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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Fahrzeugrad, ein Fahrzeugrad sowie ein Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeugrades.
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Radnabenantriebe sind als eine Variante eines (dezentralen) Fahrzeugantriebs seit längerem bekannt. Bei Radnabenantrieben ist im Wesentlichen eine die mechanische Antriebskraft erzeugende Antriebseinheit in ein Fahrzeugrad, insbesondere in eine Felge des Fahrzeugrades, integriert.
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So zeigt die
DE 693 09 066 T2 eine Elektromotor/Rad-Einheit, die eine Hohlwelle mit einem mit einer ersten Öffnung versehenen Ende und einem zweiten mit einer zweiten Öffnung versehenen Ende umfasst, wobei die erste Öffnung Versorgungsleiter von außerhalb der Motor/Rad-Einheit aufnehmen kann. Weiter umfasst die Elektromotor/Rad-Einheit einen mit der Welle koaxialen und an der Welle befestigten Stator, wobei der Stator eine Hohlpartie und Wicklungen aufweist. Weiter umfasst die Elektromotor/Rad-Einheit einen mit dem Stator koaxialen und drehbar um den Stator montierten Rotor sowie ein Umsetzmittel zum Umsetzen einer elektrischen Eingangsspannung und eines elektrischen Eingangsstromes in eine elektrische Ausgangsspannung und einen elektrischen Ausgangsstrom, wobei der Ausgangsstrom ein variabler Wechselstrom ist. Hierbei umfasst das Umsetzmittel eine Leistungselektronik mit Eingangsanschlüssen zum Aufnehmen des elektrischen Eingangsstroms und mit Ausgangsanschlüssen zur Erzeugung des variablen elektrischen Wechselstroms, wodurch in Betrieb der variable Wechselstrom die Wicklungen des Stators speist. Weiter ist Leistungselektronik in der Hohlpartie montiert. Weiter sind die Versorgungsleiter derart direkt mit den Eingangsanschlüssen der in der Hohlpartie angeordneten Leistungselektronik verbunden, dass die in der ersten Öffnung der Hohlwelle aufgenommenen Leiter von relativ geringem Durchmesser sein können, selbst in dem Fall, in dem der Motor ein relativ großes Drehmoment erzeugen soll.
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Die
DE 44 04 926 A1 offenbart ein elektrisches Antriebssystem für ein gleichstrombetriebenes Fahrzeug mit einem Antriebs-Elektromotor, der einen mit Stromleitern versehenen Stator und einen mit Dauermagneten versehenen Läufer aufweist. Weiter weist das elektrische Antriebssystem einen auf eine Drehbewegung des Läufers reagierenden Sensor und eine elektronische Ansteuereinrichtung auf, die auf ein Ausgangssignal des Sensors reagiert und die Stromleiter mit einem impulsförmigen Spannungssignal beaufschlagt. Hierbei weist die Ansteuereinrichtung eine auf das Ausgangssignal des Sensors reagierende Drehzahlmesseinrichtung zum Erzeugen eines der Läufer-Umdrehungsgeschwindigkeit entsprechenden Drehzahlsignals auf. Weiter weist die Ansteuereinrichtung eine Spannungs-Steuereinrichtung auf, die ein vom Drehzahlsignal abhängiges Spannungs- und Wickelsteuersignal erzeugt. Weiter weist die Ansteuereinrichtung eine Impulserzeugungseinrichtung auf, die ein Impulssignal für die Stromleiter erzeugt, dessen Amplitude und Phasenwinkel relativ zur Stellung des Läufers in Abhängigkeit vom Spannungs- und Wickelsteuersignal variabel ist.
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Hinsichtlich einer Ausgestaltung von elektrischen Maschinen, insbesondere Außenläufermaschinen, offenbart die
DE 10 2005 052 783 A1 einen Stator für eine elektrische Maschine, der einen Statorträger und einen Statoraußenteil umfasst, wobei der Statorträger mindestens einen mäandrierenden Kanal umfasst. In dem mäandrierenden Kanal ist hierbei ein Fluid führbar.
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Die
DE 10 2006 008 241 A1 offenbart eine Generator-Elektromotor-Kombination, insbesondere ein elektrisches Getriebe, mit einem ersten Rotor einer Eingangswelle und einem zweiten Rotor einer Ausgangswelle, die jeweils in Umfangsrichtung Permanentmagnete mit jeweils wechselnder Polarität aufweisen. Weiter weist die Generator-Elektromotor-Kombination zumindest einen Stator auf, an dessen, den Permanentmagneten zugewandter, Umfangsseite abwechselnd Nuten zur Aufnahme zumindest einer Statorwicklung und Statorzähne ausgebildet sind, deren umfangsseitige Zahnflächen den Permanenten zugewandt sind. Weiter bleibt bei einer Rotordrehung eine von den, vom jeweiligen Permanentmagneten überdeckten Zahnflächen ausgebildete Gesamtfläche unabhängig von einem Rotordrehwinkel im Wesentlichen konstant.
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Es stellt sich das technische Problem, eine Antriebseinheit für ein Fahrzeugrad, ein Fahrzeugrad sowie ein Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeugrades zu schaffen, die hinsichtlich einer Robustheit, einer Masse, einer Bauraumanforderung, eines Konstruktionsaufwandes und hinsichtlich Leistungsparametern (Dauerantriebsmomente, Bremsmomente) optimiert sind.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 9 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Antriebseinheit für ein Fahrzeugrad. Die Antriebseinheit umfasst hierbei eine Elektromaschine mit einem Stator und einem Rotor, eine zentrale Welle, mindestens ein erstes Radlager und mindestens eine Bremsvorrichtung. Die Elektromaschine ist hierbei in einem motorischen oder generatorischen Betrieb betreibbar. Der Stator ist koaxial zur zentralen Welle angeordnet und auf dieser befestigt. Hierdurch ist der Stator also mechanisch mit der zentralen Welle verbunden und nicht drehbar gelagert. Weiter ist der Rotor koaxial zur zentralen Welle und mittels des mindestens ersten Radlagers um den Stator herum drehbar gelagert. Koaxial bedeutet hierbei, dass eine zentrale Längsachse der zentralen Welle gleich einer zentralen Längsachse des Stators und einer zentralen Längsachse des Rotors ist. Hierbei ist die zentrale Längsachse der zentralen Welle gleichzeitig eine Rotationsachse des Rotors und somit eines mit dem Rotor mechanisch verbundenen Fahrzeugrades.
