DE10132610A1

DE10132610A1 - Fahrzeugantrieb

Info

Publication number: DE10132610A1
Application number: DE10132610A
Authority: DE
Inventors: Michael Schmidt; Patrick Schroeder
Original assignee: DEVETEC INGENIEURGMBH
Current assignee: DEVETEC GMBH, DE
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: DE10132610B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb, insbesondere für einen Kleinkraftwagen, mit einem in ein Rad des Fahrzeugs integrierbaren Elektromotor. Erfindungsgemäß bildet ein mit dem Fahrzeug verbindbares Achsteil (2) ein tragendes Element des Stators und eine gegen das Achsteil drehende Radnabe (1) ein tragendes Element des Rotors des Elektromotors. Die felderzeugenden Elemente (9-11) des Elektromotors sind in einem durch das Achsteil und die Radnabe sowie stirnseitig durch Radlager (6, 7) begrenzten Ringraum angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb, insbesondere für einen Kleinkraftwagen, mit einem in ein Rad des Fahrzeugs integrierten Elektromotor.
Als Antrieb für Fahrzeuge unmittelbar an einem Fahrzeugrad angreifende Elektromotoren sind z. B. aus der WO 91/13779 und der EP-A-0 224 144 bekannt. Die WO 91/13779 beschreibt einen solchen, für Drehbewegungen modifizierten Linearmotor, bei dem eine Radfelge ein tragendes Element für den Rotor bildet, während für den Stator, der sich nur über einen Teil des Rotorkreisumfangs erstreckt, ein gesondertes, drehfest an der Radinnenseite angeordnetes Trägerelement vorgesehen ist. Aus der EP-A-0 224 144 geht ein an der Radinnenseite angeordneter, als Zusatzantrieb für ein Fahrzeug vorgesehener Radnabenmotor hervor, dessen Rotor fest mit der Radnabe verbunden ist. Vorteilhaft vermeiden Antriebe mit direkt am Rad angreifenden Antriebsmotoren Übertragungsverluste durch Motor und Rad verbindende Antriebselemente. Solche Verluste können bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen mehr als 20% der Motorleistung ausmachen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen, insbesondere für Kleinkraftwagen verwendbaren Fahrzeugantrieb der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welcher gegenüber bekannten derartigen Antrieben einen verringerten Herstellungsaufwand erfordert.
Der diese Aufgabe lösende Fahrzeugantrieb nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Fahrzeug verbindbares Achsteil ein tragendes Element des Stators und eine gegen das Achsteil drehbare Radnabe ein tragendes Element des Rotors des Elektromotors bildet.
Gemäß dieser Erfindungslösung verschmelzen Radlagerung und Antrieb zu einer Funktionseinheit, in welcher sowohl dem Achsteil als auch der Radnabe eine Doppelfunktion zukommt. Gesonderte, ein Trägergehäuse des Antriebsmotors bildende Teile entfallen.
Bei dem Achsteil kann es sich um einen in die Radnabe eingeführten, mit der Radaufhängung eines Kraftwagens verbundenen Achszapfen oder eine die Radnabe aufnehmende Achsbuchse handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die felderzeugenden Elemente des Elektromotors, also Leiterwindungen, magnetisierbare Teile und ggf. Permanentmagnete, an dem Achsteil und der Radnabe in einem durch das Achsteil und die Radnabe sowie stirnseitig durch Radlager begrenzten Ringraum angeordnet, der vorzugsweise zylindrisch ist, jedoch auch eine Stufung aufweisen könnte.
Vorzugsweise sind die Radlager unter Nutzung der axialen Länge von Radnabe und Achsteil am axialen Ende des Achsteils bzw. der Radnabe vorgesehen. Neben ihrer Radlagerfunktion übernehmen die Radlager die gegenseitige Drehlagerung von Rotor und Stator. Von einer gewöhnlichen Radlagerung unterscheidet sich ein solches Bauteil nur durch die koaxial zwischen Radnabe und Achsteil eingeschlossenen felderzeugenden Elemente.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Elektromotor Bestandteil einer vom übrigen Rad lösbaren, Einrichtungen zur Verbindung mit dem Fahrzeug aufweisenden Baueinheit. Es bietet sich an, eine solche, z. B. zur Montage an einem Kraftfahrzeug vorbereitete Baueinheit bei einem Elektromotorenhersteller komplett vorzufertigen und einem Fahrzeugproduzenten zuzuliefern. Andererseits würde bei einem auf die Herstellung von Radlagerungen spezialisierten Produzenten mit dem Einbau der felderzeugenden Elemente kein großer Zusatzaufwand entstehen.
