DE102010049602A1

DE102010049602A1 - Radantriebsvorrichtung, insbesondere Radnabenantrieb

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Publication number: DE102010049602A1
Application number: DE102010049602A
Authority: DE
Inventors: Raphael Dr. Fischer; Michael Bogner; Wolfgang Dr. Heinrich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radantriebsvorrichtung, insbesondere Radnabenantrieb für den Einsatz in Fahrzeugen, umfassend zumindest eine, zumindest einem anzutreibenden Rad zugeordnete elektrische Antriebsmaschine, deren Wicklungen in einer Sternschaltung miteinander verschaltet sind und deren Antriebswelle wenigstens mittelbar drehfest mit der Radnabe verbunden ist. Die Erfindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest eine Einrichtung zur Vermeidung eines unerwünschten aufgrund eines durch Kurzschluss innerhalb der elektrischen Maschine erzeugten Bremsmomentes aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radantriebsvorrichtung, insbesondere Radnabenantrieb für den Einsatz in Fahrzeugen, umfassend zumindest eine, zumindest einem anzutreibenden Rad zugeordnete elektrische Antriebsmaschine, deren Wicklungen in einer Sternschaltung miteinander verschaltet sind und deren Antriebswelle wenigstens mittelbar drehfest mit der Radnabe verbunden ist.
Radantriebsvorrichtungen für Fahrzeuge, umfassend eine elektrische Antriebsmaschine, welche mindestens einem Rad zugeordnet ist, sind in einer Vielzahl von Ausführungen aus dem Stand der Technik vorbekannt. Stellvertretend wird beispielhaft auf die Druckschrift DE 10 2007 036 993 A1 verwiesen.
Grundsätzlich werden Antriebskonzepte mit Anordnung der elektrischen Maschine außerhalb des Rades und Anordnung innerhalb der axialen Erstreckung des Rades im Bereich der Radnabe unterschieden. Unabhängig von der Art der Anordnung und der Kopplung der elektrischen Antriebsmaschine mit dem Rad beziehungsweise mit der Radnabe besteht jedoch die Problematik der Erzeugung sehr hoher unerwünschter Bremsmomente bei Kurzschlüssen innerhalb der Antriebskonfiguration, die durch das Auftreten mechanischer Beschädigungen und/oder thermischer Überbeanspruchungen innerhalb der elektrischen Antriebsmaschine und deren Leitungsverbindungen bedingt sein können. Das erzeugte unerwünschte Bremsmoment ist dabei umso größer, je kleiner die momentan vorliegende Raddrehzahl wird. Abhängig von der Beschaffenheit der Straße kann ein derartiges Verhalten zu Instabilitäten im Fahrverhalten bis hin zum Ausbrechen des Fahrzeuges führen und daraus resultierenden Unfällen führen. Diese Problematik ist ferner bei Ausführungen als Einzelradantrieb umso gravierender, da sich dann an den auf einer theoretischen Achse liegenden Rädern eine völlig gegenläufige Betriebsweise einstellt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei Auftreten von Kurzschlüssen, insbesondere innerhalb der elektrischen Maschine und damit der Erzeugung unerwünscht hoher Bremsmomente innerhalb der Radantriebsvorrichtung, das Auftreten des unerwünscht hohen Bremsmomentes mit Sicherheit zu vermeiden oder zu unterbinden.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Entkopplung der elektrischen Maschine vom Rad, insbesondere der Radantriebswelle beziehungsweise Radnabe. Diese kann in Abhängigkeit der Anordnung und Ausführung der Einrichtung zur Vermeidung eines unerwünschten durch Kurzschluss, insbesondere innerhalb der elektrischen Maschine erzeugten Bremsmomentes verschiedenartig ausgebildet sein. Dabei können die Einrichtungen hinsichtlich ihrer Ausführung grundsätzlich nach den nachfolgenden Kriterien unterschieden werden:

– Auslösung aktiv oder passiv
– Funktion
– Wirkungsort der Einrichtung
– Wirkungsweise, insbesondere reversibel oder irreversibel
– Art des auslösenden Ereignisses.

Gemäß einer ersten Ausführung ist die Einrichtung zur Vermeidung eines durch Kurzschluss erzeugten Bremsmomentes derart ausgebildet und angeordnet, dass diese automatisch bei Auftreten des Kurzschlusses ausgelöst wird. Auslösekriterien sind die Veränderungen in der Anordnungsumgebung aufgrund des Kurzschlusses, beispielsweise ein Überstrom, eine über Grenztemperatur erhöhte Temperatur, eine sich ergebende Last. Diese Lösung bietet den Vorteil, dass hier keine weiteren Größen zur Auslösung heranzuziehen sind und damit der steuerungstechnische Aufwand gering gehalten werden kann.