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Der Stator ist hierbei innerhalb des Rotors angeordnet. Somit kann die Elektromaschine als eine Elektromaschine in Außenläuferbauweise bezeichnet werden.
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Der Rotor weist ein Rotorgehäuse auf. Hierbei sind an einem ersten Abschnitt des Rotorgehäuses in Umfangsrichtung des Rotors 2p Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit jeweils wechselnder Polarität angeordnet. Die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes erzeugen hierbei ein so genanntes Rotorfeld. Die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes können hierbei als Permanentmagnete, vorzugsweise als Permanentmagnete auf Seltene-Erden-Basis, ausgebildet sein. Hierbei bezeichnet p eine Polpaarzahl. Eine Polpaarzahl ist hierbei möglichst hoch zu wählen. Insbesondere kann eine Polpaarzahl in einem Bereich zwischen 10 und 20 liegen, vorzugsweise beträgt eine Polpaarzahl 15. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise ein geringer Rotorfeldrückschluss innerhalb des Rotorgehäuses erreichbar. Mittels der Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds ist hierbei vorzugsweise ein trapezförmiges Rotorfeld mit möglichst steilen Flanken zu erzeugen.
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Der Stator kann an einer dem ersten Abschnitt des Rotorgehäuses zugewandten Außenseite des Stators abwechselnd Nuten und Statorzähne aufweisen. Hierbei können in den Nuten so genannte Statorwicklungen angeordnet sein. Fließt ein Strom durch die Statorwicklungen, so wird hierdurch von den Statorwicklungen ein magnetisches Feld, das so genannte Statorfeld, erzeugt. Im motorischen Betrieb wird ein Stromfluss durch die Statorwicklungen derart gesteuert, dass ein relativ zur zentralen Längsachse rotierendes Statorfeld erzeugt wird. Da das Statorfeld mit dem Rotorfeld wechselwirkt, kann hierdurch eine Rotation des Rotors bewirkt werden. Hierbei ist eine Anordnung und Ausbildung der rotorseitigen Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes, der Anordnung und Auslegung der Statorwicklungen und die Steuerung des Stromflusses (Stromrichtung, Stromstärke) derart zu wählen, dass im motorischen Betrieb zur Zeit eines Stromflusses eine möglichst hohe Induktion in einem Luftspalt zwischen Stator und Rotor erreicht wird. Hierbei kann auch eine bis in eine Sättigung getriebene Durchflutung des zu dem magnetischen Kreis gehörenden rotorseitigen Rückschlussmaterials (Rotorgehäuse) in Kauf genommen werden.
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Eine Anzahl von Strängen der Statorwicklungen ist hierbei hoch zu wählen. Weiter können verschiedene Arten von Wicklungen der Statorwicklungen gewählt werden, vorzugsweise ist die Wicklungsart der Statorwicklungen eine Wellenwicklung. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kurze Leiterlänge im so genannten Wickelkopf und somit geringe ohmsche Verluste. Vorzugsweise beträgt die Anzahl von Strängen der Statorwicklungen 6 bis 12 Stränge, vorzugsweise 8 Stränge.
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Erfindungsgemäß ist ein zweiter Abschnitt des Rotorgehäuses als mit der Bremsvorrichtung zusammenwirkende Bremsfläche ausgebildet (rotorseitige Bremsfläche). Die Bremsvorrichtung kann hierbei beispielsweise als Scheibenbremse oder Trommelbremse ausgebildet sein. Hierbei ist die Bremsvorrichtung mittelbar oder unmittelbar mechanisch mit der zentralen Welle verbunden, also nicht drehbar auf der zentralen Welle gelagert. In einem mechanischen Bremsvorgang wird eine statorseitige Bremsfläche, z. B. ein Bremsschuh, gegen die rotorseitige Bremsfläche gedrückt. Die hierdurch entstehenden Reibungskräfte erzeugen ein Bremsmoment. Bei einem derartigen Bremsvorgang wird kinetische Energie des Rotors in Wärmeenergie umgewandelt.
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Weiter ist es selbstverständlich möglich, den Rotor im generatorischen Betrieb der Elektromaschine abzubremsen. Hierbei wird kinetische Energie des Rotors im Wesentlichen mittels einer Induktion in elektrische Energie gewandelt. Die elektrische Energie kann hierbei z. B. zum Aufladen einer Speichereinheit (Akkumulator, Batterie) genutzt werden, was als so genannter Rekuperationsbetrieb bekannt ist.
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Erfindungsgemäß ist die Elektromaschine als Gleichstrommaschine ausgebildet. Weiter sind der erste und der zweite Abschnitt des Rotorgehäuses mittels eines dritten Abschnitts mechanisch miteinander verbunden. Hierbei verhindert oder reduziert der dritte Abschnitt eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten und dem ersten Abschnitt. Insbesondere verhindert oder reduziert der dritte Abschnitt eine Wärmeleitung zwischen dem zweiten und dem ersten Abschnitt. Hierfür kann der dritte Abschnitt zumindest teilweise aus einem Material mit einer vorbestimmten, insbesondere niedrigen, Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Weiter kann der dritte Abschnitt eine vorbestimmte, insbesondere große, Außenfläche aufweisen, mittels derer Wärme über Wärmekonvektion an ein strömendes Fluid, insbesondere Luft, abgegeben werden kann. Auch kann der dritte Abschnitt aus einem Material mit einem vorbestimmten, insbesondere hohen, Emissionskoeffizienten, z. B. einem Emissionskoeffizienten größer als 0,5, ausgebildet sein. Hierdurch kann eine Wärmeableitung des dritten Abschnitts über eine Wärmestrahlung realisiert sein.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit ermöglicht somit eine kompakte Anordnung einer Bremsvorrichtung und einer Gleichstrommaschine in Außenläuferbauweise, wobei eine Wärmeübertragung zwischen der in einem mechanischen Bremsvorgang erzeugten Wärmeenergie zu den rotorseitigen Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfelds verhindert oder reduziert wird. Da Eigenschaften, insbesondere von Permanentmagneten, stark temperaturabhängig sind, wird hierdurch in vorteilhafter Weise eine sich auf einen Betrieb der Antriebseinheit negativ auswirkende Änderung von Eigenschaften des Rotorfeldes (Feldstärke, Verlauf) durch Wärmeübertragung vermieden oder reduziert.