Es wäre sogar denkbar, eine solche Baueinheit kompatibel mit einem alternativ, z. B. durch einen Ottomotor, angetriebenen Fahrzeug auszubilden, z. B. um das Fahrzeug mit einem elektrischen Zusatzantrieb versehen oder auf Elektroantrieb umrüsten zu können.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind der Felderzeugung dienende Elemente des Elektromotors einstückig mit dem Achsteil oder/und der Radnabe ausgebildet. Hierbei kann es sich insbesondere um von der Radnabe bzw. dem Achsteil vorstehende, magnetisierbare Spulenkerne oder magnetisierbare Zähne handeln. Vorteilhaft verringert sich hierdurch die Zahl der den Motor bildenden Teile und damit letztlich der Herstellungsaufwand. Schließlich trägt eine solche Konstruktion, in der in bezug auf das Material kontinuierliche Übergänge zwischen den betreffenden felderzeugenden Elementen und der Radnabe bzw. dem Achsteil gebildet sind, auch zur mechanischen Stabilität des Antriebs bei.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Elektromotor eine Transversalfluß- oder/und Reluktanzmaschine. Beide elektrischen Maschinen zeichnen sich durch verhältnismäßig einfachen Aufbau und eine hohe Leistungsdichte auf, die es insbesondere gestattet, leistungsstarke Antriebe in den Abmessungen der herkömmlichen bei Kraftfahrzeugen verwendeten, durch Radnabe und Achsteil gebildeten Radlagerungen herzustellen. Transversalflussmaschinen kommen mit verhältnismäßig wenigen, herstellungsaufwendigen Spulen aus. Reluktanzmaschinen erfordern keine Permanentmagnete. Insbesondere bei Reluktanzmotoren bietet es sich an, die zur Wechselwirkung mit dem Stator dienenden magnetisierbaren Zähne einstückig mit dem Achsteil bzw. der Radnabe auszubilden.
Zweckmäßig ist der Elektromotor ein bürstenloser Motor mit Leiterzuführungen ausschließlich zum Stator. In diesem Fall lassen sich feste, gegenüber Gleitkontakten funktionssicherere Kontakte zwischen den Motorwicklungen und den Leiterzuführungen herstellen. Abgesehen von den Lagern tritt an einem solchen Motor weder Verschleiß auf, noch erfordert er eine Wartung.
Zweckmäßig wird die gesamte, durch die Funktion als Radlagerung vorgegebene Länge von Radnabe und Achsteil genutzt, um felderzeugende Motorfeile zwischen Radnabe und Achsteil unterzubringen und eine möglichst hohe Leistungsdichte zu erzielen. Hierzu können mehrere, jeweils für sich ein Drehmoment erzeugende Ringanordnungen von felderzeugenden Elementen gebildet sein, die seitlich aneinander angrenzen.
Es wäre sogar denkbar, dass Ringanordnungen entsprechend unterschiedlichen Arten von Elektromotoren vorgesehen sind, um vorteilhafte Motoreigenschaften miteinander zu kombinieren, z. B. Eigenschaften der Reluktanzmaschine mit Eigenschaften der Transversalflussmaschine.
Zweckmäßig ist der Elektromotor ein Mehrphasenmotor mit gegenüber einem Einphasenmotor verbesserten Rundlaufeigenschaften.
Vorzugsweise bei Verwendung des Antriebs in einem Personenkraftwagen ist eine Steuereinrichtung zur Feldumschaltung oder/und zur Laststeuerung des Elektromotors abhängig von einer Leistungsanforderung oder/und von einem Sensorsignale verabeitenden Steuerprogramm vorgesehen. Insbesondere kann diese Steuereinrichtung eine die Verbindung des Elektromotors mit einer Betriebsspannungsquelle zeitlich steuernde Leistungsschaltereinrichtung umfassen.
Über eine solche Leistungsschaltereinrichtung lassen sich beispielsweise die Phasen eines Mehrphasenmotors zeitversetzt impulsweise mit der Spannung einer Batterie beaufschlagen, wobei eine Laststeuerung über die Impulsbreite erfolgen kann.
Bei dem Sensor handelt es sich vorzugsweise um einen die Drehposition des Rotors erfassenden Sensor, der darüber hinaus wenigstens die erste Zeitableitung der Drehposition, d. h. die Drehgeschwindigkeit des Rotors, ermittelt. Während ein solcher Drehpositionssensor zur Steuerung der Feldumschaltung z. B. beim Betrieb eines Reluktanzmotors dienen kann, liefert er in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ferner Ausgangswerte für ein Steuerprogramm, das der Fahrstabilität des Fahrzeugs dient und insbesondere Schlupf und Blockierung der Räder verhindert. Die gemäß Steuerprogramm erforderlichen Änderungen des an den Rädern angreifenden Drehmoments werden direkt durch entsprechende Änderungen der Beschaltung des Motors mit der Betriebsspannung herbeigeführt. Dabei kann die Steuereinrichtung Sensorinformationen der Elektromotoren von mehreren Rädern des Fahrzeugs verarbeiten.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Fahrzeugantrieb mit einem Elektromotor, dessen felderzeugenden Elemente zwischen einer Radnabe und einer Achsbuchse angeordnet sind,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Fahrzeugantrieb nach der Erfindung mit einem Elektromotor, dessen felderzeugenden Elemente zwischen einer Radnabe und einem Achszapfen angeordnet sind,