Demgegenüber ist in einer alternativen Ausführung vorgesehen, die Einrichtung zur Vermeidung eines durch Kurzschluss ausgelösten Bremsmomentes derart anzuordnen und auszubilden, dass diese durch eine Steuereinheit aktivierbar ist. Die Aktivierung erfolgt dabei bei Auftreten eines auslösenden Ereignisses, insbesondere einer einen Kurzschluss zumindest mittelbar charakterisieren Größe und/oder einer, auf einen kommenden Kurzschluss wenigstens mittelbar hinweisenden Größe. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass hier gezielt bereits vor dem Auftreten eines entsprechenden Störfalles reagiert werden kann oder aber zumindest zeitlich ohne Versatz bei Auftreten des Ereignisses. Bei dieser Ausführung ist dabei zumindest eine Einrichtung zur Erfassung wenigstens einer, einen Kurzschluss zumindest mittelbar charakterisieren Größe und/oder einer, auf einen kommenden Kurzschluss wenigstens mittelbar hinweisenden Größe wie, beispielsweise das Ansteigen eines Stromes über einen vorbestimmten Grenzwert, der über dem üblicherweise vorliegenden Betriebsstrom liegt, eine Erwärmung der entsprechenden Leiterstränge über einen entsprechenden Grenztemperaturwert, vorgesehen.
Bezüglich der Grundfunktionsweise können zwei unterschiedliche Prinzipien unterschieden werden, die allgemein der elektrischen Entkopplung der elektrischen Maschine durch Auflösung des Sternpunktes der Sternschaltung charakterisiert sind oder aber durch eine mechanische Entkopplung der Verbindung zwischen der elektrischen Maschine und dem Rad, insbesondere der Antriebsnabe. Diese unterschiedlichen Grundprinzipien äußern sich auch in der Anordnung, das heißt dem Wirkungsort der Einrichtung zur Vermeidung eines unerwünschten Bremsmomentes. Dabei erfolgt die Anordnung im ersten Fall in der elektrischen Maschine oder unmittelbar an dieser, während im zweiten Fall die Einrichtung in der mechanischen Verbindung zwischen elektrischer Maschine und Radnabe wirkt.
Bezüglich der erzielten Wirkung können reversible oder irreversibel wirkende Einrichtungen unterschieden werden. Die irreversiblen Einrichtungen bieten den Vorteil einer gesicherten Auftrennung jeweils der entsprechenden Sternpunktschaltung und damit der elektrischen Kopplung innerhalb des Elektromotors oder innerhalb der Verbindung zwischen elektrischer Maschine und Radnabe. Der entscheidende Vorteil reversibler Trennmittel besteht darin, dass diese einfach ersetzt werden können und damit nach einem Auslösefall der Antriebsstrang relativ schnell wieder funktionsfähig gemacht werden kann.
Bezüglich der einzelnen Ausführungen der Einrichtungen bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten. Zur Realisierung des ersten Prinzips umfasst die Einrichtung zur Vermeidung eines unerwünschten durch Kurzschluss erzeugten Bremsmomentes Mittel zur elektrischen/elektronischen Absicherung in der elektrischen Maschine, insbesondere Mittel zur Auftrennung des Sternpunktes. Dabei können ein oder mehrere Leitungsstränge durchtrennt werden und/oder elektrische Kontakte gelöst werden.
Die elektrische Absicherung beziehungsweise Auflösung der Sternschaltung kann dabei durch passive Trennmittel in Form von Schmelzsicherungen erfolgen, die bei Ansteigen der Temperatur in der Umgebung aktiv werden, oder aber aktive Trennmittel, wie Sprengladungen, die aufgrund eines auslösenden Ereignisses aktiviert werden. Demgegenüber sind elektronische Absicherungen denkbar, die eine Auftrennung des Sternpunktes durch Schalter ermöglichen. Eingesetzt werden können mechanische Schalter oder aber elektronische Schalter, insbesondere Relais oder Halbleiterbauelemente, wie Transistoren oder Schaltungen aus diesen. Bezüglich der einzelnen konkreten Ausführungen kann hier auf bekannte Schutzeinrichtungen zur Auftrennung elektrischer Verbindungen verwiesen werden.
Demgegenüber basiert die mechanische Entkopplung auf der entsprechenden Verwendung von Kopplungselementen, die im Auslösefall auftrennen. Dazu sind Mittel zur mechanischen Entkoppelung der elektrischen Maschine vom Rad vorgesehen, welche innerhalb der Verbindung von elektrischer Maschine und Rad wirksam werden.
