DE102010051380A1

DE102010051380A1 - Motor und elektrisches Feststellbremssystem

Info

Publication number: DE102010051380A1
Application number: DE102010051380A
Authority: DE
Inventors: Hang Cheong Ma; Hinq Shing Chung; Hai Ning Liao
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: JP6012922B2; JP2011109909A; CN102059954A; CN102059954B; US9033117B2; US20110147144A1; DE102010051380B4

Abstract

Ein Motor zum Betätigen von Bremsgliedern eines elektrischen Feststellbremssystems (EPB) umfasst einen Ständer und einen drehbar auf dem Ständer montierten Läufer. Der Läufer umfasst eine Welle, einen Kommutator, einen auf der Welle befestigten Läuferkern, und Läuferwicklungen, die um Zähne des Läuferkerns gewickelt sind und elektrisch mit Segmenten des Kommutators verbunden sind. Die Läuferwicklungen umfassen eine Mehrzahl von Wicklungseinheiten, wobei jede der Wicklungseinheiten wenigstens zwei Spulen umfasst. Die Spulen jeder Wicklungseinheit sind um dieselben Zähne gewickelt und mit demselben Paar von Segmenten verbunden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Feststellbremssystem und auf einen Gleichstrommotor für ein elektrisches Feststellbremssystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Betriebsbremssysteme und Feststellbremssysteme sind zwei Arten von Bremssystemen, die in Fahrzeugen weitgehend verwendet werden. Ein Betriebsbremssystem ist ein Bremssystem, welches verwendet wird um ein sich bewegendes Fahrzeug abzubremsen oder zu stoppen, wohingegen ein Feststellbremssystem verwendet wird, um zu verhindern, dass ein stehendes Fahrzeug sich bewegt oder davonrollt. Traditionelle Feststellbremssysteme wurden per Hand bedient und werden auch „Handbremsen” genannt. Ein Fahrer musste, um zu verhindern, dass ein stehendes Fahrzeug davonrollt, die Handbremse manuell ziehen und musste die Handbremse manuell lösen, um zu erlauben, dass sich das Fahrzeug bewegt.
Elektrische Feststellbremssysteme (auch EPB-Systeme – von englisch „Electrical Park Brake” – genannt) wurden entwickelt, um traditionelle Handbremssysteme zu ersetzen. Wenn ein Fahrzeug steht, stellt ein EPB-System automatisch die Räder fest, um zu verhindern, dass das Fahrzeug rollt. Wenn ein Fahrer versucht, ein stehendes Fahrzeug zu bewegen, entsichert das EPB-System die Räder automatisch. Das EPB-System umfasst Bremskomponenten, wie Bremssattel und Bremsbeläge, um reibungsbedingt die Räder festzustellen, und einen elektrischen Motor, um den Bremssattel zu betätigen. 5 veranschaulicht einen Wicklungsplan eines traditionellen Permanentmagnetgleichstrommotors (PMDC-Motor), der in einem EPB-System verwendet wird. Die Läuferwicklungen umfassen eine Mehrzahl an Spulen, die um Zähne des Läuferkerns gewickelt sind und elektrisch mit Segmenten des Kommutators verbunden sind. Beispielsweise ist Spule C31 um die Zähne T1 und T2 gewickelt und mit Segmenten S1 und S2 verbunden. Spule C32 ist um die Zähne T2 und T3 gewickelt und mit Segmenten S2 und S3 verbunden. Der PMDC-Motor umfasst zum Speisen des Stromes auf die Läuferwicklungen zwei Bürsten. Die Läuferwicklungen bilden zwei parallele Abzweigungen. Wenn eine Spule, wie Spule C31, unterbrochen ist, ist eine der Abzweigungen unterbrochen. Der Motor sowie das EPB-System werden gestört sein. Es ist gefährlich ein Automobil, das ein gestörtes EPB-System aufweist, zu fahren.
Demzufolge gibt es einen Wunsch für ein EPB-System mit einer verbesserten Zuverlässigkeit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung gemäß eines Aspektes davon einen Motor zum Betätigen von Bremsgliedern eines elektrischen Feststellbremssystems bereit, umfassend einen Ständer und einen an dem Ständer drehbar montierten Läufer; der Läufer umfasst eine Welle, einen an der Welle befestigten Kommutator und einen an der Welle befestigten Läuferkern, und Läuferwicklungen, die um die Zähne des Läuferkerns gewickelt sind und elektrisch mit Segmenten des Kommutators verbunden sind; wobei die Läuferwicklungen eine Mehrzahl an Wicklungseinheiten umfassen, jede der Wicklungseinheiten wenigstens zwei Spulen umfasst, wobei die Spulen jeder Wicklungseinheit um dieselben Zähne gewickelt sind und mit demselben Paar von Segmenten verbunden sind.
Vorzugsweise umfasst jede Wicklungseinheit zwei Spulen, wobei eine der Spulen in einer inneren Lage angeordnet ist und die andere der zwei Spulen in einer äußeren Lage angeordnet ist.
Vorzugsweise sind die Läuferwicklungen durch einen fortlaufenden Draht gebildet.
Vorzugsweise sind einige Spulen der inneren Lage und einige Spulen der äußeren Lage durch einen fortlaufenden Draht gebildet, und die verbliebenen Spulen der inneren Lage und die verbliebenen Spulen der äußeren Lage sind durch einen weiteren fortlaufenden Draht gebildet.
Vorzugsweise ist ein Teil der Läuferwicklungen, die zwischen benachbarten Zähnen gebildet sind, in Wicklungsschlitzen aufgenommen, und die Wicklungsschlitze sind bezüglich der axialen Richtung des Läufers geneigt.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Blindschlitz in einer Umfangsoberfläche jedes Zahnes des Läuferkerns gebildet.
Vorzugsweise umfasst der Läuferkern fünf Zähne, und jeder der Zähne umfasst zwei Blindschlitze, die in einer Umfangsoberfläche des Zahnes gebildet sind.
