same outer diameter in a radial direction to the rotor shaft. The outer diameter is the same within a tolerance. If the outer diameters of all components arranged on the rotor shaft are the same, additional installation space requirements beyond the diameter of the individual components are avoided.
Bevorzugt ist zwischen der Leistungselektronik und dem elektrischen Antrieb ein statischer Lagerring angeordnet, der einen statischen Teil der Anregeeinheit trägt. Der dynamische Teil der Anregeeinheit ist dann in oder am Rotor angeordnet und dreht sich beim Betrieb mit dem Rotor. Durch den statischen Lagerring kann eine Umfangsgeschwindigkeit von Lagerkugeln, die als Lager zwischen der Leistungselektronik und elektrischem Antrieb vorhanden sind, verringert werden und ein Weg für den Strom von dem statischen Teil der Anregeeinheit zu dem dynamischen Teil der Anregeeinheit minimiert werden.Preferably, a static bearing ring is arranged between the power electronics and the electric drive, which carries a static part of the excitation unit. The dynamic part of the excitation unit is then arranged in or on the rotor and rotates with the rotor during operation. The static bearing ring can reduce the circumferential speed of bearing balls that are present as bearings between the power electronics and the electric drive, and minimize the path for the current from the static part of the excitation unit to the dynamic part of the excitation unit.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Antriebssystem mit einer Ausführung der elektrischen Antriebsachse gelöst.The task is further solved by a drive system with an electric drive axle design.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Fahrzeug mit einer Ausführung der elektrischen Antriebsachse gelöst.The task is also solved by a vehicle with an electric drive axle version.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 : eine elektrische Antriebsachse umfassend einen elektrischen Antrieb, eine Leistungselektronik sowie ein Getriebe in schematischer Darstellung.
-
1 : an electric drive axle comprising an electric drive, power electronics and a transmission in a schematic representation.
Prinzipiell können die Anregeeinheit 13 und/oder der Lagesensor 7 auch an einer anderen Position auf der elektrischen Antriebsachse angeordnet sein.In principle, the
Bezugszeichenreference sign
- 11
- elektrischer Antriebelectric drive
- 1111
- Statorstator
- 1212
- Rotorrotor
- 121121
- Rotorwellerotor shaft
- 1313
- Anregeeinheitexcitation unit
- 22
- Leistungselektronikpower electronics
- 33
- Getriebetransmission
- 44
- Abtriebsseiteoutput side
- 55
- Nicht-Abtriebsseitenon-drive side
- 66
- thermischer Isolatorthermal insulator
- 77
- Lagesensor position sensor
- RR
- Rotorachserotor axis
Claims (13)
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