Derartige Mittel können unterschiedlich ausgeführt sein, wobei auch hier zwischen im Störfall automatisch auslösenden Mitteln, die aufgrund der ihnen innewohnenden Eigenschaften und/oder Dimensionierung bei Überlast automatisch auslösen und aktiv aktivierbaren Mitteln unterschieden wird. Im erst genannten Fall umfassen die Mittel beispielsweise eine auf eine Überlast, ausgelöst bei Überschreiten eines vordefinierten Bremsmomentkennwertes ausgelegte Sicherheitskupplung in der Verbindung zwischen elektrischer Maschine und Rad oder Abscherrmechanismen, die entweder direkt in der Verbindung oder indirekt zur Betätigung von Trennmitteln wirksam werden. Im zweiten Fall erfolgt die Trennung gezielt durch Ansteuerung. Die Mittel umfassen dazu über eine Steuereinheit ansteuerbare Trennmittel, insbesondere eine schaltbare Kupplungseinrichtung in der Verbindung zwischen elektrischer Maschine und Rad und/oder einen schaltbaren Freilauf.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung ist es vorgesehen, bei aktiver Trennung immer eine zusätzliche Größe zur Plausibilitätskontrolle, d. h. zumindest eine weitere Größe zur Überprüfung des Vorliegens eines Kurzschlusses zu ermitteln, um die Sicherheit der Erfassung eines auf einen Kurzschluss hinweisenden Signals oder den Kurzschluss selbst zu erhöhen und Fehlauslösungen zu vermeiden. In besonders vorteilhafter Weise werden insbesondere bei derart aktiv ausgelösten Einrichtungen, die auch mit Vorfelderkennung arbeiten, bereits Maßnahmen vorgeschlagen, welche auf die nachfolgende Maßnahme hinweisen und es dem Fahrer des Fahrzeuges ermöglichen, reagieren zu können. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn bei einem Kurzschluss des Motors, über welchen beispielsweise zwei auf einer gemeinsamen Achse gelagerte Räder angetrieben werden, diese komplett ausfallen würden. Ferner kann auch ein unerwünscht hohes Bremsmoment an nur einem Radantriebsmotor dazu führen, dass die gesamte Fahrstabilität erheblich beeinträchtigt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1a bis 1c verdeutlichen beispielhaft mögliche Ausführungen einer Radantriebsvorrichtung mit einer Einrichtung zur Vermeidung eines unerwünschten, durch Kurzschluss innerhalb der Radantriebsvorrichtung, insbesondere der elektrischen Maschine ausgelösten Bremsmomentes;
2 verdeutlicht die Verschaltung der Wicklungen der elektrischen Maschine in einer Sternschaltung;
3 zeigt den Grundaufbau und die Grundfunktion einer aktivierbaren Einrichtung;
4a bis 4d verdeutlichen mögliche Ausführungen der Einrichtung zur Vermeidung eines unerwünschten, durch Kurzschluss innerhalb der Radantriebsvorrichtung, insbesondere der elektrischen Maschine ausgelösten Bremsmomentes mit Mitteln zur elektrischen/elektronischen Entkoppelung der elektrischen Maschine vom Rad;
5 verdeutlicht mögliche Anordnungen der Mittel zur mechanischen Entkoppelung zwischen elektrischer Maschine und Rad, insbesondere Radnabe;
6 zeigt ein Signalflussbild.
Die 1a bis 1c verdeutlichen in schematisiert stark vereinfachter Darstellung den Grundaufbau und die Grundfunktion einer erfindungsgemäß ausgeführten Radantriebsvorrichtung 1, insbesondere eines Radantriebes für den Einsatz in Fahrzeugen 2. Derartige Radantriebsvorrichtungen 1 dienen dabei dem Antrieb zumindest eines Rades 3 oder einer Mehrzahl von Rädern. Dargestellt ist beispielhaft eine besonders vorteilhafte Ausführung in Form eines Einzelradantriebes, wobei lediglich ein Rad 3 in einer Ansicht auf die Fahrzeugebene wiedergegeben ist. Zur Verdeutlichung der einzelnen Richtungen sind die die Längsrichtung des Fahrzeugs 2 charakterisierende Längsachse F_L und eine senkrecht zu dieser verlaufende Querachse F_Q dargestellt.
Die Radantriebsvorrichtung 1 umfasst zumindest eine, dem Rad 3 zugeordnete elektrische Maschine 4, welche im Traktionsbetrieb als Elektromotor betrieben wird und die im Bremsbetrieb vorzugsweise als Generator betrieben werden kann. Die einzelnen Wicklungen I, II, III und damit die diese beschreibenden Phasen sind zu einer in der 2 dargestellten Sternpunktschaltung 5 verschaltet. Die Antriebswelle 8 der elektrischen Maschine 4 ist wenigstens mittelbar, das heißt direkt oder indirekt mit dem anzutreibenden Rad 3, insbesondere der Radnabe 6 des Rades 3, verbindbar. Gemäß 1a erfolgt die Anordnung der elektrischen Maschine 4 außerhalb der axialen Erstreckung des einzelnen Rades 3 und vorzugsweise an einem Fahrwerksteil 7 gelagert. Die Kopplung der Antriebswelle 8 der elektrischen Antriebsmaschine mit der Radnabe 6 erfolgt über ein Untersetzungsgetriebe 9, welches verschiedenartig ausgeführt sein kann und dessen Eingang beispielhaft über einen Wellenstrang 10, insbesondere eine Gelenkwelle, mit der Antriebsmaschine 4, insbesondere der Antriebswelle 8 gekoppelt ist. Die Funktion des Untersetzungsgetriebes 9 kann dabei von einem Kegelradgetriebe übernommen werden, welches gleichzeitig die Funktion zur Kraftumleitung aufgrund der Einbausituation der elektrischen Maschine 4 erforderlichen Winkelgetriebes übernimmt. Die Anordnung und Darstellung der Kopplung der elektrischen Maschine 4 mit der Radnabe 6 ist lediglich beispielhaft und dient nur der Verdeutlichung der möglichen Anordnung außerhalb des Rades 3. Dies gilt auch für die Anordnung und Ausrichtung der elektrischen Maschine 4, deren Antriebswelle 8 und die Kopplung mit der Radnabe 6.