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Hierbei ist an dem Rotorgehäuse eine Felge, insbesondere ein Radflansch oder ein Radkranz oder ein Außenring der Felge, befestigbar. Hierüber wird die Felge mechanisch mit dem Rotor gekoppelt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Stator Abschnitte zur fluidbasierten Kühlung auf. Insbesondere kann der Stator Elemente zur Kühlung mittels Kühlwasser oder einer Kühlflüssigkeit aufweisen. Diese können beispielsweise als Kühlkanäle ausgebildet sein. Wie in der
DE 10 2005 052 783 A1 beschrieben, kann der Stator hierfür z. B. einen Statoraußenteil aufweisen, wobei an einer Außenseite des Statoraußenteils die vorhergehend erwähnten Nuten und Statorzähne ausgebildet sind. Weiter kann der Stator einen so genannten Statorträger aufweisen, wobei der Statorträger innerhalb des Statoraußenteils angeordnet ist. Hierbei können innerhalb des Statorträgers Kühlkanäle ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Kühlkanäle als mäandrierende Kühlkanäle ausgebildet. Beispielsweise kann der Statorträger aus einem Statorträgeraußenteil und einem Statorträgerinnenteil ausgebildet sein, die mittels einer Schweißnaht zusammengeschweißt sind. Hierbei können die mäandrierenden Kühlkanäle durch mäandrierende Nuten auf der Innenseite des Statorträgeraußenteils ausgebildet sein, wobei jede mäandrierende Nut durch die Außenseite des Statorträgerinnenteils abgedeckt ist. Auch die weiteren in der DE 10 2005 052 783 A1 offenbarten Ausführungsformen eines Stators können hierbei Teil der Erfindung sein. Durch Abschnitte zur fluidbasierten Kühlung wird hierdurch in vorteilhafter Weise ermöglicht, eine höhere Kühlleistung des Stators und, wie nachfolgend beschrieben, auch des Rotors zu ermöglichen. Durch eine derart verbesserte Kühlwirkung kann insbesondere ein Blech bzw. die Bleche und die Statorwicklungen des Stators gekühlt werden. Hierdurch ist eine höhere Feldstärke des Statorfeldes erreichbar, wodurch ein maximales Antriebsmoment bzw. Bremsmoment erhöht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Teil einer Außenfläche des Abschnitts zur fluidbasierten Kühlung parallel zu einer Außenfläche des zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses mit einem vorbestimmten Abstand zu diesem angeordnet. Weist der statorseitige Teil einer Außenfläche des Abschnitts zur fluidbasierten Kühlung in einem Querschnitt senkrecht zur zentralen Längsachse beispielsweise einen (teil-)kreisförmigen Verlauf mit einem ersten Radius auf, so kann eine Außenfläche des rotorseitigen zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses in dem gleichen Querschnitt einen (teil-)kreisförmigen Verlauf mit einem zweiten Radius aufweisen, wobei der zweite Radius um den vorbestimmten Abstand größer als der erste Radius ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann ein Teil einer Außenfläche des Abschnitts zur fluidbasierten Kühlung in einer Ebene, die senkrecht zur zentralen Längsachse liegt, angeordnet sein. Hierbei kann eine rotorseitige Außenfläche des zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses in einer Ebene, die senkrecht zur zentralen Längsachse ist, angeordnet sein, wobei die Ebenen mit dem vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet angeordnet sind. Selbstverständlich sind auch weitere Anordnungen des statorseitigen Teils einer Außenfläche des Abschnitts zur fluidbasierten Kühlung und des rotorseitigen Teils einer Außenfläche des zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses möglich, wobei jedoch eine Rotation des Rotors gewährleistet sein muss. Der vorbestimmte Abstand ist hierbei so gering wie möglich zu wählen, er muss jedoch eine gefahrlose Rotation des Rotors um den Stator herum ermöglichen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Kühlung des zweiten Abschnitts mittels der Elemente zur fluidbasierten Kühlung ermöglicht, wobei ein Transport der durch z. B. einen Bremsvorgang erzeugten Wärmeenergie über eine Wärmestrahlung von dem zweiten Abschnitt hin zum Element zur fluidbasierten Kühlung erfolgt. Um diesen Wärmetransport zu verbessern, kann z. B. ein Teil der Außenfläche des rotorseitigen zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses als Material mit einem hohen Emissionskoeffizienten, beispielsweise einem Emissionskoeffizienten größer als 0,5, ausgebildet sein. Z. B. kann die Außenfläche schwarz lackiert oder schwarz eloxiert ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine verbesserte Kühlung des zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses und somit ein verbesserter Abtransport von Bremswärme sowie eine weiter verminderte Erwärmung der ebenfalls am Rotorgehäuse befestigten Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Rotor zusätzlich mittels eines zweiten Radlagers drehbar um den Stator gelagert, wobei das zweite Radlager entlang einer Zentralachse der zentralen Welle versetzt zum ersten Radlager angeordnet ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine verbesserte mechanische Abstützung des Rotors auf der zentralen Welle erreicht. Gleichzeitig wird durch die Lagerung mittels eines zusätzlichen, zweiten Radlagers ein vermindertes Kippspiel des Rotors erreicht. