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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem eine permanentmagneterregte elektrische Maschine umfassenden Antriebssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Antriebssystems eines solchen Kraftfahrzeugs. Als Antriebssystem werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung Hilfssysteme eines Kraftfahrzeugs angesehen, wie z.B. elektromechanische Lenkungen oder elektrische Bremskraftverstärker. Als Antriebssysteme werden auch Systeme angesehen, die primär dazu dienen, Bewegungen entgegenzuwirken, wie z.B. elektromechanische Dämpfungssysteme mit Linearantrieb.
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Aus
EP 1 386 815 A2 ist ein als Einzelradantriebseinheit eingesetzter Elektromotor eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bekannt, dessen Kühlung ausschließlich über an dem Gehäuse der Antriebseinheit ausgebildete Kühlrippen erfolgt.
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Aus
DE 199 37 703 A1 ist ein Verfahren zum elektrischen Lenkungs- oder Antriebsmotors eines Flurförderfahrzeugs bekannt, gemäß welchem ein eine Temperatur des Motors oder seiner Steuereinrichtung darstellender Parameter ermittelt wird, dieser Parameter mit einem Grenzwert verglichen wird und bei Erreichen des Grenzwertes die Drehzahl des Motors herabgesetzt wird. Eine zusätzliche Wärmeabfuhr soll über an dem Motorgehäuse ausgebildete Kühlrippen erfolgen.
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Ferner ist aus
DE 693 03 575 T2 eine Vorrichtung zur Kühlung eines Fahr-/Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs und zur Heizung und/oder Belüftung oder Klimatisierung des Fahrgastraums des Fahrzeugs bekannt. Die Vorrichtung umfasst mehrere Luftauslässe und Regel- bzw. Mischorgane, mittels welchen Luftströme reguliert und gemischt werden können. Somit soll der Fahr-/Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs gekühlt werden können.
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In den eingangs genannten Antriebssystemen kommen als Permanentmagnete häufig sogenannte Supermagnete zum Einsatz. Bekannte Supermagnete bestehen beispielsweise aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung. Mit solchen Permanentmagneten werden magnetische Flussdichten von mehr als 1 T erzielt. Eine bekannte technische Restriktion beim Einsatz der vorstehend beschriebenen Permanentmagnete besteht darin, dass diese eine nur geringe Temperaturstabilität aufweisen. Wird eine gewisse Grenztemperatur überschritten, beginnt ein irreversibler Entmagnetisierungsprozess, der zu einer dauerhaften verringerten Leistungsfähigkeit des jeweiligen Antriebssystems führt. Durch den Zusatz von Seltenerdelementen, wie z.B. Dysprosium oder Terbium, wird die Temperaturstabilität der Permanentmagnete bei aktuellen Antriebssystemen erhöht. Ferner erhöht sich die magnetische Härte (Koerzitivfeldstärke). Bei einem Anteil von etwa 5 Prozent Dysprosium lassen sich beispielsweise Koerzitivfeldstärken von mehr als 1600 kA/m und Einsatztemperaturen von 150 °C realisieren. Um zu vermeiden, dass die maximale Einsatztemperatur erreicht bzw. überschritten wird, wird der Phasenstrom von in Kraftfahrzeugen eingesetzten bekannten elektrischen Maschinen (z.B. der Phasenstrom eines Elektromotors in einer elektromechanischen Lenkung) bei Erreichen einer ersten Grenztemperatur, beispielsweise ab 130 °C, drastisch begrenzt. Dieser Vorgang wird auch als Derating bezeichnet. Dadurch verringert sich auch die Antriebswirkung und somit die durch das Antriebssystem erzielte Unterstützungskraft (bezogen auf das Beispiel verringert sich die Lenkunterstützungskraft). Bei Erreichen einer zweiten Grenztemperatur, beispielsweise 135 °C, wird die elektrische Maschine vollständig abgeschaltet, um ein Erreichen oder gar Überschreiten der kritischen Temperatur von 150 °C und somit eine dauerhafte Schädigung des bzw. der Permanentmagnete(n) zu vermeiden. Die Preise für die vorstehend genannten Seltenerdelemente haben sich in den vergangenen Jahren vervielfacht und somit die Herstellungskosten der Antriebselemente deutlich erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit einem eine permanentmagneterregte elektrische Maschine umfassenden Hilfssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hilfssystems zur Verfügung zu stellen, welche die uneingeschränkte Nutzbarkeit verbessern und mittels welchen die Herstellungskosten reduziert werden können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 7.