Fig. 3 eine Querschnittsteilansicht eines bei dem Antrieb von Fig. 1 verwendbaren Transversalflussmotors,
Fig. 4 eine Querschnittsteilansicht eines bei dem Antrieb von Fig. 2 verwendbaren Transversalflussmotors,
Fig. 5 eine Querschnittsteilansicht eines bei dem Antrieb von Fig. 1 verwendbaren Reluktanzmotors,
Fig. 6 eine Querschnittsteilansicht eines bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 verwendbaren Reluktanzmotors, und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines mit Antriebseinheiten gemäß Fig. 1 ausgestatteten Fahrzeugs.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist in der Fig. 1 eine Radnabe eines Kraftfahrzeugs bezeichnet, welche koaxial in eine Achsbuchse 2 eingreift. Die Achsbuchse 2 ist einstückig mit Teilen 3 und 4 der Radaufhängung verbunden, über welche die Achsbuchse 2 in bekannter Weise mit (nicht gezeigten) tragenden Teilen einer Fahrzeugkarosserie verbunden ist. Auf ihrer dem Fahrzeug abgewandten, mit einem Flansch 5 versehenen Stirnseite ist die Radnabe mit einem Rad verschraubbar.
Zwischen der Radnabe 1 und der Achsbuchse 2 sind Kugel- oder Wälzlager 6 und 7 angeordnet, die seitlich jeweils gegen eine am Außenumfang der Radnabe bzw. dem Innenumfang der Achsbuchse gebildete Ringschulter anliegen. Das Lager 7 ist auf der Radnabe 1 an der dem Fahrzeug zugewandten Seite durch einen Federring 8 gesichert.
Ein Ringraum, der durch die Radnabe 1, die Achsbuchse 2 und stirnseitig durch die Lager 6 und 7 begrenzt ist, enthält felderzeugende Elemente eines Elektromotors. Als solche felderzeugenden Elemente sind über den Umfang der Radnabe 1 starr mit der Radnabe 1 verbundene Zähne 9 verteilt. Die Zähne 9 bestehen entweder aus einem magnetisierbaren oder einem permanentmagnetischen Material. Im Falle von Permanentmagneten wechseln über den Umfang Nord- und Südpole bildende Zähne einander ab.
Den Zähnen 9 gegenüberliegend sind wenigstens eine Spule oder mehrere Spulen 10 und durch die Spule bzw. Spulen 10 magnetisierbare Polzähne 11 angeordnet, welche fest mit der drehfesten Achsbuchse 2 verbunden sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet, wobei der Bezugszahl jeweils der Buchstabe a hinzugefügt ist.
Anstelle der Achsbuchse 2, in welche die Radnabe 1 eingreift, ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ein Achszapfen 2a in eine Radnabe 1a eingeführt. Zwischen der Radnabe 1a und dem Achszapfen 2a sind Lager 6a und 7a angeordnet, welche seitlich jeweils gegen eine an der Radnabe 1a bzw. dem Achszapfen 2a gebildete Ringschulter anliegen. Das Lager 6a ist an seiner dem Fahrzeug abgewandten Außenseite auf dem Achszapfen 2a durch einen Federring 8a gesichert.
Die Radnabe 1a und der Achszapfen 2a bilden einen Ringraum, welcher stimseitig durch die Lager 6a und 7a begrenzt ist und in welchem den Elementen 9 bis 11 entsprechende felderzeugende Elemente 9a bis 11a mit Spulen 10a am drehfesten Achszapfen 2a untergebracht sind.
Leiterzuführungen für die Spulen 10 bzw. 10a sind in den Fig. 1 und 2 nicht gezeigt.
Wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, übernehmen die Radnabe 1 bzw. 1a, die Achsbuchse 2 bzw. der Achszapfen 2a sowie die Lager 6, 7 bzw. 6a, 7a jeweils eine Doppelfunktion. Die genannten Teile dienen einerseits der Radlagerung. Andererseits bilden sie tragende, gegenseitig drehbar gelagerte Gehäuseelemente eines Elektromotors.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Baueinheiten können am Fahrzeug als Gesamtheit montiert und demontiert werden. Ein defekter Antriebsmotor lässt sich problemlos austauschen.
Die Abmessungen der Radnaben und Achsteile entsprechen den Abmessungen der herkömmlich in Kleinkraftwagen mit Verbrennungsmotor verwendeten solchen Teile.
Es wird nun Bezug auf die Fig. 3 und 4 genommen, wo bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 1 und 2 verwendbare felderzeugende Elemente im Querschnitt gezeigt sind.
