DE102009039233A1

DE102009039233A1 - Elektrischer Radantrieb

Info

Publication number: DE102009039233A1
Application number: DE200910039233
Authority: DE
Inventors: Klaus Daut
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Ein elektrischer Radantrieb umfasst einen Elektromotor (3), welcher einen zur drehfesten Verbindung mit einem Fahrzeugrad vorgesehenen Rotor (9) und einen Stator (12) aufweist, sowie ein zur Lagerung des Fahrzeugrades vorgesehenes Radlager (2), welches zugleich zur Lagerung des Rotors (9) relativ zum Stator (12) vorgesehen ist, wobei der Elektromotor (3) in das Radlager (2) integriert ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindungung betrifft einen elektrischen Radantrieb, bei welchem ein Elektromotor zum Direktantrieb eines Fahrzeugrades vorgesehen ist.
Hintergrund der Erfindung
Aus der EP 1 488 495 B1 ist ein in ein Fahrzeugrad integrierter elektrischer Motor bekannt. Die bekannte Anordnung umfasst einen als Axialflussmotor ausgebildeten Elektromotor. Der Rotor des Elektromotors ist mit einer Nabe verbunden, welche Bolzen zur Befestigung eines Rades trägt. Ein als zweireihiges Wälzlager ausgebildetes Lager ist zur gleichzeitigen Lagerung des Rades sowie des Rotors vorgesehen und entlang der Drehachse zwischen dem Rotor und den Bolzen angeordnet.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten, kompakt aufgebauten und montagefreundlichen elektrischen Radantrieb für ein Kraftfahrzeug anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgbe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrischen Radantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Radantrieb umfasst einen zum Direktantrieb eines Fahrzeugrades vorgesehenen Elektromotor, sowie ein zur Lagerung des Fahrzeugrades vorgesehes Radlager, welches zugleich der Lagerung des Rotors des Elektromotors relativ zu dessen Stator dient, wobei der Elektromotor in das Radlager integriert ist. Mit dem elektrischen Radantrieb ist eine äußerst raumsparende Baueinheit bereitgestellt, welche ohne größere konstruktive Änderungen in bestehende Fahrzeugtypen einfügbar ist und kurz als Radlagermotor bezeichnet wird. Besonders geeignet ist der Radlagermotor als Hilfsantrieb eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise zum Antrieb der Hinterräder eines ansonsten einen Vorderradantrieb aufweisenden Fahrzeugs.
Vorzugsweise ist der Elektromotor des Radlagermotors als Radialflussmotor ausgebildet. Insbesondere handelt es sich bei dem Elektromotor um einen permanentmagneterregten Synchronmotor, wobei in vorteilhafter Ausgestaltung der Rotor mit Permanentmagneten bestückt ist, während der Stator bestrombare Spulen aufweist. In typischen Anwendungsfällen, nämlich als Zusatzantrieb eines Fahrzeugs, ist eine Luftkühlung des Elektromotors ausreichend. Ebenso ist jedoch auch eine Flüssigkeitskühlung des Elektromotors realisierbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Außenring des Radlagers direkt mit einer Komponente des Stators, nämlich einem Kühlrippen – beziehungsweise, im Fall einer Flüssigkeitskühlung, einen Kühlkanal – aufweisenden Statormantel verbunden, insbesondere verschraubt.
In beiden Ausführungsformen fluchtet der Statormantel vorzugsweise mit dem Außenring. Anders ausgedrückt: Der Statormantel ist konzentrisch zum Außenring angeordnet, wobei Statormantel und Außenring einen übereinstimmenden Außendurchmesser aufweisen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die auf den vorstehend erläuterten, luftgekühlt oder flüssigkeitsgekühlt, insbesondere wassergekühlt, realisierbaren Ausführungsformen basiert, fluchten der Außenring sowie der Statormantel mit einem Lagerflansch, welcher Bolzen oder Schrauben zur Befestigung des Fahrzeugrades aufnimmt und mit einem Lagerinnenring des Radlagers verbunden, beispielsweise verschweißt, oder einstückig mit einem solchen Lagerinnenring ausgebildet ist. Die Bolzen sind, unabhängig von der Gestaltung des Radlagermotors an dessen im wesentlichen zylindrischer, eventuell gestufter oder konischer Mantelfläche, vorzugsweise radial außerhalb des zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspaltes angeordnet.
Vorzugsweise ist der Elektromotor in Axialrichtung, das heißt entlang der Drehachse, zwischen den Bolzen zur Befestigung des Fahrzeugrades und den Wälzkörpern des Radlagers angeordnet. Dies gilt unabhängig vom inneren Aufbau und den Außenkonturen des Elektromotors sowie des beispielsweise als zweireihiges Schrägkugellager oder Kegelrollenlager ausgebildeten Lagers.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 Einen als Direktantrieb ausgebildeten, luftgekühlten elektrischen Radantrieb in einer Schnittdarstellung,
2 ein Detail eines direkten elektrischen Radantriebs mit Flüssigkeitskühlung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter elektrischer Radantrieb umfasst ein Radlager 2 und einen Elektromotor 3 und ist als integrierte Baueinheit, nämlich als so genannter Radlagermotor, ausgebildet.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich, soweit nicht anders erwähnt, auf beide Ausführungsbeispiele.
