DE102011078807B4

DE102011078807B4 - Lagerverkippungsdetektierungssystem

Info

Publication number: DE102011078807B4
Application number: DE102011078807.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Vogler; Raphael Fischer; Mark LAUGER; Jan Ortner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: US20140103783A1; WO2013004408A1; CN103874596A; DE102011078807A1

Abstract

Antriebssystem umfassend einen stehenden Teil (S) und einen drehbar gelagerten Teil (D), einen Elektromotor mit einem Stator (1) und Rotor (2), wobei der stehende Teil (S) den Stator (1) und der drehbar gelagerte Teil (D) den Rotor (2) umfasst, und ein Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung des drehbar gelagerten Teils (D), wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem Daten des Elektromotors und/oder mindestens eines Sensors (10, 20, 30) dahingehend auswertet, ob eine Lagerverkippung vorliegt, wobei der Elektromotor als Radnabenantrieb ausgebildet ist, wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten von einem Anschlagsensor (10) auswertet, wobei der Anschlagsensor (10) beim Überschreiten eines vorbestimmten Maßes einer Lagerverkippung von dem drehbar gelagerten Teil (D) des Antriebssystems berührbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem sowie ein Elektro- und/oder Hybridfahrzeug.
In den letzten Jahren ist das Interesse an Elektrofahrzeugen insbesondere aufgrund eines wachsenden Umweltbewusstseins mehr und mehr gestiegen.
Bei Elektroautos können unter anderem neben zentralen und radnahen Elektromotoren auch elektrische Radnabenantriebe eingesetzt werden. Elektrische Radnabenantriebe sind eine besondere Ausführungsform eines Elektromotors und umfassen einen Elektromotor, welcher direkt in ein Rad eines Fahrzeuges eingebaut ist und gleichzeitig die Radnabe trägt, so dass ein Teil des Motors mit dem Rad umläuft.
Bei Elektromotoren, insbesondere bei als Radnabenantrieb ausgestalteten Elektromotoren, stellt die Laufgenauigkeit des Motorrotors eine wichtige Anforderung dar. Um eine möglichst hohe Kraft- beziehungsweise Momentendichte zu erreichen wird der Luftspalt zwischen Stator und Rotor möglichst gering ausgelegt. Äußere Einwirkungen, beispielsweise Seitenkräfte bei Kurvenfahrten, können jedoch, insbesondere bei als Radnabenantrieb ausgestalteten Elektromotoren, zu einer Verkippung des Rotor- beziehungsweise Radlagers und damit auch des Rotors führen. Eine Verkippung des Rotors kann dabei zu einem magnetischen Kräfteungleichgewicht im Luftspalt führen, welches eine Lagerverkippung weiter unterstützt.
Aus der DE 10 2004 024 851 A1 ist eine Lageranordnung zur Lagerung wenigstens eines Maschinenteils bekannt, die wenigstens ein erstes und ein zweites Piezoelement aufweist. Mit diesen Piezoelementen kann unter anderem eine Verkippung wenigstens eines Maschinenteils detektiert werden.
Aus der US2011/0 031 836 A1 ist ein System zur Erkennung einer Verschiebung eines Rotors einer dynamoelektrischen Maschine aus ihrer Gleichgewichtsposition bekannt. Besagte Verschiebung kann mit einem elektromagnetischen oder magnetischen Sensor, insbesondere einem induktiven Sensor, einem kapazitiven Sensor oder einem Wirbelstromsensor erfasst werden. Ferner kommen optische und/oder akustische Sensoren zur Messung der Verschiebung infrage.
Aus der DE 11 2007 002 204 T5 ist eine mit einem Sensor ausgestattete und einen eingebauten radintegrierten Motor aufweisende Achseinheit bekannt. In der Achseinheit werden die Kräfte, die in drei zueinander senkrechten Achsrichtungen an einem Kontaktpunkt des Fahrzeugrades mit der Straßenoberfläche wirken, anhand des Status eines Bauteils, das mit dem Antriebsabbruch des Automobils verbunden ist, gemessen.
Gegenstand der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verkippung des Lagers beziehungsweise des Rotors zu erkennen, insbesondere um ein Anschleifen des Rotors am Stator zu verhindern und/oder einen Schaden im System zu erkennen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Das Lager zwischen dem stehenden Teil und dem drehbaren Teil kann insbesondere ein Radlager sein. Das Antriebssystem ist insbesondere für ein Fahrzeug, beispielsweise für ein Elektro- und/oder Hybridfahrzeug, geeignet.