Aus Fig. 3 gehen felderzeugende Elemente einer Transversalflussmaschine mit innenliegendem Rotor hervor. Durch Blechpakete gebildete, magnetisierbare Polzähne 11' des Stators sind mit einem Trägerring 13 verbunden. Zur Magnetisierung der Zähne 11' dient eine Spule 10', deren Leiter sich gemäß dem Bauprinzip der Transversalflussmaschine hauptsächlich in Umfangsrichtung des Stators erstreckt. Den Zähnen 11' radial gegenüberliegend sind am Rotor Permanentmagnete 9' angeordnet, welche an einem Trägerring 14 gehalten sind. Der tangentiale Abstand zwischen den in ihrer Polarität abwechselnden Permanentmagneten 9' entspricht der tangentialen Länge der Zähne 11'. Zwischen dem Rotor und dem Stator befindet sich ein Luftspalt. In dem Antrieb von Fig. 1 ist der Trägerring 13 mit der Achsbuchse 2 und der Trägerring 14 mit der Radnabe 1 verbunden.
Fig. 4 zeigt felderzeugende Elemente eines Transversalflussmotors mit innenliegendem Rotor, wie er bei dem Antrieb von Fig. 2 verwendbar ist. In ihrer Polarität wechselnde Permanentmagnete 9a' sind an einem Trägerring 14a des Rotors gehaltert. Ein Trägerring 13a des Stators ist einstückig mit magnetisierbaren Zähnen 11a' verbunden. Zur Magnetisierung der Zähne 11a' dient eine Spule 10a'.
In Fig. 5 sind felderzeugende Elemente eines Reluktanzmotors dargestellt, welche bei dem Antrieb von Fig. 1 verwendbar sind. Ein Trägerring 15 des Rotors ist mit magnetisierbaren Zähnen 9" verbunden. Magnetisierbare Polzähne 11" sind gegenüberliegend einstückig an einem Trägerring 16 des Stators angebracht. Die Zähne 11" sind jeweils durch eine Spule 10" magnetisierbar.
Fig. 6 zeigt schließlich felderzeugende Elemente eines Reluktanzmotors, wie sie in dem Antrieb von Fig. 2 verwendbar sind. Durch eine Spule 10a" magnetisierbare Polzähne 11a" sind an einem Trägerring 16a des Stators gebildet. Von einem Trägerring 15a des Rotors stehen damit einstückig verbundene magnetisierbare Zähne 10a" vor.
Bei den Reluktanzmotoren von Fig. 5 und 6 ist die Zahl der magnetisierbaren Zähne 10" bzw. 10a" kleiner als die Zahl der diesen Zähnen gegenüberstehenden Zähne. Dadurch ist zwischen den Polzähnen und den magnetisierbaren Zähnen ein den Rundlauf des Motors fördernder Versatz gebildet.
Transversalflussmaschinen, wie sie anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben sind, gehen z. B. aus der DE 195 32 614 A1, der DE 198 11 075 A1 und der DE 35 36 538 A1 hervor. Reluktanzmaschinen sind beispielsweise in der DE 198 43 924 A1, PCT/US 99/22502 und der DE 198 32 876 C1 beschrieben.
Die unter fortlaufender Feldumschaltung betreibbaren Transversalflussmaschinen und Reluktanzmotoren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte aus. Die rotierenden Massen sind gering. Der konstruktive Aufbau ist einfach, die Fertigung daher kostengünstig. Bei Reluktanzmotoren entfallen Magnete. Es ist vor allem hier daran zu denken, die magnetisierbaren Zähne einstückig mit der Nabe bzw. der Achsbuchse auszubilden.
Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, wo schematisch ein Fahrzeug mit vier Rädern 17 gezeigt ist, die jeweils einen Antrieb gemäß Fig. 1 aufweisen. In jedes der Räder 17 ist ein Dreiphasenmotor mit drei Leiterzuführungen 18 integriert.
Die drei Leiterzuführungen 18 sind jeweils mit einer Leistungsschaltereinheit 19 verbunden, welche die einzelnen Phasen der Antriebsmotoren zeitversetzt impulsweise mit einer Betriebsspannungsquelle 20, z. B. einer Batterie- oder Brennstoffzelle, verbindet.
Die Leistungsschaltereinheit 19 ist mit einer einen Computerschaltkreis umfassenden Steuereinrichtung 21 verbunden, welche die Schaltzeitpunkte der Leistungsschaltereinheit ermittelt.
Die Steuereinrichtung 21 empfängt Signale von vier Drehlagesensoren 22, welche in den vier Antriebsmotoren eingebaut sind. Mittels einer durch die Steuereinrichtung 21 gebildeten Differentiationseinrichtung kann aus den zeitabhängigen Drehlagewerfen die Drehgeschwindigkeit und Drehbeschleunigung ermittelt werden.
Die Steuereinrichtung 21 ist ferner mit einer bei 24 angedeuteten Eingabeeinrichtung für Lastanforderungen verbunden.
Die Steuereinrichtung 21 sorgt einerseits für den normalen Motorbetrieb, indem sie abhängig von der Drehlage und Drehgeschwindigkeit die fortlaufende Feldumschaltung der Motoren entsprechend unterschiedlichen Lastanforderungen steuert. Andererseits enthält die Steuereinrichtung die Last bei Bedarf automatisch steuernde, der Fahrstabilität dienende Programme, die insbesondere über eine unmittelbare Steuerung des Motordrehmoments verhindern, dass Räder blockieren, Schlupf auftritt oder bei Kurvenfahrten kritische Situationen entstehen. Hierbei kann die Steuereinrichtung 21 die vier Motoren unabhängig voneinander steuern und Sensorinformationen von mehreren Rädern vergleichend verarbeiten.