Demgegenüber verdeutlicht 1b eine Ausführung mit in der Radnabe 6 integrierter elektrischer Maschine 4, welcher koaxial dazu ein Untersetzungsgetriebe 9 nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit der Radnabe 6 verbunden ist. Die Anordnung erfolgt im Wesentlichen innerhalb der axialen Erstreckung des Rades 3. Die 1b verdeutlicht lediglich eine Möglichkeit der Integration der elektrischen Maschine in die Radnabe 6.
Die 1c verdeutlicht eine Radantriebsvorrichtung 1 mit einer, zwei auf einer gemeinsamen Achse liegenden Rädern 3.1, 3.2 gemeinsam zugeordneten elektrischen Maschine 4, welche über ein Verteilergetriebe 23 und Wellensträngen 10.1, 10.2 den einzelnen Rädern 3.1, 3.2, insbesondere den Radnaben 6.2, 6.2 gekoppelt ist. Die Möglichkeiten der Ausführung von Radantriebsvorrichtungen 1 ist nicht abschließend in den 1a bis 1c dargestellt und auch nicht auf diese Ausführungen konkret beschränkt. Allen gemeinsam ist, dass bei Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb der Radantriebsvorrichtung 1, insbesondere innerhalb der elektrischen Maschine 4 ein unerwünschtes hohes Bremsmoment erzeugt wird, dass die Funktionsweise der Radantriebsvorrichtung 1 und die Beherrschbarkeit des Fahrzeugs maßgeblich beeinträchtigt. Allen Radantriebsvorrichtungen gemäß den 1a bis 1c ist daher erfindungsgemäß eine Einrichtung 11 zur Verringerung der Erzeugung eines unerwünschten Bremsmomentes bei Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb der elektrischen Maschine 4 zugeordnet. Diese Einrichtung 11 kann auf unterschiedliche Art und Weise ausgeführt sein und hinsichtlich ihrer Wirkung eine reversible oder irreversible Beeinträchtigung der Radantriebsvorrichtung 1 zu bewirken.
Die 2 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung allgemein die Sternschaltung der den einzelnen Phasen, die hier mit u, v und w bezeichnet sind, zugeordneten Wicklungen I, II, III. Die Betriebsspannung U_B liegt dabei an den dargestellten Kontakten A, B, C an. Über den Sternpunkt 12, an welchem die Phasen u, v, w zusammengeführt werden, fließt der Strom jeweils zwischen den einzelnen Phasen u, v, w. Tritt nun ein Kurzschluss innerhalb der elektrischen Maschine 4 auf, wobei dieser ein ein-, zwei- oder dreiphasiger Kurzschluss sein kann, behebt eine Abschaltung der Betriebsspannung nicht die negativen Wirkungen des Kurzschlusses, da die Störung innerhalb der elektrischen Maschine 4 auftritt. Erfindungsgemäß ist daher der Radantriebsvorrichtung 1 eine Einrichtung 11 zur Vermeidung des unerwünschten durch Kurzschluss erzeugten Bremsmomentes zugeordnet. Grundlegend bestehen unterschiedliche Möglichkeiten der Anordnung, Ausführung und Betriebsweise einer derartigen Einrichtung 11. So kann grundsätzlich zwischen aktiv und passiv wirkenden Einrichtungen 11 unterschieden werden. Passiv wirkende Einrichtungen 11 sind dabei in die Radantriebsvorrichtung 1 integriert und wirken im Falle des Auftretens eines Kurzschlusses ohne erforderliche separate Ansteuerung aufgrund ihrer Ausführung, Auslegung und innewohnende Funktionsweise von selbst. Demgegenüber sind aktiv betätigbare Einrichtungen 11 nur durch eine entsprechende Ansteuerung dieser aktivierbar beziehungsweise deaktivierbar. Eine weitere Unterscheidung kann hinsichtlich der Art der Wirkung der Einrichtung 11 vorgenommen werden, wobei diese entweder eine reversible, das heißt behebbare, oder irreversible Beeinträchtigung bewirkt.