Durch das Lagerverkippungsdetektierungssystem kann vorteilhafterweise eine Lagerverkippung erkannt und entgegen gewirkt werden. Zum Einen kann ein Derating oder gezieltes Ansteuern der Antriebssysteme (Torque Vectoring) veranlasst werden, um auf das Lager wirkende Kräfte und damit auch die Verkippung zu reduzieren. Zum Beispiel kann, beispielsweise als Erweiterung eines ESP-Systems, die Raddrehzahl und/oder das Bremsmoment und/oder das Antriebsmoment von einem oder mehreren Fahrzeugrädern gezielt erniedrigt und, insbesondere bei Radnabenantrieben, im Gegensatz zu konventionellen ESP-Systemen, sogar gezielt erhöht werden, um auf das Lager wirkende Kräfte und die Verkippung zu reduzieren. Weiterhin kann ein Warnhinweis an den Fahrzeugführer ausgegeben werden, um diesen auf ein Anpassen der Fahrweise und/oder auf die Durchführung von Wartungsarbeiten hinzuweisen. Bei Nichtbeachtung kann sogar ein Notlaufmodus des Antriebssystems veranlasst werden, in welchem die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs steuerungstechnisch eingeschränkt wird. Insgesamt können so Schäden des Antriebssystem, insbesondere des Rotors und Stators, vermieden werden.
Das Lagerverkippungsdetektierungssystem wertet zur Detektion einer Lagerverkippung Daten von einem Anschlagsensor aus. Dabei ist der Anschlagsensor insbesondere derart angeordnet, dass dieser beim Überschreiten eines vorbestimmten Maßes einer Lagerverkippung von dem drehbar gelagerten Teil des Antriebssystems berührbar ist.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine interne Dokumentation der Lagerbelastung beziehungsweise Lagerverkippung erfolgen. So können vorteilhafterweise Rückschlüsse auf die Nutzung des Fahrzeuges, gegebenenfalls einen Missbrauch des Fahrzeuges und/oder den Zustand des Systems, insbesondere des Lagers, gezogen werden. Wenn sich zum Beispiel aus der Auswertung von bereits vorhandenen Sensoren ergibt, dass die Belastung des Lagers nicht hoch sein kann und das Lager beziehungsweise der drehbar gelagerte Teil des System dennoch stark verkippt, kann dies ein Hinweis auf einen Lagerschaden oder einen Schaden im System sein, und beispielsweise der Fahrzeugführer auf die Durchführung von Wartungsarbeiten hingewiesen werden.
Der Elektromotor kann ein Innenläufer oder ein Außenläufer sein. Der Elektromotor kann einen Rotorträger zum Befestigen des Rotors an einem Lager, insbesondere am drehbaren Teil eines Radlagers, beispielsweise an einem drehbaren Außenring oder Innenring eines Radlagers, aufweisen. Vorzugsweise ist der Elektromotor als Motor und Generator betreibbar.
Im Rahmen einer Ausführungsform weist der Stator als Elektromagnete dienende Statorwicklungen auf. Das Lagerverkippungsdetektierungssystem kann dabei zur Detektion einer Lagerverkippung Daten über die Induktivität, insbesondere der Statorwicklungen, auswerten. Dies liegt darin begründet, dass sich durch eine Verkippung des Rotors gegenüber dem Stator insbesondere der magnetische Widerstand zwischen den beiden Körpern verändern kann. Insbesondere kann eine Verkippung eine Erhöhung der Induktivität der Statorwicklungen vor allem senkrecht zur Kippachse zur Folge haben. Über eine Messung der Induktivität, insbesondere der Statorwicklungen, kann somit der Grad der Verkippung festgestellt werden. Diese Vorgehensweise kann insbesondere bei geringen Drehzahlen vorteilhaft sein. Die Messung der Induktivität, insbesondere der einzelnen Statorwicklungen, kann dafür direkt oder indirekt erfolgen. Auf einer direkten oder indirekten Messung der Induktivität der einzelnen Statorwicklungen basieren auch sensorlose Verfahren zur Feststellung des elektrischen Rotorwinkels, beispielsweise INFORM, Spannungs-/Stromraumzeigermodulation, .... Derartige Verfahren können daher vorteilhafterweise – gegebenenfalls mit einigen Modifikationen – für die Detektion einer Lagerverkippung genutzt werden. So kann vorteilhafterweise ein Mehrfachnutzen ohne den Einsatz von zusätzlichen Systemen erzielt werden. Zudem kann hierdurch vorteilhafterweise das Maß, insbesondere der Grad, einer Lagerverkippung bestimmt und eine quantifizierbare Aussage über die Verkippung des Lagers beziehungsweise der mit dem Lager verbundenen Bauteile, insbesondere des Rotors, getroffen werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wertet das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten über die, insbesondere in den Statorwicklungen, induzierte Gegenspannung ((Gegen-EMK) im motorischen Betrieb) und/oder die, insbesondere in den Statorwicklungen, induzierte Spannung ((EMK) generatorischer (Leerlauf-)Betrieb) aus. Diese Vorgehensweise kann insbesondere bei hohen Drehzahlen vorteilhaft sein. Da eine Reduktion des magnetischen Widerstandes zwischen Rotor und Stator – bei gleichbleibender magnetischer Feldstärke des Rotors – insbesondere einen höheren magnetischen Fluss durch die Statorwicklungen zur Folge haben kann, kann sich ebenfalls die induzierte Gegenspannung, die durch die zeitliche Änderung des Flusses durch die betrachtete Statorwicklung bestimmt wird erhöhen. Somit können sensorlose, EMK basierte Verfahren, welche derzeit zur Messung der Rotordrehzahl verwendet werden, – gegebenenfalls mit einigen Modifikationen – für die Detektion einer Lagerverkippung genutzt werden. So kann vorteilhafterweise ein Mehrfachnutzen ohne den Einsatz von zusätzlichen Systemen erzielt werden. Zudem kann hierdurch vorteilhafterweise das Maß, insbesondere der Grad, einer Lagerverkippung bestimmt und eine quantifizierbare Aussage über die Verkippung des Lagers beziehungsweise der mit dem Lager verbundenen Bauteile, insbesondere des Rotors, getroffen werden. Durch eine Kombination der beiden vorstehenden Ausführungsformen kann die Lagerverkippungsdetektion über den gesamten Drehzahlbereich erfolgen.