Claims

1. Fahrzeugantrieb, insbesondere für einen Kleinkraftwagen, mit einem in ein Rad (17) des Fahrzeugs integrierten Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Fahrzeug verbindbares Achsteil (2; 2a) ein tragendes Element des Stators und eine gegen das Achsteil drehbare Radnabe (1; 1a) ein tragendes Element des Rotors des Elektromotors bildet.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die felderzeugenden Elemente (9-11; 9a-11a) des Elektromotors an dem Achsteil (2; 2a) und der Radnabe (1; 1a) in einem durch das Achsteil (2) und die Radnabe (1) sowie stimseitig durch Radlager (6, 7) begrenzten Ringraum angeordnet sind.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Felderzeugung dienende Elemente des Elektromotors einstückig mit dem Achsteil oder/und der Radnabe ausgebildet sind.

4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor Bestandteil einer, vorzugsweise vom übrigen Rad lösbaren, Einrichtungen (3, 4; 3a, 4a) zur Verbindung mit dem Fahrzeug aufweisenden Baueinheit ist.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit zur der Radaufhängung eines alternativ angetriebenen Fahrzeugs kompatibel ist.

6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine Transversalfluß- oder/und Reluktanzmaschine umfasst.

7. Antrieb noch einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein von Gleitkontakten freier Motor mit Leiterzuführungen ausschließlich zum Stator ist.

8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, jeweils für sich ein Drehmoment erzeugende Ringanordnungen felderzeugender Elemente vorgesehen sind.

9. Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ringanordnungen entsprechend unterschiedlichen Arten von Elektromotoren vorgesehen sind.

10. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur Feldumschaltung oder/und zur Laststeuerung des Elektromotors abhängig von einer Leistungsanforderung oder/und von einem Sensorsignale verarbeitenden Steuerprogramm vorgesehen ist.

11. Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) eine die Leitungsverbindung des Elektromotors mit einer Betriebsspannungsquelle steuemde Leistungsschaltereinrichtung (21) umfasst.

12. Antrieb nach Anspruch 10 der 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerprogramm ein der Fahrstabilität des Fahrzeugs, insbesondere der Verhinderung von Schlupf und Blockierung der Räder, dienendes Programm ist.