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Bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug mit einem eine permanentmagneterregte elektrische Maschine umfassenden Antriebssystem weist ein für mindestens einen anderen Bereich vorgesehenes Belüftungssystem mindestens einen derart in den Bereich der elektrischen Maschine führenden Antriebssystem-Luftkanal auf, dass einem Temperaturanstieg in der elektrischen Maschine mittels eines durch den Antriebssystem-Luftkanal geführten Luftstroms entgegengewirkt werden kann. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor mit einem oder mehreren Permanentmagneten, die vorzugsweise zumindest teilweise das Seltenerdelement Dysprosium aufweisen. Mit anderen Worten ausgedrückt, soll ein in einem Kraftfahrzeug bereits vorhandenes Belüftungssystem durch die Anordnung eines zusätzlichen Luftkanals (hier als Antriebssystem-Luftkanal bezeichnet) zusätzlich genutzt werden, um einem Temperaturanstieg in der elektrischen Maschine entgegenzuwirken. Dies hat den Vorteil, dass die maximale Betriebstemperatur abgesenkt werden und der Anteil der für Permanentmagneten in der elektrischen Maschine benötigter Seltenerdelemente reduziert werden kann. Dadurch können die Herstellungskosten gesenkt (die Einsparungen in der Verwendung einer geringeren Menge von Seltenerdelementen sind größer als die Mehrkosten für den Antriebs-Luftkanal) und zugleich die uneingeschränkte Nutzbarkeit verbessert werden, da mit der vorgeschlagenen Lösung die Möglichkeit einer aktiven Kühlung der elektrischen Maschine besteht.
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Beispielsweise kann bei Verwendung eines wie eingangs beschriebenen Elektromotors mit Permanentmagnet(en) aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung und dem Zusatzelement Dysprosium der Anteil des Dysprosiums von 5 Prozent auf 2,5 Prozent gesenkt werden. Dadurch verringert sich die maximale Einsatztemperatur auf ca. 120 °C. In diesem Fall sollte ein Derating bei 100 °C veranlasst werden. Durch die aktive Kühlung der elektrischen Maschine kann die Wahrscheinlichkeit eines erforderlichen Deratings dennoch reduziert werden.
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Zusammenfassend können folgende Vorteile der Erfindung festgehalten werden: Die elektrische Maschine erwärmt sich bei Belastung weniger stark, da entstehende Wärme mit Hilfe des Belüftungssystems besser abgeführt wird. Die verbesserte Wärmeabfuhr wirkt einem Wärmestau im Rotor der elektrischen Maschine entgegen. Im Falle eines Deratings wird die benötigte Zeit für die Wärmeabfuhr verringert, d.h. die Zeit eines eingeschränkten Betriebes der elektrischen Maschine wird reduziert und die uneingeschränkte Verfügbarkeit des Antriebssystems somit erhöht.
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Die Erfindung kann grundsätzlich an jedem Antriebssystem in einem Kraftfahrzeug realisiert werden, , das ein Hilfssystem des Kraftfahrzeugs ist. Mit Hilfssystemen sind Systeme mit einer nur begrenzten Leistung von maximal 10 kW, bevorzugt maximal 5 kW und besonders bevorzugt maximal 2 kW gemeint, die eine Unterstützungsfunktion erfüllen. Dies sind insbesondere elektromechanische Lenkungen oder elektronische Bremskraftverstärker. Der Vorteil bei der Realisierung der Erfindung an derartigen Hilfssystemen ist, dass existierende Belüftungssysteme, insbesondere ein bereits existierendes, für mit dem Kraftfahrzeug fahrende Personen bestimmtes Belüftungssystem für den Innenraum des Kraftfahrzeugs, ausreichend stark dimensioniert sind, dass die für die Umsetzung der Erfindung anfallenden Zusatzkosten sich auf die Installation und Anbindung eines zusätzlichen Antriebssystem-Luftkanals reduzieren und ein Austausch weiterer Komponenten nicht erforderlich ist.
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Die Herstellungskosten können umso mehr verringert werden, je geringer die Zusatzkosten für die Erweiterung des existierenden Belüftungssystems sind. Insofern ist anzumerken, dass der „Weg“ von existierenden Belüftungssystemen zu den typischen Einbauorten elektromechanischer Lenkhilfesystemen und elektronischer Bremskraftkraftverstärker recht kurz ist. Auch aus diesem Grund ist der Einsatz bei diesen Elementen besonders geeignet. Der kurze „Weg“ hat den weiteren Vorteil, dass die Luft nicht an anderen Wärmequellen (z.B. einem Verbrennungsmotor oder einer Abgasanlage) vorbeigeführt werden muss und sie sich nur geringfügig erwärmt.