Da es sich insbesondere um eine analoge Messgröße handelt, deren Genauigkeit im Wesentlichen von Produktionstoleranzen und eingesetzter Messtechnik abhängig ist, kann auch der zeitliche Verlauf der Verkippung bestimmen werden, welcher Rückschlüsse auf die Belastung der verschiedenen Bauteile, wie Lager oder Wellen, und/oder deren Verschleiß zu lässt.
Anstelle der sensorlosen Verfahren kann auch ein Resolver, insbesondere ein Platinen-Resolver, zur Detektion einer Lagerverkippung eingesetzt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wertet das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten von einem Resolver aus. Hierdurch kann vorteilhafterweise ebenfalls das Maß, insbesondere der Grad, einer Lagerverkippung bestimmt und eine quantifizierbare Aussage über die Verkippung des Lagers beziehungsweise der mit dem Lager verbundenen Bauteile, insbesondere des Rotors, getroffen werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der drehbar gelagerte Teil des Antriebssystems einen Permanentmagnete aufweisenden Geberring (Encoderring) und der stehende Teil des Antriebssystems mindestens einen auf den Geberring gerichteten, Sensor zur Messung der magnetischen Flussdichte auf. Der mindestens eine Sensor kann – analog zur ABS-Sensierung, das Magnetfeld des Geberrings (Encoderrings) auslesen. Dabei kann das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung insbesondere Daten des mindestens einen Sensors zur Messung der magnetischen Flussdichte auswerten.
Insbesondere kann der stehende Teil des Antriebssystems mindestens zwei auf den Geberring gerichtete Sensoren zur Messung der magnetischen Flussdichte aufweisen, wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten der Sensoren zur Messung der magnetischen Flussdichte auswertet.
Im Rahmen einer Ausgestaltung ist mindestens einer der Sensoren zur Messung der magnetischen Flussdichte oberhalb oder unterhalb des Lagers, insbesondere in einer auf das Lager bezogenen Stellung in einem Bereich zwischen einer 11-Uhr-Stellung und einer 1-Uhr-Stellung und/oder zwischen einer 5-Uhr-Stellung und einer 7-Uhr-Stellung, angeordnet, und/oder mindestens einer der Sensoren ist zumindest im Wesentlichen in der Ebene des Lagers, insbesondere in einer auf das Lager bezogenen Stellung in einem Bereich zwischen einer 8-Uhr-Stellung und einer 10-Uhr-Stellung und/oder zwischen einer 2-Uhr-Stellung und 4-Uhr-Stellung, angeordnet.
Bei den Sensoren zur Messung der magnetischen Flussdichte kann es sich sowohl um aktive als auch um passive Sensoren handeln. Beispielsweise können als Sensor zur Messung der magnetischen Flussdichte insbesondere magnetoresistive Sensoren, induktive Sensoren und/oder Hall-Sensoren eingesetzt werden.