Ferner können die Einrichtungen 11 in der elektrischen Antriebsmaschine 4 selbst oder aber der Verbindung der Antriebsmaschine 4 mit dem Rad 3 angeordnet sein. Die 1a bis 1c verdeutlichen dabei nur schematisiert vereinfacht die funktionale Zuordnung der Einrichtungen 11. Die Pfeile verdeutlichen die Wirkung auf die elektrische Maschine 4 (ununterbrochene Linie) selbst und auf die mechanische Verbindung zwischen der elektrischen Maschine 4 und dem Rad 3 (unterbrochene Linie). Die Einrichtung 11 umfasst dazu Mittel 19 zur elektrischen/elektronischen Absicherung der elektrischen Maschine 4 und/oder Mittel 20 zur mechanischen Entkoppelung der Verbindung zwischen elektrischer Maschine 4 und Rad 3. Beide Möglichkeiten können alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein.
Die 3 zeigt in schematisiert stark vereinfachter Darstellung die Wirkungsweise einer aktiv wirkenden Einrichtung 11. Dazu ist zumindest eine Einrichtung 18 zur Erfassung einer auf einen Kurzschluss wenigstens mittelbar, d. h. direkt oder indirekt hinweisenden Größe XE vorgesehen. Als diese kann beispielsweise ein entsprechender Stromkennwert, der über dem Betriebsstrom liegt und einen Grenzwert überschreitet, oder die Temperatur im Strang und/oder die Umgebung sein. Dieser wird in einer Steuereinheit 16 verarbeitet und ausgewertet und zumindest eine Stellgröße Y19 und/oder Y20 zur Ansteuerung der Mittel 19 und/oder der Mittel 20 gebildet und diese angesteuert.
Die 4a bis 4d verdeutlichen stark schematisiert anhand der Sternschaltung gemäß 2 eine Anordnung der Einrichtung 11 zur Vermeidung eines unerwünschten Bremsmomentes mit Mitteln 19 zur elektrischen/elektronischen Absicherung der elektrischen Maschine 4, insbesondere zur Auftrennung des Sternpunktes 12. Gemäß 4a umfassen die Mittel 19 Trennmittel 13.1 bis 13.3, die passiv, d. h. automatisch bei Eintreten des Ereignisses wirken. Dazu sind zwischen dem Sternpunkt 12 und den einzelnen Wicklungen I, II, III Trennmittel 13.1 bis 13.3 in Form von Schmelzsicherungen 14.1 bis 14.3 vorgesehen, welche derart ausgebildet und ausgelegt sind, dass diese bei Ansteigen des durch den Kurzschluss bedingten Stromes aufgrund der thermischen Wirkung des Stromes in den einzelnen Wicklungen den betreffenden Strang trennen. Diese Art der Absicherung ist irreversibel. Ein Ersatz der Schmelzsicherungen 13.1 bis 13.3 kann im Zuge der Aufarbeitung der elektrischen Antriebsmaschine 4 erfolgen. Besonders vorteilhaft ist die einfache Umsetzbarkeit.
Sollen die Sicherungen selbst ohne tiefgreifende Demontage der elektrischen Maschine austauschbar sein, kann der Sternpunkt 12 analog zu den Versorgungsleitungen der elektrischen Maschine 4 von den Wicklungen I, II, III nach außen geführt werden. In diesem Fall umfasst die Einrichtung 11 somit eine Mehrzahl von entsprechend den Umgebungsbedingungen im Anordnungsbereich wirkenden Trennmitteln. Eine aktive Ansteuerung ist nicht erforderlich, da die Auslegung im Hinblick auf das Auftreten des auslösenden Ereignisses erfolgt. Allerdings ist die Ansprechbarkeit dieser Art von Sicherungen durch die Umgebungsbedingungen und damit eine große Trägheit charakterisiert. Daher wird eine aktive Auftrennung des Sternpunktes 12 vorgeschlagen. Diese kann als irreversible Auftrennung durch pyrotechnische Sprengladungen bewirkt werden. Dazu werden als Trennmittel 13.1 bis 13.3 gemäß 4b hier an den jeweiligen Strängen u, v, w pyrotechnische Sprengladungen 15.1 bis 15.3 angeordnet, die bei Bedarf über eine Steuereinheit 16 aktiviert werden. Dabei kann jedem Strang u, v, w ein derartiges Trennmittel 13.1 bis 13.3 zugeordnet sein. Ferner ist es auch denkbar, hier jedoch nicht dargestellt, einem oder mehreren Strängen u, v, w gemeinsam nur eine derartige pyrotechnische Sprengladung 15 zuzuordnen, was insbesondere bei aus dem Inneren der elektrischen Maschine 4 herausgeführten Sternpunkt 12 möglich ist, um diese derart auszulegen, dass alle entsprechenden Stränge u, v, w zerstört werden. Zur Zündung sind die einzelnen pyrotechnischen Sprengladungen, hier 15.1 bis 15.3, jeweils über eine Leitungsverbindung 17.1 bis 17.3 oder drahtlos mit der Steuereinheit 16 gekoppelt. Ferner ist zumindest eine Einrichtung 18 zur Erfassung zumindest einer auf einen Kurzschluss innerhalb der elektrischen Antriebsmaschine 4 wenigstens mittelbar hinweisenden Größe vorgesehen, über die der Kurzschluss detektiert wird, und aus welcher in der Steuereinheit 16 in ein entsprechendes Stellsignal Y15.1 bis Y15.3 zur Auslösung der pyrotechnischen Sprengladungen 15.1 bis 15.3 gebildet wird. Dabei werden über die Leitungsverbindungen 17.1 bis 17.3 beispielhaft elektrische Zündimpulse an die einzelnen Sprengladungen 15.1 bis 15.3 gelegt.