Gemäß eines zweiten Aspekts stellt die vorliegende Erfindung außerdem ein elektrisches Feststellbremssystem bereit, umfassend: eine elektronische Steuereinheit; einen Motor, der durch die elektronische Steuereinheit gesteuert ist; ein Getriebe zur Reduzierung der Ausgabegeschwindigkeit des Motors; und Bremsglieder, die zum Feststellen der Räder durch eine Antriebswelle des Getriebes angetrieben werden; wobei der Motor ein wie oben definierter Motor ist.
Vorzugsweise bewegt sich die Antriebswelle des Getriebes in einer linearen Richtung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Figuren sind identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, in allen Figuren, in welchen sie erscheinen, mit demselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Abmessungen der in den Figuren gezeigten Komponenten und Merkmale werden generell zur Einfachheit und Klarheit der Darstellung gewählt und sind nicht im Maßstab gezeigt. Die Figuren sind nachstehend aufgeführt:
1 ist eine schematische Ansicht eines EPB-Systems nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht einen Läuferkern und Läuferwicklungen eines Motors, der in dem bevorzugten EPB-System verwendet wird;
3 veranschaulicht eine Wicklungseinheit der Läuferwicklungen aus 2;
4 veranschaulicht einen Läuferkern nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 veranschaulicht Läuferwicklungen eines traditionellen Motors, der in einem EPB-System des Standes der Technik verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
Wie in 1 gezeigt, umfasst ein EPB-System nach der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung Sensoren 8, eine elektronische Steuereinheit (ECU) 9 und einen Bremsabschnitt 10, der durch die ECU 9 gesteuert ist. Sensoren 8 sind mit der ECU 9 verbunden und erfassen Bewegungen eines Fahrzeugs und liefern ein entsprechendes Signal an die ECU 9.
Der Bremsabschnitt 10 umfasst eine Antriebsvorrichtung 11, Bremsglieder wie ein Paar Bremsbeläge 17, die durch die Antriebsvorrichtung 11 angetrieben sind, und ein Abstützelement, wie einen Bremssattel 18, der auf einem nicht rotierenden Teil des Fahrzeugs befestigt ist. Die Antriebsvorrichtung 11 und die Bremsbeläge 17 sind mit dem Bremssattel 18 verbunden. Eine Bremsscheibe oder Läufer 19, die sich mit einem Rad (nicht gezeigt) des Fahrzeugs dreht, ist zwischen dem Paar Bremsbelägen angeordnet. Die Bremsbeläge werden zum Drücken der Bremsscheibe durch einen oder mehrere Kolben des Bremssattels bewegt, um die Scheibe zu greifen oder die Rotation der Scheibe abzubremsen, wodurch wiederum das Fahrzeug festgehalten wird oder die Bewegung des Fahrzeugs abgebremst wird. Der Kolben oder die Kolben des Bremssattels werden durch den durch Bremsflüssigkeit aus einem Hauptzylinder erzeugten Druck angetrieben. Auf diese Art kann das Paar Bremsbeläge zum Feststellen der Räder gegen die Bremsscheibe 19 getrieben werden. Das Paar Bremsbeläge kann durch Entfernung des Drucks zum Entriegeln des Rades gelöst werden.
Die Antriebsvorrichtung 11 umfasst einen PMDC-Motor 14 und ein Untersetzungsgetriebe 15 mit einer sich linear bewegenden Antriebswelle 16. Das Getriebe reduziert die Ausgangsgeschwindigkeit des Motors 14 und wandelt die Drehbewegung des Motors in eine lineare Bewegung um. Die Antriebswelle 16 führt die Bewegung des Kolbens des Bremssattels durch das Bewegen eines Kolbens in einem Hauptzylinder durch, um die Bremsflüssigkeit, die wiederum den Kolben des Bremssattels bewegt, mit Druck zu beaufschlagen. Die Bremsflüssigkeit wird durch die axiale Bewegung der Antriebswelle 16 betätigt, um die Bremsglieder 17 mit der Bremsscheibe 19 reibend in Eingriff zu bringen, oder um den Eingriff zu lösen. Alternativ kann die Antriebswelle zum direkten Antrieb des Kolbens des Bremssattels angeordnet sein.
Der PMDC-Motor 14 umfasst einen Ständer und einen drehbar an dem Ständer montierten Läufer. Der Läufer umfasst eine Welle, einen an der Welle befestigten Kommutator, einen an der Welle befestigten Läuferkern und Läuferwicklungen, die um Zähne des Läuferkerns gewickelt sind und elektrisch mit Segmenten des Kommutators verbunden sind. Der Ständer umfasst wenigstens zwei Bürsten, die in gleitendem Kontakt mit dem Kommutator sind, um Strom über den Kommutator zu den Läuferwicklungen zuzuführen. Der Motor 14 ist zum bidirektionalen Drehen geeignet, um die Bremsen in Eingriff zu bringen oder diese zu lösen.
2 veranschaulicht den Läuferkern und die Läuferwindungen. Der Läuferkern umfasst fünf Zähne T1–T5. Wicklungsschlitze 36 sind durch aneinandergrenzende Zähne gebildet und nehmen die Läuferwicklungen auf. Die Läuferwicklungen umfassen zehn Spulen C21–C30. Die zehn Spulen C21–C30 bilden fünf Wicklungseinheiten, wobei jede Wicklungseinheit zwei Spulen umfasst. Eine erste Wicklungseinheit umfasst die Spulen C21 und C26. Eine zweite Wicklungseinheit umfasst die Spulen C22 und C27. Eine dritte Wicklungseinheit umfasst die Spulen C23 und C28. Eine vierte Wicklungseinheit umfasst die Spulen C24 und C29 und eine fünfte Wicklungseinheit umfasst die Spulen C25 und C30. Jede der Spulen einer Wicklungseinheit ist um denselben Zahn gewickelt und mit demselben Paar von Segmenten verbunden.