Neben den Verfahren, die gegebenenfalls bestehende Sensoren ausnutzen, kann auch eine, insbesondere direkte, Abstandsmessung durch einen oder mehrere zusätzlich eingebundene, geeignete Sensoren durchgeführt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wertet das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung daher Daten von mindestens einem Abstandssensor aus. Vorteilhafterweise erfolgt die Positionierung des beziehungsweise der Abstandssensoren möglichst weit von der Laufachse entfernt, da achsferne Bauteile bei einer Lagerverkippung um eine größere Strecke ausgelenkt werden als achsnahe Bauteile und so eine genauere Bestimmung des Maßes, insbesondere Grads, einer Lagerverkippung erfolgen kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Anschlagsensor weist insbesondere ein elektrisches Kontaktelement auf, welches am stehenden Teil des Antriebssystems beabstandet zum drehbar gelagerten Teil des Antriebssystems angeordnet ist. Beim Überschreiten eines vorbestimmten Maßes einer Lagerverkippung ist dabei insbesondere ein elektrischer Kontakt, insbesondere Stromkreis, zwischen dem elektrischen Kontaktelement und dem drehbar gelagerten Teil des Antriebssystems schließbar und beispielsweise ein elektrisches Signal ausgebbar.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform tritt eine Berührung des Anschlagsensors und des drehbaren Teils des Antriebssystems und/oder ein elektrischer Kontakt zwischen dem elektrischen Kontaktelement und dem drehbaren Teil des Antriebssystems bei einem geringeren Maß einer Lagerverkippung ein als eine Berührung des Stators und Rotors. Auf diese Weise können vorteilhafterweise rechtzeitig, insbesondere die bereits erläuterten, gegensteuernden Maßnahmen ergriffen und eine Beschädigung des Rotors und/oder Stators vermieden werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Anschlagsensor ein Anschlagelement auf. Das Anschlagelement kann insbesondere dazu ausgelegt sein, bei einer Kollision beziehungsweise einem Anlaufen des drehenden Teils den Kraftfluss zwischen den drehenden und den stehenden Bauteilen zu übertragen und damit den Rotor vor einer Kollision mit dem Stator und/oder das Lager vor einer Überlast zu schützen. Das Anschlagelement und der Anschlagsensor können daher auch als Anlaufelement beziehungsweise Anlaufsensor bezeichnet werden. Um Schleifgeräusche zu vermeiden, ist es vorteilhaft das Anschlagelement aus einem akustisch neutralen Material auszubilden. Als Material für das Anschlagelement eignet sich unter Anderem beispielsweise Messing.
Im Rahmen einer Ausgestaltung ist das Maß einer Lagerverkippung, welches zu einer Berührung zwischen dem Anschlagsensor und dem drehbar gelagerten Teil des Antriebssystems führt, dasselbe wie jenes, welches zum Schließen eines elektrischen Kontakts beziehungsweise Stromkreises zwischen dem elektrischen Kontaktelement und dem drehbar gelagerten Teil des Antriebssystems führt, da in dieser Ausgestaltung der drehbar gelagerte Teil beim Überschreiten des vorbestimmten Lagerverkippungsmaßes direkt das elektrische Kontaktelement berührt und dabei den elektrischen Kontakt schließt. Dabei kann insbesondere das Anschlagelement als elektrisches Kontaktelement dienen.
Das Anschlagelement kann dabei insbesondere derart positioniert sein, dass es bei einer starken Lager- beziehungsweise Rotorverkippung die Bewegung eines der verkippenden Bauteile in der Weise detektiert, dass es durch axiale oder radiale Berührung einen Stromkreis schließt. Hierüber kann eine einfache 1/0-Detektierung eines Anschlags erfolgen.
Je nach Anforderung kann der Anschlagsensor auch ein zurückgesetztes elektrisches Kontaktelement aufweisen, welches erst nach einem gewissen Verschleiß elektrisch kontaktierbar ist. Zum Beispiel kann das elektrische Kontaktelement in einer, mit einer elektrischen Isolationsschicht versehenen Bohrung innerhalb des Anschlagelements ausgebildet sein, so dass ein elektrischer Kontakt beziehungsweise Stromkreis erst nach Verschleiß des Anschlagelements und der Isolationsschicht geschlossen werden kann. Insbesondere kann der Anschlagsensor ein Isolationselement zur elektrischen Isolation des elektrischen Kontaktelements von dem Anschlagelement umfassen. Im Rahmen dieser Ausgestaltung ist das Maß einer Lagerverkippung, welches zu einer Berührung zwischen dem Anschlagsensor und dem drehbar gelagerten Teil des Antriebssystems führt, in der Regel ungleich demjenigen, welches zum Schließen eines elektrischen Kontakts beziehungsweise Stromkreises zwischen dem elektrischen Kontaktelement und dem drehbar gelagerten Teil des Antriebssystems führt, da ein elektrischer Kontakt zwischen dem elektrischen Kontaktelement und dem drehbar gelagerten Teil des Antriebssystems erst nach einem zumindest teilweisen Abrieb des Anschlagelements und des Isolationselements durch eine oder mehrere Berührungen mit dem drehbar gelagerten Teil des Antriebssystems schließbar ist. Diese Information kann zudem genutzt werden, um einen Warnhinweis, beispielsweise mittels einer Warnleuchte, an den Fahrzeugführer auszugeben, um einen Austausch des Anschlagelements zu veranlassen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Anschlagsensor axial oder radial, insbesondere axial, bezüglich des drehbar gelagerten Teils des Antriebssystems angeordnet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Anschlagsensor lagerfern und/oder benachbart zu einem Bauteil des drehbar gelagerten Teils des Antriebssystems, welches einen großen Durchmesser aufweist, angeordnet.