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Luftspalt zwischen Stator und Rotor kleiner als bei einer Lagerung mittels nur eines Radlagers ausgebildet werden. Durch einen verkleinerten Luftspalt ergibt sich eine höhere Leistungsfähigkeit des Radnabenantriebs, insbesondere ein höheres Antriebs- bzw. Bremsmoment. Hierbei kann ein Mittel zur Abdichtung, insbesondere ein Dichtring, zur Abdichtung eines vom Rotorgehäuse umfassten Innenraums benachbart zu dem zweiten Radlager auf der zentralen Welle angeordnet sein. Hierbei kann der Dichtring durch das zweite, zusätzliche Radlager zentriert werden. Erfindungsgemäß ist das zweite Radlager entlang der zentralen Längsachse gegenüber dem ersten Radlager versetzt angeordnet. Beispielsweise kann das erste Radlager an einer Radaußenseite und das zweite Radlager an einer Radinnenseite auf der zentralen Welle angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Rotorgehäuse einen zwischen dem ersten und dem zweiten Radlager liegenden Innenraum dicht gegenüber z. B. Feuchtigkeit und Schmutz einschließen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die zentrale Welle als Hohlwelle ausgebildet, wobei die Hohlwelle Mittel zur Zuleitung eines Kühlfluids und/oder Mittel zur Zuführung elektrischer Leitungen umfasst. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Zuführung von Versorgungsmitteln, insbesondere von z. B. einer Kühlflüssigkeit und/oder elektrischer Energie, für die erfindungsgemäße Antriebseinheit durch die zentrale Hohlwelle erfolgen kann und somit besser gegenüber äußeren Einflüssen geschützt ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist eine dem ersten Abschnitt des Rotorgehäuses zugewandte Außenseite des Stators abwechselnd Nuten und Statorzähne auf, wobei eine von den vom jeweiligen Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes überdeckten Zahnflächen ausgebildete Gesamtfläche unabhängig von einem Rotordrehwinkel konstant bleibt oder sich nur um einen vorbestimmten Betrag ändert. Der vorbestimmte Betrag ist hierbei klein zu wählen, insbesondere kleiner als 5% einer maximalen Gesamtfläche. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Reduktion von Rastmomenten während eines Betriebes der Antriebseinheit, wobei Rastmomente entstehen, wenn bei einer Drehbewegung des Rotors die Summe der vom jeweiligen Rotorfeld überlagerten bzw. beeinflussten Statorzähne nicht gleich bleibt, sondern variiert.
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In einer weiteren Ausführungsform beträgt eine Breite der Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Umfangsrichtung des Rotors das ein- oder mehrfache aus der Summe einer Nutbreite und einer Zahnbreite. Alternativ oder kumulativ beträgt der Magnetabstand zwischen den in Umfangsrichtung des Rotors benachbarten Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldes das ein- oder mehrfache aus der Summe der Nutbreite und der Zahnbreite. Vorzugsweise beträgt ein Magnetabstand das Einfache der Summe der Nutbreite und der Zahnbreite. Weiter vorzugsweise ist ein Magnetabstand kleiner als eine Breite der Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes zu wählen, beispielsweise kann eine Breite der Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes das Vierfache aus der Summe der Nutbreite und der Zahnbreite betragen. Durch einen möglichst kleinen Magnetabstand ergibt sich in vorteilhafter Weise ein möglichst steiler Verlauf zwischen wechselnden Polaritäten des Rotorfeldes. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein annähernd rechteckförmiges, also ideales, Rotorfeld erzeugt werden.
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Hierbei sei ausdrücklich auf die
DE 10 2006 008 241 A1 verwiesen, deren Inhalt ebenfalls Teil dieser Offenbarung sein soll.
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Es ist zu berücksichtigen, dass ein möglichst hohes Moment durch eine möglichst hohe Breite der Mittel zu Erzeugung eines Magnetfeldes senkrecht zur Umfangsrichtung, also in Richtung der zentralen Längsachse, erreicht werden kann. Hierfür ist ein Wickelkopf möglichst klein zu dimensionieren.
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Auch ein hoher Luftspaltdurchmesser, also ein Durchmesser der im Querschnitt kreisförmigen, der zentralen Längsachse zugewandten Oberfläche der Mittel zur Erzeugung eines Magnetfelds, dient zur Erreichung eines möglichst hohen Moments. Hierfür ist erforderlich, eine Wandstärke des Rotors gering zu dimensionieren.