3 veranschaulicht die erste Wicklungseinheit umfassend die Spulen C21 und C26. Beide der Spulen C21 und C26 sind um die Zähne T1 und T2 gewickelt und mit den Segmenten S1 und S2 verbunden. Demgemäß sind die Spulen C21 und C26 parallel geschaltet. Wird eine der Spulen C21 und C26 unterbrochen, so wird der Strom weiterhin durch die erste Wicklungseinheit über die andere Spule geleitet. Testergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.

Rotationsrichtung		Im Uhrzeigersinn		gegen den Uhrzeigersinn
Motorleistung		Geschwindigkeit (U/min)	Stromstärke (A)	Geschwindigkeit (U/min)	Stromstärke (A)
Ohne Last	Unterbrochener Schaltkreis	8.280	0,90	8.250	0,90
Ohne Last	Voll funktionsfähiger Schaltkreis	8.694	0,50	8.690	0,53
Mit Last	Unterbrochener Schaltkreis	4.946	16,86	4.946	16,66
Mit Last	Voll funktionsfähiger Schaltkreis	5.117	16,97	5.17	16,33
Motorleistung		Drehmoment (mNm)	Stromstärke (A)	Drehmoment (mNm)	Stromstärke (A)
Angehalten	Unterbrochener Schaltkreis	469,36	40,34	472,99	39,96
Angehalten	Voll funktionsfähiger Schaltkreis	512,72	45,48	513,71	43,74