Den Anschlagsensor auf einem großen Durchmesser so anzuordnen, dass er einen axialen Anschlag darstellt, ist besonders vorteilhaft, da eine axiale Bewegung der anschlagenden Bauteile durch den Cosinus des Verkippungswinkels beschrieben wird. Damit ergeben sich insbesondere geringere Anschlagkräfte und eine genauere Abstimmmöglichkeit als bei einem radial positionierten Anschlagsensor beziehungsweise Anschlagelement.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Antriebssystem eine Reibungsbremse. Die Reibungsbremse kann insbesondere ein drehbares Reibelement und mindestens ein, an das Reibelement anpressbares Bremselement umfassen. Zum Beispiel kann die Reibungsbremse eine Trommelbremse oder eine Scheibenbremse sein. Das Reibelement kann beispielsweise eine Bremstrommel oder Bremsscheibe sein. Das Bremselement kann dementsprechend einen Bremsbelag oder Bremsklotz umfassen oder ein Bremsbelag oder Bremsklotz sein. Das Bremselement kann beispielsweise durch eine Bremsbacke oder einen Bremssattel an das Reibelement anpressbar sein. Der drehbar gelagerte Teil des Antriebssystems kann insbesondere das Reibelement, insbesondere die Bremstrommel oder die Bremsscheibe, umfassen. Dabei kann insbesondere der Anschlagsensor bei einer Lagerverkippung von dem Reibelement, insbesondere der Bremstrommel oder der Bremsscheibe, berührbar sein.
Das Antriebssystem kann insbesondere ein größeres Antriebssystem aus mindestens zwei als Radnabenantriebe ausgebildeten Elektromotoren sein. Insbesondere um durch gezielte Ansteuerung des Antriebssystems auf das beziehungsweise die Lager wirkende Kräfte zu reduzieren und eine Lagerverkippung auszugleichen, ist es vorteilhaft, wenn das Antriebsystem mindestens zwei, gegebenenfalls sogar vier, als Radnabenantrieb ausgebildete Elektromotoren umfasst, insbesondere da die Raddrehzahl und/oder die Bremsmomente und/oder die Antriebsmomente der damit angetriebenen Räder unabhängig voneinander sowohl erniedrigt als auch erhöht werden können.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Antriebssystem daher mehrere, insbesondere mindestens zwei, beispielsweise vier, Radnabenantriebe mit einem stehenden Teil und einem drehbar gelagerten Teil, wobei jeweils der stehende Teile den Stator und der drehbar gelagerte Teil den Rotor eines Elektromotoren umfasst.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Antriebssystem eine Sicherheitseinrichtung zum Verarbeiten von, von dem Lagerverkippungsdetektierungssystem ermittelten Lagerverkippungsdaten.
Insbesondere kann die Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt sein, insbesondere beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes, eine gezielte Ansteuerung des Antriebssystems (Derating, Torque Vectoring) zu veranlassen, um auf das Lager wirkende Kräfte und damit die Lagerverkippung zu reduzieren. Dies kann beispielsweise durch gezielte Erhöhung und/oder Erniedrigung der Raddrehzahl und/oder des Bremsmoments und/oder des Antriebsmoments von einem oder mehreren Rädern des Fahrzeugs erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt sein, insbesondere beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes, einen Warnhinweis, insbesondere an den Fahrzeugführer, auszugeben, insbesondere um auf ein Anpassen der Fahrweise und/oder die Durchführung von Wartungsarbeiten hinzuweisen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt sein, insbesondere beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes, einen Notlaufmodus des Antriebssystems, beispielsweise mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit des Antriebssystems, zu veranlassen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt sein, Lagerverkippungsdaten zu speichern und/oder auszugeben, insbesondere um die Lagerbelastung beziehungsweise Lagerverkippung zu dokumentieren und/oder um eine Aussage über die Nutzung des Fahrzeuges und/oder den Zustand des Systems, insbesondere des Lagers (Lagerschaden), beispielsweise die Anzahl und/oder das Maß von, einen vorgegebenen Grenzwert überschreitenden Lagerverkippung, zu treffen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Elektro- und/oder Hybridfahrzeug welches ein erfindungsgemäßes Antriebssystem umfasst.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von

– Daten über die Induktivität von als Elektromagnete dienenden Statorwicklungen eines Stators, und/oder
– Daten über die, insbesondere in als Elektromagnete dienenden Statorwicklungen eines Stators, induzierte Gegenspannung ((Gegen-EMK) im motorischen Betrieb) und/oder induzierte Spannung ((EMK) generatorischer (Leerlauf-)Betrieb), und/oder
– Daten von mindestens einem Abstandssensor, und/oder
– Daten von mindestens einem Anschlagsensor, und/oder
– Daten von einem Resolver, und/oder
– Daten von einem ABS-Sensorsystem, und/oder
– Daten von mindestens einem Raddrehzahlsensor, insbesondere eines ABS-Systems, und/oder
– Daten von mindestens einem, insbesondere auf einen Permanentmagnete aufweisenden Geberring (Encoderring) gerichteten, Sensor zur Messung der magnetischen Flussdichte, beispielsweise magnetoresistiven Sensor, induktiven Sensor oder Hall-Sensor,

Insbesondere kann die Lagerverkippungsdetektion verwendet werden, um eine gezielte Ansteuerung (Derating, Torque Vectoring) eines Antriebssystems zu veranlassen, welches insbesondere als Radnabenantriebe ausgebildete Elektromotoren umfasst, beispielsweise in dem die Raddrehzahl und/oder das Bremsmoment und/oder das Antriebsmoment von einem oder mehreren Rädern des Fahrzeugs gezielt erhöht und/oder erniedrigt wird, zum Beispiel um eine Lagerverkippung eines oder mehrerer der Elektromotoren auszugleichen.
Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen und deren Beschreibung sollen zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen dienen und nicht dazu herangezogen werden die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Antriebssystems mit einem Anschlagsensor;
2 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Antriebssystems mit einem Anschlagsensor;
3a eine schematische, perspektivische Ansicht eines stehenden Teils eines Radlagers, welches mit zwei magnetoresistiven Sensoren ausgestattet ist;
3b eine schematische Draufsicht auf das in 3a gezeigte Radlager;
4 eine schematische Skizze zur Veranschaulichung einer sensorlosen Messung einer Lagerverkippung; und
5 eine schematische Skizze zur Veranschaulichung eine Messung einer Lagerverkippung mit einem Resolver.
Die 1 und 2 zeigen schematische Querschnitte durch Ausführungsformen von Antriebssystemen, welche mit einem Anschlagsensor 10 ausgestattet sind. Da die Antriebssysteme im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sind, sind in den Figuren nur Ausschnitte der Gesamtquerschnitte gezeigt.
1 zeigt, dass das Antriebssystem einen stehenden Teil S und einen drehbar gelagerten Teil D sowie einen Elektromotor mit einem Stator 1 und Rotor 2 umfasst. Dabei umfasst der stehende Teil S des Antriebssystems den Stator 1 und der drehbar gelagerte Teil D des Antriebssystems den Rotor 2. 1 veranschaulicht, dass das Antriebssystem ein als Innenläufer ausgestalteter elektromotorischer Radnabenantrieb ist.
1 illustriert weiterhin, dass der Rotor 2 mit einem Rotorträger 5 verbunden ist. Der Rotorträger 5 ist wiederum über eine Schraubverbindung 6 mit einem drehbaren Außenring 4b eines Radlagers und einer Radfelge (nicht dargestellt) verbunden. Der drehbare Außenring 4b des Radlagers ist wiederum über ein Wälzkörper 4c umfassendes Wälzlager mit dem stehenden Teil 4a des Radlagers verbunden. Die Wälzkörper 4c sind in Wälzlagerkäfigen (nicht dargestellt) angeordnet, wobei das Radlager durch eine mit einem Wälzlagerinnenring 4d zusammenwirkende Spannvorrichtung 4e spannbar ist. Mit dem Rotorträger 5 ist durch mehrere Schraubverbindungen 7 eine Bremstrommel 3 einer Trommelbremse verbunden, wobei innerhalb der Bremstrommel 3 Bremsbacken 8 angeordnet sind, welche gegen die innere Mantelfläche der Bremstrommel 3 pressbar sind.
Die 1 und 2 illustrieren, dass der Anschlagsensor 10 jeweils am stehenden Teil S des Antriebssystems angebracht ist.
Im Rahmen der in 1 gezeigten, ersten Ausführungsform weist der Anschlagsensor 10 ein im Wesentlichen blockförmiges Anschlagelement 12 aus Messing auf, welches auch als elektrisches Kontaktelement 11 dient. Das Anschlag- und Kontaktelement 11, 12 ist am stehenden Teil S des Antriebssystems axial beabstandet zum drehbar gelagerten Teil D des Antriebssystems angeordnet. Beim Überschreiten eines vorbestimmten Maßes einer Lagerverkippung ist der Anschlagsensor 10 von dem drehbar gelagerten Teil D des Antriebssystems, insbesondere von der Bremstrommel 3, berührbar. Da das Anschlagelement 11, 12 im Rahmen dieser Ausführungsform auch als elektrisches Kontaktelement dient, wird im Wesentlichen gleichzeitig mit einer Berührung zwischen der Bremstrommel 3 und dem Anschlag- und Kontaktelement 11, 12 ein elektrischer Kontakt, insbesondere Stromkreis, zwischen dem Anschlag- und Kontaktelement 11, 12 und der Bremstrommel 3 geschlossen, welches als Signal für das Vorliegen einer starken Lagerverkippung ausgegeben werden kann.