Eine weitere Ausbildung der Mittel 19 zur elektrischen/elektronischen Absicherung der elektrischen Maschine 4, insbesondere Trennmittel 13 zum Auftrennen des Sternpunktes 12, ist in der 4c in einer Variante mit herausgezogenem Sternpunkt 12 wiedergegeben. Im einfachsten Fall wird dazu ein Schalter 21 oder Relais, über welchen die Verbindung aller Stränge aufrechterhalten wird, verwendet. Der Schalter kann entweder elektromagnetisch ausgelöst werden oder aber auch anderweitig betätigt werden.
Generell können unterschiedliche Aktuatoren zur Auflösung des elektrischen Kontaktes im Sternpunkt 12 vorgesehen werden. Gemäß einer ersten hier nicht dargestellten Ausführung ist ein Bimetallsensor vorgesehen, der bei Überhitzung die Kontaktierung der einzelnen Phasen am Sternpunkt 12 löst. Gemäß einer weiteren zweiten nicht dargestellten Ausführung kann eine Metallstruktur bei Grenztemperatur schmelzen und die Verbindung damit unterbrechen. Geeignet sind dafür verschiedene Eutektika, die einen erprobten Übergang von der festen in die flüssige Phase zeigen. In der Ausführung kann dies ein federbelasteter Stift sein, auf Zug oder Druck belastet, der den Kontakt der betreffenden Phase geschlossen hält. Bei Überhitzen und Schmelzen des Stiftes wird die Kontaktierung dann geöffnet. In einer weiteren dritten Ausführungsform bedient sich ein Material flüssig oder gasförmig aus und betätigt einen Unterbrecher.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann anstatt der mechanischen Relais entsprechend der 4d auch ein Halbleiter oder eine Halbleiterschaltung 22 zur Trennung eingesetzt werden. Auch die 4d verdeutlicht eine Variante mit herausgezogenem Sternpunkt 12.
Die Ausführungen der elektrischen/elektronischen Absicherung sind stark vereinfacht und sollen lediglich die Grundfunktion verdeutlichen. Die konkrete Ausführung und Realisierung von Schaltungen erfolgt dann entsprechend dem konkreten Einsatzfall.
Die 5 verdeutlicht die Grundfunktion und das Grundprinzip möglicher Ausführungen der Mittel 20 zur mechanischen Entkoppelung der elektrischen Maschine 4 vom Rad 3 stellvertretend am Beispiel einer Radantriebsvorrichtung gemäß 1a. Diese können zusätzlich zu den in den 4a bis 4d genannten Möglichkeiten oder aber alternativ zum Einsatz gelangen. Diese Mittel 20 sind in die Verbindung zwischen der elektrischen Maschine 4 und dem Rad 3; insbesondere der Antriebswelle 8 und der Radnabe 6 integriert und dienen der Unter- brechung des Kraftflusses innerhalb dieser Verbindung. Die konkrete Auswahl der einzelnen Möglichkeiten zur Unterbrechung des Kraftflusses in der mechanischen Verbindung zwischen der elektrischen Maschine 4, insbesondere der Antriebswelle 5 und der Radnabe 6, ist dabei im Wesentlichen auch abhängig von der Anordnung und Ausführung der einzelnen Radantriebsvorrichtung 1, insbesondere der Anordnung der elektrischen Maschine 4. Die Anordnung kann dabei quasi direkt in der Kopplung zwischen Antriebswelle 8 und dem nachgeordneten Übertragungsglied erfolgen, wobei diese Lösung jedoch nicht für Leistungsübertragung über lange Wellenstränge 10 geeignet ist. Die Art der Trennung erfolgt dabei vorzugsweise immer in einem Bereich des Kraftflusses, der bei Auftrennung zu keiner weiteren Beeinträchtigung führt. In besonders vorteilhafter Weise ist dabei die mechanische Entkopplung direkt im Bereich der axialen Erstreckung des Rades 3 vorgesehen, vorzugsweise im Bereich der Kopplung des Antriebsstranges mit der Radnabe 6.