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In einer weiteren Ausführungsform bildet der Stator einen Hohlraum aus, wobei in diesem Hohlraum Elemente zur Steuerung und/oder zur Energieversorgung der Gleichstrommaschine angeordnet sind. Der Hohlraum kann hierbei ebenfalls Teil eines vom Rotorgehäuse umfassten Innenraums des Rotors sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass Elemente zur Steuerung und/oder zur Energieversorgung vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor Verschmutzung oder Feuchtigkeit, geschützt sind. Unter Elementen zur Energieversorgung wird hierbei z. B. ein Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) verstanden. Unter einem Element zur Steuerung wird beispielsweise eine Steuereinheit verstanden. Weiter können Elemente zur Energieversorgung Elemente zur Kommutierung der vorhandenen Stränge sein. Weiter kann die Antriebseinheit mindestens ein Mittel zur Erfassung des Rotorfeldes, insbesondere zur Erfassung einer Feldstärke und/oder Polarität des Rotorfeldes, umfassen. Vorzugsweise ist hierbei in jeder Nut des Stators ein derartiges Mittel zur Erfassung des Rotorfeldes angeordnet. Hierdurch kann z. B. das Element zur Steuerung bestimmen, ob über einen Strang zum aktuellen Zeitpunkt ein Nord- oder Südpol des rotorseitigen Mittels zur Erzeugung eines Magnetfeldes ist. Je nach gewünschter Drehrichtung des Rotors kann z. B. das Element zur Steuerung die dem jeweiligen Strang zugeordnete Kommutierungselektronik, beispielsweise eine so genannte H-Brücke, leitend oder nicht leitend schalten. Z. B. kann das Element zur Steuerung das einem Strang zugeordnete Element zur Kommutierung nicht leitend schalten, falls das sich über dem jeweiligen Strang befindliche Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes sich aufgrund einer Rotation aus einem Bereich oberhalb eines Statorzahns herausbewegt. Anschließend kann beispielsweise das dem nächstfolgenden Strang, der beispielsweise in der nächstfolgenden Nut angeordnet ist, zugeordnete Element zur Kommutierung leitend geschaltet werden. Hierbei kann eine beim Nicht-Leitend-Schalten eines Stranges in der Induktivität gespeicherte Energie I2 × L/2 sowohl in einen anderen, zu diesem Zeitpunkt leitend geschalteten Strang als auch in einen Kondensator geleitet werden. Der Einschaltzeitpunkt, also der Zeitpunkt des Leitend-Schaltens, und der Ausschaltzeitpunkt, also der Zeitpunkt des Nicht-Leitend-Schaltens, bestimmt einen Stromverlauf in dem jeweiligen Strang. Anzustreben ist hierbei ein möglichst rechteck- oder trapezförmiger Verlauf, der vorzugsweise an einen Verlauf des Rotorfeldes angepasst ist. Wird mittels des Elements zur Steuerung ein Stromverlauf in den jeweiligen Strängen derart gesteuert, kann in vorteilhafter Weise eine hohe Drehmomentendichte erreicht werden, wie sie z. B. mit Sinusfeldern und/oder -strömen nicht möglich ist.
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Drehzahl und Drehmoment werden wie bei einer bekannten Gleichstrommaschine über Vorwahl von Spannung und Stromgesteuert. Wird, wie bei einem Elektrofahrzeug üblich, die Energie aus einer Fahr- oder Traktionsbatterie bezogen, kann die Antriebseinheit einen so genannten Gleichstromwandler umfassen, der eine Ausgangsspannung der Fahr- oder Traktionsbatterie auf eine gewünschte Spannung der Antriebseinheit wandelt. Hierbei kann für jedes mittels einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit angetriebene Rad ein eigener Gleichstromwandler verwendet werden. Hierbei ergibt sich in vorteilhafter Weise eine größtmögliche Flexibilität bei einer Erzeugung fahrdynamischer Effekte für das mittels mehrerer Antriebseinheiten angetriebene Fahrzeug. Jedoch ist es auch vorstellbar, nur einen Gleichstromwandler für ein mittels mehrerer erfindungsgemäßer Antriebseinheiten angetriebenes Fahrzeug vorzusehen. Weiter ist es möglich, den Antriebseinheiten gruppenweise jeweils einen Gleichstromwandler zuzuordnen, beispielsweise einen Gleichstromwandler für die Vorderräder und einen Gleichstromwandler für die Hinterräder.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rades,
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2 eine erste perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Rades,
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3 eine zweite perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Rades,
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4 eine dritte perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Rades 1 ohne Rotor,
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5 eine perspektivische Ansicht eines Rotors,
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6 eine perspektivische Ansicht eines Stators und
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7 ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuerung des erfindungsgemäßen Radnabenantriebs.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Eigenschaften.
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In 1 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rades 1 dargestellt. Das Rad 1 ist hierbei ohne Reifen abgebildet. Das Rad 1 besteht aus einer Felge 2 und einer innerhalb des Rades 1 angeordneten Antriebseinheit 3. Die Felge 2 weist hierbei eine Felgennabe 4, einen nicht dargestellten Felgenkranz und einen ebenfalls nicht dargestellten Außenring auf. Die Antriebseinheit 3 ist hierbei in einem vom Außenring eingeschlossenen Hohl- oder Innenraum angeordnet. Die Felge 2 ist hierbei mechanische starr mit einem Rotor 7 der Antriebseinheit 3 gekoppelt. Der Rotor 7 ist hierbei mittels eines ersten Kugellagers 8 drehbar auf einer zentralen Welle 9 angeordnet. Das erste Kugellager 8 ist hierbei radaußenseitig auf der zentralen Welle 9 angeordnet. Die zentrale Welle 9 dient hierbei zur Befestigung des Rades 1 z. B. an einer Radaufhängung eines nicht dargestellten Fahrzeuges. Eine zentrale Längsachse 10 bildet hierbei eine zentrale Rotationsachse des Rades 1 und des Rotors 7. Die Antriebseinheit 3 ist hierbei rotationssymmetrisch zur zentralen Längsachse 10 aufgebaut, wobei ein Schwerpunkt auf der zentralen Längsachse 10 liegt. Radinnenseitig weist die zentrale Welle 9 in 2 dargestellte Öffnungen 45 von nicht dargestellten Fluidleitungen auf, deren Funktion nachfolgend näher erläutert wird. Auch weist die zentrale Welle 9 an einer Innenseite des Rades 1 Öffnungen oder Anschlüsse 11 für Leitungen zur Energieversorgung auf. Hierdurch kann die Antriebseinheit mit Energie versorgt werden.
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Ein Stator 12 ist mechanisch starr auf der zentralen Welle 9 angeordnet. Der Stator 12 umfasst hierbei einen Statorträger 13. Weiter weist der Stator maändrierende Kühlkanäle 14 auf, die möglichst nahe an einer Statorwicklung 15 angeordnet sind. Weiter weist der Stator 12 die Statorwicklung 15 und in 4 dargestellte Statorzähne 16 auf, wobei die Statorwicklung 15 in einer Nut 46 (siehe 4) zwischen den Statorzähnen 16 angeordnet ist. Die Fluidleitungen dienen hierbei einer Zu- und Abführung eines Fluids zu den Kühlkanälen 14. Hierzu können die Fluidleitungen beispielsweise einen L-förmigen Verlauf aufweisen. Ein erster Schenkel des L-förmigen Verlaufs verläuft z. B. parallel zur zentralen Längsachse 10, wobei dieser erste Schenkel auch die nicht dargestellte Öffnung zur Innenseite des Rades 1 hin aufweist. Ein zweiter Schenkel des L-förmigen Fluidkanals verläuft senkrecht zur zentralen Längsachse 10 innerhalb des Statorträgers 13 zu von der zentralen Welle 9 hin zu den Kühlkanälen 14.