Die im Rahmen von 2 gezeigte, zweite Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch, dass der Anschlagsensor 10 ein elektrisches Kontaktelement 11, ein Anschlagelement 12 und ein Isolationselement 13 zur elektrischen Isolation des elektrischen Kontaktelements 11 und des Anschlagelements 12 umfasst. 2 veranschaulicht, dass daher ein elektrischer Kontakt, insbesondere Stromkreis, zwischen dem elektrischen Kontaktelement 11 und der Bremstrommel 3 erst nach einem zumindest teilweisen Abrieb des Anschlagelements 12 und des Isolationselements 13 durch eine oder mehrere, beispielsweise zahlreiche, Berührungen der Bremstrommel 3 und des Anschlagelementes 12 schließbar ist.
Die 3a und 3b zeigen Ansichten eines stehenden Teils 4a eines Radlagers. Die 3a und 3b zeigen, dass der stehende Radlagerteil 4a zwei Sensoren 20, 21 zur Messung der magnetischen Flussdichte aufweist, welche auf einen am drehbaren Teil des Radlagers angeordneten Geberring (Encoderring) (nicht dargestellt) richtbar sind, insbesondere um eine Lagerverkippung zu detektieren. Bei den Sensoren 20, 21 zur Messung der magnetischen Flussdichte kann es sich beispielsweise um axial oder radial ablesende Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren handeln. Derartige Sensoren können analog zur ABS-Sensierung das Magnetfeld des Geberrings (Encoderrings) auslesen. Einer der beiden Sensoren 20 zur Messung der magnetischen Flussdichte ist oberhalb des Lagers 4a, insbesondere in einer auf das Lager 4a bezogenen 12-Uhr-Stellung angeordnet. Der andere Sensor 21 ist im Wesentlichen in der Ebene des Lagers 4a, insbesondere in einer auf das Lager bezogenen 3-Uhr-Stelung angeordnet. Durch Gegenrechnung der Amplituden der aufgenommen sinusförmigen Signale kann vorteilhafterweise auf die Verkippung des Radlagers und der mit dem Radlager 4a verbundenen Bauteile rückgeschlossen werden.
4 veranschaulicht skizzenhaft eine sensorlose Messung einer Lagerverkippung eines Rotors 2 bezüglich eines eisenhaltigen Stators 1, wobei das Bezugszeichen L für Luft steht. Durch die Lagerverkippung ändert sich der magnetische Widerstand zwischen den beiden Körpern. Eine Verkippung hat dabei insbesondere eine Erhöhung der Induktivität der Statorwicklungen vor allem senkrecht zur Kippachse zur Folge.
5 veranschaulicht skizzenhaft eine Messung einer Lagerverkippung eines mit einem Resolver-Rotor 32 ausgestatteten Rotors 2 bezüglich eines Resolver-Stators 31 eines Resolvers 30. 5 zeigt, dass der Resolver 30 Übertragerwicklungen 33, Erregerwicklungen 34 und Sinuswicklungen 35 aufweist. Auf Höhe der Verkippungsachse kann die Induktivität insbesondere unverändert bleiben. Oberhalb kann sich der magnetische Widerstand zwischen dem Resolver-Stator 31 und Resolver-Rotor 32 reduzieren, während sich im unteren Bereich ein gegenläufiger Effekt einstellt. Da der magnetische Widerstand unter der Annahme einer sehr hohen magnetischen Leitfähigkeit im Bereich außerhalb der beiden Resolverplatinen 31, 32 direkt proportional zur Länge des Luftspaltes sein kann und der magnetische Widerstand des oberen und unteren Bereichs insbesondere eine Parallelschaltung darstellen können, kann insbesondere die Reduktion des magnetischen Widerstandes im oberen Bereich überwiegen. Dies kann auch unter einer Annahme einer geringeren magnetischen Leitfähigkeit gelten, wobei die relative Induktivitätsänderung insbesondere geringer ausfällt. Dieser Effekt ist mit mehreren Methoden messbar, beispielsweise über die Eigeninduktivitäten der einzelnen Spulen oder deren Koppel-/Gegeninduktivitäten, zum Beispiel über eine Strom-/Spannungsmessung.