Die Mittel 20 sind mit x dargestellt, wobei in der Figur mehrere Anordnungsmöglichkeiten innerhalb der mechanischen Verbindung zwischen elektrischer Maschine 4 und Rad 3 dargestellt sind. Diese können als selbstauslösende Sicherheitskupplungen 24 ausgeführt sein, deren Aktivierung quasi automatisch bei Eintreten des Kurzschlusses durch das erhöhte Moment erfolgt. Derartige selbstauslösende Sicherheitskupplungen können dabei als starre oder elastische nicht schaltbare Kupplungen ausgeführt sein, die bei Auftreten einer Überlast, beispielsweise eines bei Kurzschluss vorliegenden erhöhten Momentes, die Verbindung zwischen den einzelnen Kupplungsteilen lösen. Andere Ausführungen von Sicherheitskupplungen sind denkbar. Eine weitere Ausbildungsmöglichkeit besteht im Vorsehen zumindest einer Abschersicherung, welche Abscherelemente aufweist, die im Kraftfluss liegen und an der Kraftübertragung beteiligt sind, jedoch im Störfall geschwächt werden, beispielhaft durch Erwärmung, um durch das aufgetretene Bremsmoment vollends abgeschert zu werden. Ferner können derartige Abschermechanismen auch als Stellglieder zur Auslösung von Trennmitteln genutzt werden.
Alternativ können die Mittel 20 eine schaltbare Kupplung 23 umfassen, welche im Ereignisfall über die Steuereinheit 16 aktiv angesteuert wird.
In einer weiteren Ausführung umfassen die Mittel 20 einen schaltbaren Freilauf 25, der entweder automatisch bei Kurzschluss von Sperren in Entkoppeln wechselt oder aber entsprechend angesteuert wird.
Insbesondere zur aktiven Entkoppelung besteht die Möglichkeit, die bei Kurzschluss frei werdende Energie zur Betätigung von Stelleinrichtungen für die Mittel 20 zu nutzen.
Die möglichen Anordnungen der Mittel 20 sind mit x wiedergegeben. Diese können je nach Ausführung grundsätzlich in der gesamten Verbindung beziehungsweise an den Schnittstellen von zwei unterschiedlichen Bauelementen zum Einsatz gelangen. Vorzugsweise sind die Mittel 20 jedoch derart ausgeführt und angeordnet, dass nach Möglichkeit nur die Drehmomentübertragung unterbrochen wird und die einzelnen Bauteile in ihrer Lage zueinander fixiert bleiben. Für eine Ausführung gemäß der 1a kann die Anordnung der Mittel 20 zwischen Radnabe 6 und Untersetzungsgetriebe 9, innerhalb des Untersetzungsgetriebes, zwischen Untersetzungsgetriebe 9 und Antriebswelle 8 der elektrischen Maschine 4 und innerhalb des Wellenstranges 10 erfolgen.
Bei allen Lösungen zur mechanischen Entkopplung ist darauf abzustellen, dass sichergestellt wird, dass nur dann eine Aktivierung ausgelöst wird, wenn tatsächlich ein Kurzschluss vorliegt. Dies kann bei den Sicherheitskupplungen 23 durch die entsprechende Auslegung dieser erfolgen, während bei aktiv aktivierbaren Mitteln 20 diese nur nach Überprüfung des detektierten Kurzschlusses angesteuert werden, um Fehltrennungen zu vermeiden. Dazu wird entsprechend des das Verfahren zum Betreiben einer Radantriebsvorrichtung 1 beschreibenden Signalflußbildes in 6 neben einer, die Betriebsweise der elektrischen Maschine 4 und/oder der gesamten Radantriebsvorrichtung 1 wenigstens mittelbar charakterisierende Größe entsprechend Verfahrensschritt VA im Verfahrensschritt B zumindest noch eine weitere Größe erfasst, die mit Sicherheit auf einen Kurzschluss beziehungsweise Fehler im Sinne eines Kurzschlusses hinweist. Diese Erfassung gemäß VB kann entweder nachgeordnet bei Detektierung eines Kurzschlusses oder parallel zur Überwachung in VA erfolgen. Im Verfahrensschritt VC wird geprüft, ob tatsächlich ein Kurzschluss vorliegt und in Abhängigkeit des Ergebnisses in VD die Einrichtung 11 aktiviert und über die Steuereinheit den Aktor zur Betätigung der Mittel 19 zur elektrischen/elektronischen Absicherung und/oder der Mittel 20 zur mechanischen Entkopplung von Antriebsmaschine und Radnabe betätigt.