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Das erste Kugellager 8 weist einen fest auf der zentralen Welle angeordneten Innenring 19 und einen im Querschnitt T-förmigen Außenring 20 auf. Der Außenring weist einen Querbalken parallel zur zentralen Längsachse 10 und einen Fuß senkrecht zur zentralen Längsachse 10 auf. An einer radaußenseitigen Fläche des Fußes des Außenringes 20 ist der Rotor 7 mechanisch starr befestigt.
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Der Stator 12 bildet hierbei mit dem Außenring 20 und dem Rotor 7 einen Hohlraum 17 aus, der z. B. dicht gegenüber Feuchtigkeit oder Schmutz ist. Innerhalb dieses Hohlraums 17 sind hierbei schematisch dargestellte Elemente 18 zur Steuerung, beispielsweise Steuergeräte, und Elemente 18 zur Energieversorgung der Gleichstrommaschine, beispielsweise Gleichstromwandler, angeordnet. Diese sind mechanisch fest mit dem Stator 12, beispielsweise mit dem Statorträger 13, verbunden.
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Weiter sind Kanäle 57 dargestellt, durch die durch Öffnungen oder Anschlüsse 11 in den Stator 12 eingeführte Leitungen zur Energieversorgung zu z. B. in 3 dargestellten Elementen 18 zur Steuerung und Energieversorgung geführt werden können.
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Der Rotor 7 besteht aus einem Rotorgehäuse 21, welches wiederum aus einem ersten Abschnitt 22 des Rotorgehäuses 21 und einem zweiten Abschnitt 23 des Rotorgehäuses 21 besteht. Der erste Abschnitt 22 ist hierbei im Wesentlichen L-förmig ausgebildet, wobei ein radaußenseitig angeordneter Schenkel 24 des ersten Teils 22 des Rotorgehäuses 21 im Wesentlichen senkrecht zur zentralen Längsachse 10 verläuft. Ein radumfangseitiger Schenkel 25 des ersten Abschnitts 22 des Rotorgehäuses 21 verläuft parallel zur zentralen Längsachse 10 und ist mit einem vorbestimmten Abstand von dieser beabstandet. Der radumfangsseitige Schenkel 25 weist hierbei an einer Innenseite des radumfangsseitigen Schenkels 25 angeordnete Permanentmagnete 26 auf. Eine Oberfläche der Permanentmagnete 26 ist hierbei den statorseitigen Statorwicklungen 15 und Statorzähnen 16 zugewandt und durch einen Luftspalt 27 von diesen beabstandet. Durch den Luftspalt 27 Wechselwirken das durch die Permanentmagnete 26 erzeugte Rotorfeld und das durch die Statorwicklungen 15 erzeugte Statorfeld. Am radinnenseitigen Ende des radumfangsseitigen Schenkels 25 weist das Rotorgehäuse einen dritten Abschnitt 28 auf, welcher den ersten Abschnitt 22 und den zweiten Abschnitt 23 miteinander verbindet. Dieser dritte Abschnitt 28 ist als Wellrohr ausgebildet und weist im Querschnitt einen S-förmigen Verlauf auf. In 1 ist dargestellt, dass der dritte Abschnitt einteilig mit dem ersten Abschnitt 22 ausgebildet ist und mittels einer Schraube 29 mit dem zweiten Abschnitt 23 mechanisch verbunden ist. Selbstverständlich ist jedoch auch vorstellbar, dass der dritte Abschnitt 28 als von dem ersten und zweiten Abschnitt 22, 23 separates Bauteil ausgebildet sein kann.
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Der zweite Abschnitt 23 des Rotorgehäuses 21 weist im Querschnitt einen ersten L-förmigen Teil und einen daran angeschlossenen zweiten L-förmigen Teil auf. Ein erster Schenkel 30 des ersten Teils verläuft hierbei senkrecht zur zentralen Längsachse 10, wobei ein radumfangsseitiges Ende des ersten Schenkels mittels der Schraube 29 mit einem radinnenseitigen Ende des dritten Abschnitts mechanisch verbunden ist. An ein dem radumfangseitigen Ende des ersten Schenkels entgegengesetztem Ende schließt sich ein zweiter Schenkel 31 des ersten Teils an, der parallel von einer Radinnenseite 32 hin zu einer Radaußenseite 33 parallel zur zentralen Längsachse 10 verläuft. Ein erster Schenkel 34 des zweiten Teils schließt sich an ein der Radaußenseite zugewandtes Ende des zweiten Schenkels 31 des ersten Teils an und verläuft senkrecht zur zentralen Längsachse 10 hin zu dieser. An diesen ersten Schenkel 34 schließt sich wiederum ein zweiter Schenkel 35 des zweiten Teils an, der parallel zur zentralen Längsachse 10 hin zur Radinnenseite 32 verläuft.
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Hierbei ist der zweite Schenkel 35 fest mit einem Außenring 40 eines zweiten Kugellagers 41 verbunden. Ein Innenring 42 des zweiten Kugellagers 41 ist fest auf der zentralen Welle 9 angeordnet, wobei das zweite Kugellager 41 mit einem vorbestimmten Abstand entlang der zentralen Längsachse 10 von einer Radaußenseite 33 hin zu einer Radinnenseite 32 von dem ersten Kugellager 8 beabstandet ist. Hierbei ist dargestellt, dass ein Dichtring 43 benachbart zum zweiten Kugellager 41 auf der zentralen Welle 9 angeordnet ist, wobei der Dichtring 43 ein vom ersten Kugellager 8, vom ersten, zweiten und dritten Abschnitt 21, 28, 23 und vom zweiten Kugellager 41 eingeschlossenen Innenraum dicht gegenüber Feuchtigkeit und Schmutz abschließt. In diesem Innenraum ist der Stator 12 angeordnet.