Bezugszeichenliste

S: stehender Teil des Antriebssystems
D: drehbar gelagerter Teil des Antriebssystems
1: Stator
2: Rotor
3: Bremstrommel
4a: stehender Teil des Radlagers
4b: drehender Teil des Radlagers
4c: Wälzkörper
4d: Wälzlagerinnenring
4e: Wälzlagerverspannung
4f: Lagerbefestigungsschrauben
5: Statorträger
6: Rotorträgerbefestigungsschraube
7: Bremstrommelschraubverbindung
8: Bremsbacke
10: Anschlagsensor
11: elektrisches Kontaktelement
12: Anschlagelement
13: Isolationselement
20: magnetoresistiver Sensor in 12-Uhr-Stellung
21: magnetoresistiver Sensor in 3-Uhr-Stellung
L: Luft
30: Resolver
31: Resolverstator
32: Resolverrotor
33: Übertragerwicklungen
34: Erregerwicklungen
35: Sinuswicklungen

Claims

Antriebssystem umfassend einen stehenden Teil (S) und einen drehbar gelagerten Teil (D), einen Elektromotor mit einem Stator (1) und Rotor (2), wobei der stehende Teil (S) den Stator (1) und der drehbar gelagerte Teil (D) den Rotor (2) umfasst, und ein Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung des drehbar gelagerten Teils (D), wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem Daten des Elektromotors und/oder mindestens eines Sensors (10, 20, 30) dahingehend auswertet, ob eine Lagerverkippung vorliegt, wobei der Elektromotor als Radnabenantrieb ausgebildet ist, wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten von einem Anschlagsensor (10) auswertet, wobei der Anschlagsensor (10) beim Überschreiten eines vorbestimmten Maßes einer Lagerverkippung von dem drehbar gelagerten Teil (D) des Antriebssystems berührbar ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Stator (1) als Elektromagnete dienende Statorwicklungen aufweist, wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten über die Induktivität der Statorwicklungen auswertet.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten über die induzierte Gegenspannung und/oder die induzierte Spannung auswertet.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten von mindestens einem Abstandssensor (10) auswertet.
Antriebssystem einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Anschlagsensor (10) ein elektrisches Kontaktelement (11) aufweist, welches am stehenden Teil (S) des Antriebssystems beabstandet zum drehbar gelagerten Teil (D) des Antriebssystems angeordnet ist, wobei beim Überschreiten eines vorbestimmten Maßes einer Lagerverkippung ein elektrischer Kontakt zwischen dem elektrischen Kontaktelement (11) und dem drehbar gelagerten Teil (D) des Antriebssystems schließbar ist.
Antriebssystem nach Anspruch 5, wobei eine Berührung des Anschlagsensors (10) und des drehbaren Teils (D) des Antriebssystems und/oder ein elektrischer Kontakt zwischen dem elektrischen Kontaktelement (11) und dem drehbaren Teil (D) des Antriebssystems bei einem geringeren Maß einer Lagerverkippung eintritt als eine Berührung des Stators (1) und Rotors (2).
Antriebssystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Anschlagsensor (10) ein Anschlagelement (12) aufweist, wobei das Anschlagelement (12) als elektrisches Kontaktelement (11) dient, oder wobei der Anschlagsensor (10) ein Isolationselement (13) zur elektrischen Isolation des elektrischen Kontaktelements (11) von dem Anschlagelement (12) umfasst, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen dem elektrischen Kontaktelement (11) und dem drehbar gelagerten Teil (D) des Antriebssystems erst nach einem zumindest teilweisen Abrieb des Anschlagelements (12) und des Isolationselements (13) durch eine oder mehrere Berührungen mit dem drehbar gelagerten Teil (D) des Antriebssystems schließbar ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Anschlagsensor (10) axial oder radial bezüglich des drehbar gelagerten Teils (D) des Antriebssystems angeordnet ist, und/oder wobei der Anschlagsensor (10) lagerfern und/oder benachbart zu einem Bauteil (3) des drehbar gelagerten Teils (D) des Antriebssystems, welches einen großen Durchmesser aufweist, angeordnet ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Antriebssystem eine Reibungsbremse umfasst.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten von einem Resolver (30) auswertet.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der drehbar gelagerte Teil (D) des Antriebssystems einen Permanentmagnete aufweisenden Geberring und der stehende Teil (S) des Antriebssystems mindestens einen auf den Geberring gerichteten, Sensor (20, 21) zur Messung der magnetischen Flussdichte aufweist, wobei das Lagerverkippungsdetektierungssystem zur Detektion einer Lagerverkippung Daten des mindestens einen Sensors (20, 21) zur Messung der magnetischen Flussdichte auswertet.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Antriebssystem mehrere Radnabenantriebe mit jeweils einem stehenden Teil (S) und einem drehbar gelagerten Teil (D) umfasst, wobei jeweils der stehende Teile (S) den Stator (1) und der drehbar gelagerte Teil (D) den Rotor (2) eines Elektromotoren umfasst.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Antriebssystem eine Sicherheitseinrichtung zum Verarbeiten von, von dem Lagerverkippungsdetektierungssystem ermittelten Lagerverkippungsdaten umfasst.
Elektro- und/oder Hybridfahrzeug, umfassend ein Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13.