Bezugszeichenliste

1: Radantriebsvorrichtung
2: Fahrzeug
3: Rad
4: elektrische Maschine
5: Sternpunktschaltung
6: Radnabe
7: Fahrwerksteil
8: Antriebswelle
9: Untersetzungsgetriebe
10: Wellenstrang
10.1, 10.2: Wellenstrang
11: Einrichtung zur Vermeidung eines unerwünschten Bremsmomentes
12: Sternpunkt
13.1–13.3: Trennmittel
14.1–14.3: Schmelzsicherungen
15.1–15.3: pyrotechnische Sprengladungen
16: Steuereinheit
17.1–17.3: Leitungsverbindung
18: Einrichtung zur Erfassung zumindest einer auf einen Kurzschluss wenigstens mittelbar hinweisenden Größe
19: Mittel zur elektrischen/elektronischen Absicherung
20: Mittel zur mechanischen Entkoppelung der elektrischen Maschine vom Rad
21: Schalter, Relais
22: Halbleierbauelement, Halbleiterschaltung
22: schaltbarer Freilauf
23: schaltbare Kupplung
24: Sicherheitskupplung
25: schaltbarer Freilauf
26: Verteilergetriebe
I, II, III: Wicklungen
U, V, W: Phasen
A, B, C: Kontakte
FL: Fahrzeuglängsachse
FQ: Fahrzeugquerachse
Y15.1-Y15.3: Stellgröße zur Ansteuerung der Sprengladungen
Y19: Stellgröße zur Ansteuerung der Mittel 19
Y20: Stellgröße zur Ansteuerung der Mittel 20
VA, VB, VC, VD: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007036993 A1 [0002]

Claims

Radantriebsvorrichtung (1), insbesondere Radnabenantrieb für den Einsatz in Fahrzeugen (2), umfassend zumindest eine, zumindest einem anzutreibenden Rad (3) zugeordnete elektrische Antriebsmaschine (4), deren Wicklungen (I, II, II) in einer Sternschaltung miteinander verschaltet sind und deren Antriebswelle (8) wenigstens mittelbar drehfest mit der Radnabe (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest eine Einrichtung (11) zur Vermeidung eines unerwünschten durch Kurzschluss erzeugten Bremsmomentes aufweist.
Radantriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11) zur Vermeidung eines unerwünschten zur Vermeidung eines unerwünschten durch Kurzschluss erzeugten Bremsmomentes durch eine Steuereinheit (16) aktivierbar ist.
Radantriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11) zur Vermeidung eines unerwünschten durch Kurzschluss erzeugten Bremsmomentes Mittel (19) zur elektrischen/elektronischen Absicherung in der elektrischen Maschine (4), insbesondere Mittel zur Auftrennung des Sternpunktes (12) umfasst.
Radantriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19) zur elektrischen/elektronischen Absicherung Trennmittel (13.1, 13.2, 13.3) zur irreversiblen Auftrennung des Sternpunktes (12) umfassen, die als Schmelzsicherung (14.1, 14.2, 14.3) oder pyrotechnische Sprengladung (15.1, 15.2, 15.3) ausgebildet sind.
Radantriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19) zur elektrischen/elektronischen Absicherung Trennmittel (13) zur reversiblen Auftrennung des Sternpunktes (12) umfassen, die zumindest eine der nachfolgenden Einrichtungen oder Schaltanordnungen aus diesen umfassen: – Schalter – Relais – Halbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren.
Radantriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11) zur Vermeidung eines unerwünschten durch Kurzschluss erzeugten Bremsmomentes Mittel (20) zur mechanischen Entkoppelung der elektrischen Maschine (4) vom Rad (3, 3.1, 3.2) umfassen, welche innerhalb der Verbindung elektrische Maschine (4) und Rad (3, 3.1, 3.2) wirksam werden.
Radantriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (20) zur mechanischen Entkoppelung der elektrischen Maschine (4) vom Rad (3, 3.1, 3.2) eine auf eine Überlast, ausgelöst bei Überschreiten eines vordefinierten Bremsmomentkennwertes ausgelegte Sicherheitskupplung (24) in der Verbindung zwischen elektrischer Maschine (4) und Rad (3, 3.1, 3.2) umfassen.
Radantriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (20) zur mechanischen Entkoppelung der elektrischen Maschine (4) vom Rad (3, 3.1, 3.2) eine über eine Steuereinheit (16) ansteuerbare schaltbare Kupplungseinrichtung (23) in der Verbindung zwischen elektrischer Maschine (4) und Rad (3, 3.1, 3.2) und/oder einen schaltbaren Freilauf (25) umfassen.
Verfahren zum Betreiben einer Radantriebsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest eine die Funktionsweise der elektrischen Maschine (4) wenigstens mittelbar charakterisierende Größe (XE) fortlaufend überwacht wird; – bei Detektierung zumindest einer auf einen Kurzschluss wenigstens mittelbar hinweisenden Größe (XE) zumindest eine weitere auf einen Kurzschluss wenigstens mittelbar hinweisende Größe erfasst und/oder ausgewertet wird; – bei Vorliegen eines Kurzschlusses die Einrichtung (11) zur Vermeidung eines unerwünschten Bremsmomentes angesteuert und aktiviert wird.