Tabelle 1: Testergebnisse der Motorleistung

In der Tabelle 1 bedeutet der Term ”Unterbrochener Schaltkreis”, dass eine der Spulen unterbrochen ist, während die andere Spule leitend ist, während der Term ”Voll funktionsfähiger Schaltkreis” bedeutet, dass beide der Spulen leitend, das heißt nicht unterbrochen sind. Wie in 1 gezeigt, ist für den Fall, dass der Schaltkreis unterbrochen ist, der Motor mit lediglich einem leichten Leistungsverlust funktionsfähig. Demgemäß ist ein EPB-System, welches den Motor verwendet, zuverlässiger und sicherer als traditionelle EPB-Systeme. Eine Spule wird unterbrochen oder offen genannt, wenn der Draht, der die Spule bildet, gebrochen ist, so dass der Strom nicht durch die Spule von einem Segment zum nächsten fließen kann.
In dieser Ausgestaltung umfassen die Läuferwicklungen Wicklungen einer inneren Lage und Wicklungen einer äußeren Lage. Die Spulen C21–C25 sind in der inneren Lage angeordnet, während die Spulen C26–C30 in der äußeren Lage angeordnet sind. Das heißt, dass für jede Wicklungseinheit eine der zwei Spulen in der inneren Lage eingerichtet ist und die andere der zwei Spulen in der äußeren Lage eingerichtet ist. Während des Wicklungsprozesses werden die Spulen der inneren Lage zuerst gewickelt und die Spulen der äußeren Lage anschließend gewickelt. Verglichen mit den Spulen der inneren Lage sind die Spulen der äußeren Lage weiter von dem Mittelpunkt des Läuferkerns entfernt. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass beide Spulen einer einzigen Wicklungseinheit zur gleichen Zeit beschädigt werden, da die äußere Lage physischen Schutz für die innere Lage bietet. Die Läuferwicklungen können durch den Einsatz einer Einzel-Flyer-Wicklungsmaschine gewickelt werden. Das heißt, die Spulen der inneren Lage und die Spulen der äußeren Lage sind durch einen durchgängigen Draht gewickelt.
Alternativ können die Läuferwicklungen durch den Einsatz einer Doppel-Flyer-Wicklungsmaschine, die zwei Flyer aufweist, die die Wicklungen gleichzeitig aufwickeln, gewickelt werden. Das heißt, die Spulen der inneren Lage werden durch zwei separate Drähte zur gleichen Zeit gewickelt, und anschließend werden die Spulen der äußeren Lage durch die zwei Drähte gleichzeitig gewickelt. In anderen Worten werden einige Spulen der inneren Lage und einige Spulen der äußeren Lage durch einen durchgängigen Draht gewickelt. Die verbleibenden Spulen der inneren Lage und die verbleibenden Spulen der äußeren Lage sind durch einen weiteren durchgängigen Draht gewickelt. Im Allgemeinen sind die Spulen der inneren Lage und die Spulen der äußeren Lage, die durch den einen selben Draht gewickelt sind, bezüglich der Läuferwelle gegenüberliegend angeordnet. Das Wickeln der Läuferwicklungen mittels zweier Flyer verbessert die Effizienz der Herstellung.
In dieser Ausgestaltung ist die Anzahl an Segmenten gleich der Anzahl an Wicklungseinheiten und auch gleich der Anzahl an Zähnen. Während des Wicklungsprozesses der Spulen der inneren Lage wird der Draht mit jedem Segment verbunden. Während des Wicklungsprozesses der Spulen der äußeren Lage wird der Draht erneut mit jedem der Segmente verbunden.
Ferner sind zwei Blindschlitze 35 in der Umfangsoberfläche jedes Zahns des Läuferkerns gebildet. Die Blindschlitze 35 erstrecken sich entlang einer Richtung, die parallel zu der Richtung der Wicklungsstrecke verläuft, die in 2 parallel zu der Achse des Motors ist. Die Blindschlitze teilen die Umfangsoberfläche jedes Zahnes in drei Teile. Vibration und Geräuschschall werden durch die Blindschlitze 35 reduziert.