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Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Derating bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug erforderlich ist, ist besonders niedrig, wenn das Belüftungssystem eine Vorrichtung zur mechanischen Kälteerzeugung aufweist, insbesondere eine bekannte Kühl- oder Klimaanlage. Denn in diesem Fall ist die Temperatur des durch das Belüftungssystem und den Antriebselement-Luftkanal geführten Luftstroms nicht von der Außentemperatur abhängig. Eine Lufttemperatur von -7°C bis 20 °C, bevorzugt von -7 °C bis 15 °C und besonders bevorzugt zwischen 0°C und 10 °C, kann in diesem Fall auch bei Außentemperaturen über 20 °C zur Verfügung gestellt werden. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Wärmeabfuhr.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs weist der Antriebssystem-Luftkanal mindestens einen Antriebssystem-Luftauslass auf, der so angeordnet ist, dass die ausströmende Luft direkt auf und/oder in die elektrische Maschine gelenkt wird. Die die elektrische Maschine an- bzw. durchströmende Luft kann in diesem Fall die Wärme unmittelbar aufnehmen und wird durch nachströmende Luft abgeführt.
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Die Wärmeabfuhr einer von einem Gehäuse umschlossenen elektrischen Maschine kann weiter verbessert werden, wenn das Gehäuse Kühlrippen aufweist. Die Kühlrippen sind vorzugsweise so angeordnet, dass Fahrtwind und/oder die aus dem Antriebssystem-Luftkanal ausströmende Luft eine möglichst große Oberfläche des Gehäuses umströmt.
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Um den Energieverbrauch zu minimieren und somit die Effizienz des Kraftfahrzeugs zu erhöhen, sind in einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs Mittel zum direkten oder indirekten Erfassen der Temperatur der elektrischen Maschine vorgesehen. Ferner umfasst das Belüftungssystem eine temperaturabhängige Steuerung für den Antriebssystem-Luftkanal, insbesondere um den einen Antriebs-Luftkanal betreffenden Teil des Belüftungssystems nach Bedarf zu aktivieren bzw. zu deaktivieren, den Luft-Volumenstrom in dem Antriebs-Luftkanal vorzugeben (z.B. mit Hilfe von Drosselklappen) und/oder die Temperatur des Luftstroms zu steuern oder zu regeln. Der Begriff Steuerung ist vorliegend weit auszulegen. Von diesem Begriff sollen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch Regelungssysteme, d.h. Systeme mit Rückkopplungen, die in der Fachsprache von Steuerungen unterschieden werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs mit einer permanenterregten elektrischen Maschine, gemäß welchem Luft von einem für mindestens einen anderen Bereich vorgesehenen Belüftungssystem über einen Antriebssystem-Luftkanal (32) zu der elektrischen Maschine geleitet wird, um einem Temperaturanstieg in der elektrischen Maschine entgegenzuwirken. Das vorstehend hinsichtlich erfindungsgemäßer Kraftfahrzeuge Beschriebene gilt sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Auf die beschriebenen Ausführungsformen und damit verbundenen Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung mit den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäß gestalteten Kraftfahrzeugen.
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Insbesondere wenn Mittel zum direkten oder indirekten Erfassen der Temperatur sowie eine Steuerung vorgesehen sind, ist es bevorzugt, wenn die Temperatur der elektrischen Maschine kontinuierlich überwacht und Luft von dem Belüftungssystem erst nach Erreichen einer ersten Grenztemperatur durch den Antriebssystem-Luftkanal zu der elektrischen Maschine geleitet wird. Die Temperatur kann beispielsweise direkt mit Hilfe von Temperatursensoren oder indirekt durch die Messung anderer physikalischer Größen bzw. Überwachung sonstiger Parameter bestimmt werden.
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Falls das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug eine Vorrichtung zur mechanischen Kälteerzeugung aufweist, ist es weiter bevorzugt, wenn die Temperatur kontinuierlich überwacht wird und nach Erreichen einer zweiten Grenztemperatur eine Vorrichtung zur mechanischen Kälteerzeugung des Belüftungssystems aktiviert wird, um die aktive Kühlung zu intensivieren.
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Die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren werden in einer besonders bevorzugten Ausführungsform miteinander kombiniert, wobei die zweite Grenztemperatur in diesem Fall höher gewählt wird als die erste Grenztemperatur. In diesem Fall ergibt sich ein besonders energieeffizientes System, bei welchem bei Erreichen der ersten Grenztemperatur beispielsweise lediglich mit Hilfe eines nur geringe Leistung aufnehmenden Ventilators eine aktive Kühlung der elektrischen Maschine erfolgt und bei Erreichen der zweiten (höheren) Grenztemperatur zusätzlich die Vorrichtung zur mechanischen Kälteerzeugung (Kühl- oder Klimaanlage) aktiviert wird.
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Weitere praktische Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung eines elektromechanischen Lenkungssystems in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 eine Darstellung der Luftkanäle eines Belüftungssystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs in einer perspektivischen Ansicht und
- 3 eine schematische Darstellung einiger technischer Elemente im Bereich des Vorderwagens eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs in einer Seitenansicht.