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Radinnenseitig ist eine Radabdeckung 37 angeordnet, die mechanisch starr mit der zentralen Welle 9 verbunden, also rotationsfest, ist. Der zweite Schenkel 31 des ersten Teils des zweiten Abschnitts 23, der erste Schenkel 34 und der zweite Schenkel 35 des zweiten Teils des zweiten Abschnitts 23 sowie die Radabdeckung 37 schließen hierbei einen Hohlraum 38 ein. In diesem Hohlraum 38 ist eine Trommelbremse 39 angeordnet. Die Trommelbremse 39 weist einen nicht dargestellten Bremsschuh auf, der beim Bremsen an eine der zentralen Welle 9 zugewandte Oberfläche des zweiten Schenkels 31 des ersten Teils des zweiten Abschnitts 23 gedrückt wird.
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Der dritte Abschnitt 28, also das Wellrohr, verhindert eine Wärmeübertragung von durch das Bremsen im zweiten Abschnitt 23 erzeugter Wärmeenergie zum ersten Abschnitt 21. Hierfür ist der dritte Abschnitt 28 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Durch den S-förmigen Verlauf weist der dritte Abschnitt 28 auch eine große Oberfläche zur Abgabe von Wärmeenergie mittels Wärmekonvektion auf. Hierbei gibt der dritte Abschnitt 28 einen Großteil der Wärmeenergie an Luft ab.
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Der dritte Abschnitt dient jedoch nicht allein einer Verhinderung einer Wärmeübertragung, sondern muss auch eine Kraft bzw. ein Moment vom ersten Abschnitt 22 auf den zweiten Abschnitt 23 (Antrieb) oder vom zweiten Abschnitt 23 auf den ersten Abschnitt (Bremsen) übertragen. Dies Ausbildung des dritten Abschnitts 28 als Wellrohr mit einem S-förmigen Querschnitt ermöglicht ein vorteilhafter Weise eine sichere mechanische Kopplung von ersten und zweiten Abschnitt 22, 23 bzw. eine sichere Übertragung von gewünschten Kräften/Momenten.
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Weiter ist eine Außenfläche eines Teils des Statorträgers 13, welcher die maändrierende Kühlkanäle 14 aufweist, parallel zu einem Teil der radumfangsseitigen Oberfläche des zweiten Schenkels 31 des ersten Teils des zweiten Abschnitts 23 angeordnet und mit einem vorbestimmten Abstand von der radumfangsseitigen Oberfläche beabstandet. Hierbei verläuft die Außenfläche bzw. die Oberflächen parallel zur zentralen Längsachse 9.
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Auch eine Außenfläche eines weiteren Statorteils 44 des Stators 13, welcher thermisch mit dem Teil des Statorträgers 13, welcher die maändrierende Kühlkanäle 14 aufweist, gekoppelt ist, ist parallel zu einer der Radaußenseite 33 zugewandten Oberfläche des ersten Schenkels 30 des ersten Teils des zweiten Abschnitts 23 angeordnet und mit einem vorbestimmten Abstand von der der Radaußenseite 33 zugewandten Oberfläche des ersten Schenkels 30 beabstandet. Hierbei verlaufen die Außenfläche bzw. die Oberfläche senkrecht zur parallelen Längsachse 9.
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Die vorbestimmten Abstände müssen hierbei eine gefahrenlose Rotation des Rotors 7 um den Stator 3 ermöglichen, sollten jedoch so klein wie hierfür möglich gewählt werden.
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Durch geringe Abstände kann eine Wärmekonvektion vom zweiten Abschnitt 23 hin zu durch die Kühlkanäle direkt oder mittels thermischer Kopplung gekühlten Abschnitte des Stators 3 erfolgen. Dies ermöglicht eine verbesserte Kühlung und Abfuhr von aus Bremsenergie resultierender Wärmeenergie.
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In 2 ist eine erste perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Rades 1 dargestellt. Hierbei sind insbesondere die Öffnungen 45 der zentralen Welle 9 für Fluidleitungen an einer Radinnenseite 32 dargestellt. Weiter wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der Stator 3, der Rotor 7, der erste Abschnitt 22, der zweite Abschnitt 23, der dritte Abschnitt 28, die Schraube 29, die Radinnenseite 32, die Radaußenseite 33 und die Radabdeckung 37 mit Bezugszeichen bezeichnet.
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In 3 ist eine zweite perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Rades 1 dargestellt. Hierbei sind insbesondere die Felgennabe 4 und die Elemente 18 zur Steuerung und Energieversorgung dargestellt. Weiter wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der Stator 3, der Rotor 7, das Rotorgehäuse 21, der erste Abschnitt 22, der zweite Abschnitt 23, der dritte Abschnitt 28, die Schraube 29, die Radinnenseite 32, die Radaußenseite 33 und die Radabdeckung 37 mit Bezugszeichen bezeichnet.
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In 4 ist eine dritte perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Rades 1 ohne Rotor dargestellt. Hierbei sind insbesondere die Statorzähne 16 und die zwischen den Statorzähnen 16 ausgebildeten Nuten 46 dargestellt. Weiter wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der Stator 3, die zentrale Welle 9, der Außenring 20 des ersten Kugellagers 8 (siehe 1), die Elemente 18 zur Steuerung und Energieversorgung, die Radinnenseite 32 und die Radaußenseite 33 mit Bezugszeichen bezeichnet.