4 veranschaulicht einen Läuferkern nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel. Der Läuferkern umfasst sieben Zähne und sieben Wicklungsschlitze 36. Die Wicklungsschlitze 36 sind relativ zur Achse des Motors geneigt, vorzugsweise um einen Winkel von 10 Grad bis 30 Grad, woraus abgeschrägte Läuferzähne resultieren. Vibration und Geräuschschall werden ebenfalls durch die geneigten Wicklungsschlitze 36 reduziert. Blindschlitze können, obwohl sie in dieser Ausführungsform nicht verwendet werden, zusätzlich zu den abgeschrägten Läuferzähnen bereitgestellt werden.
In der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung wird jedes der Verben ”umfassen”, ”aufweisen”, ”beinhalten” und ”haben” sowie deren Variationen in einem einschließenden Sinn verwendet, um die Gegenwart des genannten Elements zu spezifizieren und nicht das Vorhandensein weiterer Elemente auszuschließen.
Obgleich die Erfindung anhand einem oder mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben wird, sollte durch den Fachmann berücksichtigt werden, dass verschiedene Modifizierungen möglich sind. Demnach ist der Schutzbereich der Erfindung durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Motor zum Betätigen von Bremsgliedern eines elektrischen Feststellbremssystems, umfassend einen Ständer und einen auf den Ständer drehbar montierten Läufer; wobei der Läufer eine Welle, einen an der Welle befestigten Kommutator und einen an der Welle befestigten Läuferkern und Läuferwicklungen umfasst, die um die Zähne (T) des Läuferkerns gewickelt sind und elektrisch mit Segmenten (S) des Kommutators verbunden sind; wobei die Läuferwicklungen eine Mehrzahl von Wicklungseinheiten umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Wicklungseinheiten wenigstens zwei Spulen (C21~C30) umfasst, wobei die Spulen jeder Wicklungseinheit um dieselben Zähne gewickelt sind und mit demselben Paar von Segmenten verbunden sind.
Motor nach Anspruch 1, wobei jede Wicklungseinheit zwei Spulen (C21:C26, C22:C27, C23:C28, C24:C29, C25:C30) umfasst, wobei eine der Spulen (C21~C25) in einer inneren Lage angeordnet ist und die andere der zwei Spulen (C26~C30) in einer äußeren Lage angeordnet ist.
Motor nach Anspruch 2, wobei die Läuferwicklungen durch einen fortlaufenden Draht gebildet sind.
Motor nach Anspruch 2, wobei einige der Spulen der inneren Lagen und einige Spulen der äußeren Lagen durch einen fortlaufenden Draht gebildet sind, und die verbliebenen Spulen der inneren Lagen und die verbliebenen Spulen der äußeren Lagen durch einen weiteren fortlaufenden Draht gebildet sind.
Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Teil der Läuferwicklungen, die zwischen benachbarten Zähnen (T) gebildet sind, in Wicklungsschlitzen (36) aufgenommen sind, und die Wicklungsschlitze bezüglich der axialen Richtung des Läufers geneigt sind.
Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Blindschlitz (35) in einer umfänglichen Oberfläche jedes Zahnes (T) des Läuferkerns gebildet ist.
Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Läuferkern fünf Zähne umfasst (T1~T5), und jeder Zahn zwei Blindschlitze (35), die in einer Umfangsoberfläche des Zahnes gebildet sind, umfasst.
Elektrisches Feststellbremssystem, umfassend: eine elektronische Steuereinheit (9); einen Motor (14), der durch die elektronische Steuereinheit gesteuert ist; ein Getriebe (15) zur Reduzierung der Ausgabegeschwindigkeit des Motors; und Bremsglieder (17), die zum Feststellen der Räder durch eine Antriebswelle (16) des Getriebes angetrieben werden; wobei der Motor ein Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.
Elektrisches Feststellbremssystem nach Anspruch 8, wobei sich die Antriebswelle (16) des Getriebes in einer linearen Richtung bewegt.