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1 zeigt als ein Beispiel für ein Antriebssystem 10 eine elektromechanische Lenkung 12 mit einer Zahnstange 14, die mit Hilfe einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine 16 (Elektromotor) und einen nicht im Detail dargestellten Kugelgewindetrieb (KGT) angetrieben ist. Die elektrische Maschine 16 ist von einem Gehäuse 18 umschlossen, das in dem Bereich 20 auf der in Fahrtrichtung weisenden Seite des Kraftfahrzeugs Kühlrippen 22 aufweist. Die Kühlung des Gehäuses erfolgt somit zum einen dadurch, dass Fahrtwind über die Kühlrippen strömt und dadurch Wärme abführt. Zum anderen soll eine Kühlung dadurch erfolgen, dass mindestens ein (in 1 nicht dargestellter) Antriebssystem-Luftauslass zusätzliche Luft aus einem Belüftungssystem des Kraftfahrzeugs zum Gehäuse führt und insbesondere zur Wärmeabfuhr auf die Kühlrippen 22 lenkt. Dies kann beispielsweise über ein in den 2 und 3 gezeigtes Belüftungssystem 24 erfolgen.
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Das Belüftungssystem 24 umfasst eine Vielzahl von Luftkanälen 26, über welche Luft zu im Innenraum 28 des Kraftfahrzeugs angeordneten Luftauslässen 30 strömen kann. Diese Luftauslässe 30 sind üblicherweise in der Mittelkonsole, im Bereich der Windschutzscheibe, im Fußraum von Fahrer und Beifahrer, sowie im Fußraum und im mittleren Bereich im Fond auf dem Mitteltunnel angeordnet. Wie in 2 zu erkennen ist, ist zusätzlich zu den bekannten Luftkanälen 26 ein Antriebselement-Luftkanal 32 vorgesehen, der an die Infrastruktur des Belüftungssystems 24 angebunden und über dieses mit Luft versorgbar ist.
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Wie in 3 angedeutet ist, kann der Antriebselement-Luftkanal 32 beispielsweise zu einer - wie in 1 dargestellten - elektromechanischen Lenkung im Bereich einer Vorderachse 34 des Kraftfahrzeugs geführt werden. In 3 sind ferner ein Kondensator 36, ein Wärmetauscher 38 und ein Gebläse 40 eines bekannten Kältemittelkreislaufs 42 dargestellt.
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Der Betrieb des in den 2 und 3 gezeigten Belüftungssystems 24 ist besonders effizient und vorteilhaft, wenn das Fahrzeug mit einem Klimagerät ausgestattet ist. Das Belüftungssystem 24 sollte ferner mit einer für den Antriebselement-Luftkanal 32 vorgesehenen Drosselklappe bzw. Luftklappe (nicht dargestellt) erweitert werden. Ferner sollte die Temperatur in der elektrischen Maschine 16, insbesondere im Bereich von Permanentmagneten, überwacht und die Werte an eine separate Steuerung oder das Steuergerät der Klimaanlage übermittelt werden. Es kann dann eine Steuerung oder Regelung mit Drosselklappe und Kühlkreislauf als Stellgliedern implementiert werden. Eine Regelung kann im einfachsten Fall als Zwei-Punkt-Regelung ausgebildet sein, die beispielsweise wie folgt ausgestaltet sein kann:
- - Der Temperatursensor der elektromechanischen Lenkung 12 registriert eine hohe Temperatur des Permanentmagneten (z.B. 95 °C) und sendet einen Kühlbefehl an das Steuergerät der Klimaanlage.
- - Das Steuergerät aktiviert die Klimaanlage und öffnet den Antriebselement-Luftkanal 32 vollständig.
- - Die elektromechanische Lenkung 12 wird mittels der kühlen Luft gekühlt, die Kühlung läuft mit voller Kühlleistung.
- - Sobald der Temperatursensor registriert, dass die Temperatur des Permanentmagneten eine bestimmte Temperatur unterschreitet (z.B. 80 °C), wird der Kühlbefehl zurückgenommen.
- - Das Steuergerät schließt den Luftschacht und veranlasst, dass die Klimaanlage abgeschaltet wird, sofern sie nicht aufgrund anderer Befehle benötigt wird. Die elektromechanische Lenkung 12 wird dann nicht weiter aktiv gekühlt.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung des Fachwissens des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebssystem
- 12
- elektromechanische Lenkung
- 14
- Zahnstange
- 16
- elektrische Maschine
- 18
- Gehäuse
- 20
- Bereich
- 22
- Kühlrippen
- 24
- Belüftungssystem
- 26
- Luftkanal
- 28
- Innenraum
- 30
- Luftauslass
- 32
- Antriebselement-Luftkanal
- 34
- Vorderachse
- 36
- Kondensator
- 38
- Wärmetauscher
- 40
- Gebläse
- 42
- Kältemittelkreislauf