Das Radlager 2 ist, wie an sich bei Radlagern, insbesondere für Personenkraftwagen, typisch, als zweireihiges Wälzlager mit Kugeln 4 als Wälzkörpern ausgebildet. Die Mittelpunkte der Kugeln 4 beschreiben einen Wälzkörperteilkreis mit einem Teilkreisradius T_K. Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Teilkreisradius T_K beider Kugelreihen identisch. Im Fall unterschiedlich von der Rotationsachse des Radlagermotors 1 beabstandeter Wälzkörper sei T_K als der größte der Teilkreisradien definiert.
Die Wälzkörper 4 rollen auf einem Innenring 5 des Radlagers 2 ab, wobei abweichend von der vereinfachten Darstellung nach 1 zumindest für eine der beiden Wälzkörperreihen ein gesonderter, auf den Innenring 5 aufgesetzter Laufring vorgesehen sein kann, auf welchem die zugehörigen Wälzkörper 4 abrollen. Hinsichtlich dieser prinzipiell bekannten Bauweise wird beispielhaft auf die US 2002/0090158 A1 verwiesen.
Der Innenring 5 umfasst einen im wesentlichen zylindrischen Abschnitt 6, auf welchem direkt oder indirekt die Kugeln 4 abrollen, sowie einen einstückig an diesen anschließenden Flansch 7, an welchem ein nicht dargestelltes Fahrzeugrad in an sich bekannter Weise befestigbar ist. Zur Befestigung des Fahrzeugrades sind hierbei Bolzen 8 vorgesehen, welche durch den Flansch 7 gesteckt sind und mit ihren jeweiligen Symmetrieachsen einen Teilkreis mit Teilkreisradius T_B beschreiben.
Der Innenring 5 einschließlich des Flansches 7 ist drehfest verbunden mit einem Rotor 9 des Elektromotors 3, wobei der Rotor 9 in Axialrichtung zwischen dem Flansch 7 und den Wälzkörpern 4 angeordnet ist. Die Richtungsangaben „radial” und „axial” beziehen sich auf die Rotationsachse des Radantriebs 1. Der Rotor ist mit Permanentmagneten 10, insbesondere Seltenerdmagneten, bestückt, welche abweichend von der Darstellung nach 1 auch direkt auf dem Innenring 5 befestigt, beispielsweise aufgeklebt, sein können.
Die Permanentmagnete 10 wirken zusammen mit bestrombaren Spulen 11, welche einem Stator 12 des Elektromotors 3 zuzurechnen sind. Ebenso wie der Rotor 9 ist auch der Stator 12 entlang der Drehachse zwischen dem Flansch 7 und allen Wälzkörpern 4 angeordnet. Zwischen dem Rotor 9 einschließlich der Permanentmagnete 10 und dem Stator 12 ist ein im Wesentlichen zylindermantelförmiger Luftspalt 13 gebildet, welcher an seiner radial äußeren Begrenzung, das heißt an der zylindrischen Innenoberfläche des Stators 12, einen Radius R_L aufweist.
Zwischen dem Teilkreisradius T_K der Wälzkörper 4, dem Radius R_L des Luftspalts 13, und dem Teilkreisradius T_B der Bolzen 8 besteht der Zusammenhang
T_K < R_L < T_B.
Radial außerhalb der Spulen 11 befindet sich ein Statormantel 14 als weiteres Teil des Stators 12. In beiden Ausführungsbeispielen ist der Statormantel 14 als Kühlmantel ausgebildet, wobei er im Ausführungsbeispiel nach 1 Kühlrippen 15 zur Luftkühlung und im Ausführungsbeispiel nach 2 Kühlkanäle 16 zur Flüssigkeitskühlung aufweist. In beiden Fällen fluchtet der Statormantel 14 sowohl mit dem Flansch 7 als auch, auf der dem Flansch 7 abgewandten Seite, mit einem Außenring 17 des Radlagers 2. Durch Konturen am Umfang des Flansches 7, des Statormantels 14, sowie des Außenrings 17 ist somit eine durchgehende, zumindest annähernd zylindermantelförmige Oberfläche des Radlagermotors 1 gebildet.
Der Außenring 17 ist durch Schrauben 18 mit dem Statormantel 14 verbunden und weist Gewindebohrungen 19 zur fahrzeugseitigen Befestigung auf. Der gesamte Radlagermotor 1 wird hierbei vergleichbar einem herkömmlichen Radlager an das Fahrwerk des Fahrzeugs angebunden. Elektrische Kabel zur Bestromung der Spulen 11 und/oder Übertragung von Daten zwischen dem Radlagermotor 1 und dem Fahrzeug sind in 1 nicht dargestellt. Zwischen dem Statormantel 14 und dem Flansch 7 ist eine Dichtung 20 zur Abdichtung des Elektromotors 3 angeordnet.
Der als permanentmagneterregter Synchronmotor ausgebildete Elektromotor 3 wird auch als Torque-Motor bezeichnet. Im Fall von Wasserkühlung (2) kann im Vergleich zur Luftkühlung eine höhere Leistungsdichte erzielt werden und die aus dem Elektromotor 3 abgeführte Wärme an anderer Stelle im Fahrzeug, beispielsweise zur Heizung oder zur Umwandlung in mechanische Energie, evtl. in Zusammenwirkung mit weiteren Wärmequellen, genutzt werden.
Unabhängig von der Art der Kühlung ist der Radlagermotor 1 nicht nur als Antrieb, insbesondere Zusatzantrieb, eines Fahrzeugs, nutzbar, sondern auch zur gezielten Einbringung von antreibenden oder bremsenden Drehmomenten an einzelnen Fahrzeugrädern im Sinne einer elektronischen Stabilitätsregelung. Beim Abbremsen des Fahrzeugs ist der Radlagermotor 1 generatorisch betriebbar. In jedem Fahrzustand ist durch die getriebelose Anbindung des Elektromotors 3 an das Fahrzeugrad ein sehr schnelles Ansprechen ohne jegliches Spiel sowie ein hoher energetischer Wirkungsgrad gegeben. Der hohe Wirkungsgrad wird zudem dadurch begünstigt, dass der Elektromotor 3 keine eigene Lagerung aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Elektrischer Radantrieb
2: Radlager
3: Elektromotor
4: Kugel, Wälzkörper
5: Innenring
6: Abschnitt
7: Flansch
8: Bolzen
9: Rotor
10: Permanentmagnet
11: Spule
12: Stator
13: Luftspalt
14: Statormantel
15: Kühlrippe
16: Kühlkanal
17: Außenring
18: Schraube
19: Gewindebohrung
20: Dichtung
RL: Radius des Luftspaltes
TB: Teilkreisradius der Bolzen
TK: Teilkreisradius der Kugeln