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Die in 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform zeigen, dass alle Elemente des erfindungsgemäßen Radnabenantriebs möglichst kompakt innerhalb eines von Rotorgehäuse 21 und Radabdeckung 37 eingeschlossenen Hohlraums angeordnet sein können. Insbesondere weist der Radnabenantrieb keinerlei aus diesem Hohlraum herausragenden Elemente auf, die z. B. beim Einparken mit einem Bordstein kollidieren könnten.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotors 7. Hierbei ist ein Rotorgehäuse 21 mit einem ersten Abschnitt 22 und einem dritten Abschnitt 28 dargestellt. Der zweite Abschnitt 23, der z. B. in 1 dargestellt ist, ist in 5 nicht dargestellt. Weiter sind Permanentmagnete 26 dargestellt. Die Permanentmagente weisen eine Breite B1 in Umfangsrichtung des Rotors 7 auf, welcher ein Mehrfaches aus der Summe einer Nutbreite und einer Zahnbreite in Umfangsrichtung beträgt. Weiter beträgt ein Abstand A1 zwischen den in Umfangsrichtung des Rotors 7 benachbarten Permanentmagneten 26 das einfache der Summe der Nutbreite und der Zahnbreite. Weiter bezeichnet ist auch eine Breite B2 der Permanentmagnete 26 senkrecht zur Umfangsrichtung des Rotors 7 dargestellt.
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6 eine perspektivische Ansicht eines Stators 12. Hierbei sind insbesondere ein Statorträger 12, eine Statorwicklung 15, maändrierende Kühlkanäle 14, eine Radaußenseite 33 und eine Radinnenseite 32 und Kanäle 57 dargestellt. Hierbei ist dargestellt, dass ausschließlich der Statorträger 13 die maändrierenden Kühlkanäle 14 aufweist. Ein weiterer Kühlkanal 59 wird jedoch von dem Statorträger 13 und einem zwischen dem Statorträger 13 und den Statorwicklungen 15 angeordneter Statorteil 58 ausgebildet. Hierbei ist dieser Kühlkanal 58 an einem radinnenseitigen Ende des Statorträgers 13 und des Statorteils 58 ausgebildet.
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7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuerung des erfindungsgemäßen Radnabenantriebs. Hierbei sind zwei so genannte H-Schaltungen 47 dargestellt, deren Schenkel jeweils aus zwei in Serie geschalteten MOSFET 48 bestehen, wobei zu den MOSFETs 48 wiederum Freilaufdioden 49 parallel geschaltet sind. Der Verbindungsteil der beiden Schenkel ist jeweils zwischen den MOSFETs 48 angeschlossen und bildet einen Strang 50 der Statorwicklung 15 (siehe 1). Eine radseitig angeordnete Recheneinheit 51 steuert einen ebenfalls radseitig angeordneten Gleichstromwandler 52. Dieser wandelt eine Ausgangsspannung einer Fahrzeugbatterie 53, die fahrzeugseitig angeordnet ist, in eine Zwischenkreisspannung, die an einem Zwischenkreiskondensator 54 anliegt. Ein Kommutierungsrechner 56 wertet Ausgangssignale eines Hall-Sensors 55 aus, der eine Stärke und Feldrichtung eines Rotorfeldes über dem jeweiligen Strang 50 erfasst. In Abhängigkeit dieses Ausgangssignale steuert der Kommutierungsrechner 56 die MOSFET 48, wodurch ein Stromfluss durch die Stränge 50 gesteuert wird. Hierbei ist nur ein Hall-Sensor 55 dargestellt. Hierbei kann aus einer Drehzahl, die z. B. mittels eines nicht dargestellten Drehzahlsensors erfasst wird, und einer Geometrie des Rotors und Stators berechnet werden, in welchem Zeitraum das vom Hall-Sensor erfasste Rotorfeld sich über den nachfolgenden Strang 50 bewegt. Somit kann in Abhängigkeit dieser Information ein Stromfluss durch den nicht mit einem Hall-Sensor 55 ausgestatteten Strang 50 gesteuert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rad
- 2
- Felge
- 3
- Antriebseinheit
- 4
- Felgennabe
- 7
- Rotor
- 8
- erstes Kugellager
- 9
- zentrale Welle
- 10
- zentrale Längsachse
- 11
- Anschlüsse
- 12
- Stator
- 13
- Statorträger
- 14
- Kühlkanäle
- 15
- Statorwicklung
- 16
- Statorzähne
- 17
- Hohlraum
- 18
- Elemente zur Steuerung und Energieversorgung
- 19
- Innenring
- 20
- Außenring
- 21
- Rotorgehäuse
- 22
- erster Abschnitt
- 23
- zweiter Abschnitt
- 24
- Schenkel
- 25
- Schenkel
- 26
- Permanentmagnete
- 27
- Luftspalt
- 28
- dritter Abschnitt
- 29
- Schraube
- 30
- erster Schenkel
- 31
- zweiter Schenkel
- 32
- Radinnenseite
- 33
- Radaußenseite
- 34
- erster Schenkel
- 35
- zweiter Schenkel
- 37
- Radabdeckung
- 38
- Hohlraum
- 39
- Trommelbremse
- 40
- Außenring
- 41
- zweites Kugellager
- 42
- Innenring
- 43
- Dichtring
- 44
- weiterer Statorteil
- 45
- Öffnungen
- 46
- Nut
- 47
- H-Schaltung
- 48
- MOSFET
- 49
- Freilaufdiode
- 50
- Strang
- 51
- Recheneinheit
- 52
- Gleichstromwandler
- 53
- Fahrzeugbatterie
- 54
- Zwischenkreiskondensator
- 55
- Hall-Sensor
- 56
- Kommutierungsrechner
- 57
- Kanäle
- 58
- Statorteil
- 59
- Kühlkanal
- B1
- Breite
- B2
- Breite
- A1
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69309066 T2 [0003]
- DE 4404926 A1 [0004]
- DE 102005052783 A1 [0005, 0019]
- DE 102006008241 A1 [0006, 0025]