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1488495 B1 [0002]
US 2002/0090158 A1 [0016]

Claims

Elektrischer Radantrieb, mit einem Elektromotor (3), welcher einen zur drehfesten Verbindung mit einem Fahrzeugrad vorgesehenen Rotor (9) und einen Stator (12) aufweist, sowie mit einem zur Lagerung des Fahrzeugrades vorgesehen Radlager (2), welches zugleich zur Lagerung des Rotors (9) relativ zum Stator (12) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3) in das Radlager (2) integriert ist.
Radantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3) als Radialflussmotor ausgebildet ist.
Radantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3) als permanentmagneterregter Synchronmotor ausgebildet ist.
Radantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3) luftgekühlt ist.
Radantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenring (17) des Radlagers (2) direkt mit einer Komponente des Stators (12), nämlich einem Kühlrippen (15) aufweisenden Statormantel (14), verbunden ist.
Radantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3) flüssigkeitsgekühlt ist.
Radantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenring (17) des Radlagers (2) direkt mit einer Komponente des Stators (12), nämlich einem Kühlkanal (16) aufweisenden Statormantel (14), verbunden ist.
Radantrieb nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Statormantel (14) konzentrisch zum Außenring (17) angeordnet ist, wobei Statormantel (14) und Außenring (17) einen übereinstimmenden Außendurchmesser aufweisen.
Radantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (17) sowie der Statormantel (14) mit einem Flansch (7) fluchten, an welchem das Fahrzeugrad befestigbar und welcher einstückig mit einem Innenring (5) des Radlagers (2) ausgebildet ist.
Radantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drehfest mit dem Rotor (9) verbundene, zur Befestigung des Fahrzeugrades vorgesehene Bolzen (8) radial außerhalb des zwischen Rotor (9) und Stator (12) gebildeten Luftspaltes (13) angeordnet sind.
Radantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3) in Axialrichtung zwischen den Bolzen (8) und dem Radlager (2) angeordnet ist.