DE102012205672A1

DE102012205672A1 - Elektrisch angetriebenes Zweirad

Info

Publication number: DE102012205672A1
Application number: DE102012205672A
Authority: DE
Inventors: Armin Stubner; Michel Dietrich; Stefan Demont; Norbert Martin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2013-10-10
Also published as: WO2013149911A1; KR20150095556A; US20150054390A1; CN104185939A; CN104185939B; EP2834903A1; IN2014DN07686A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Zweirad (1) mit wenigstens einer elektrischen Maschine (4), die einen ortsfesten Stator (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (7) aufweist, wobei der Rotor (7) einen Rückschlussring (9) mit einer Vielzahl daran über den Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten (8) aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete speichenförmig mit alternierender tangentialer Magnetisierung in dem Rückschlussring (9) angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Zweirads.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Zweirad mit wenigstens einer elektrischen Maschine, die einen ortsfesten Stator und einen drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei der Rotor einen Rückschlussring mit einer Vielzahl daran über den Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Zweirads.
Stand der Technik
Zweiräder der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere Elektroroller werden in der Leistungsklasse bis 4 kW, teilweise auch bis 11 kW, häufig mit getriebelosen Radnaben-Motoren am Hinterrad betrieben. Bei diesen Motoren handelt es sich in der Regel um bürstenlose, elektrisch kommutierte Motoren. Diese weisen einen achsfesten Stator mit einer in der Regel hohen Nutzahl auf. Der mit dem Stator zusammenwirkende Rotor ist unmittelbar Bestandteil der Felge beziehungsweise felgenfest angeordnet und weist typischerweise einen, auf einem eisernen Rückschlussring angeordneten Kranz von Permanentmagneten, insbesondere Seltene-Erde-Magneten in hoher Polzahl auf. Die Permanentmagneten sind dabei üblicherweise auf der Innenseite des Rückschlussrings seitlich aneinander anliegend angeordnet. Die verwendete Menge an Seltene-Erde-Magneten trägt den höchsten Anteil zu den Gesamtkosten des Antriebs bei.
Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist es, dass der Motor nur im Ankerstellbereich nutzbar betrieben werden kann. Sobald die durch die Drehung des Rotors in den Statorphasen induzierte Spannung die maximal aus der Betriebsspannungsquelle verfügbare Phasenspannung erreicht, regelt sich der Elektromotor ab und das Drehmoment fällt ab gegen Null, wodurch die mögliche Maximaldrehzahl begrenzt wird/ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Zweirad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass es zum einen kostengünstiger herstellbar ist, da auf die Nutzung der teuren Seltene-Erden-Magneten verzichtet werden kann. Durch die Besonderheit der erfindungsgemäßen Motortopologie lässt sich der nutzbare Drehmoment- und Drehzahlbereich des Zweirads ohne wesentliche Vergrößerung der elektrischen Maschine erweitern. Das erfindungsgemäße Zweirad zeichnet sich dadurch aus, dass die Permanentmagnete der elektrischen Maschine speichenförmig mit alternierender tangentialer Magnetisierung in dem Rückschlussring angeordnet sind. Durch die speichenförmige Anordnung sind benachbarte Permanentmagnete radial zur Rotationsachse des Rotors und dadurch V-förmig zueinander in dem Material des Rückschlussrings ausgerichtet, wodurch der elektrischen Maschine eine ausgeprägte Salienz beziehungsweise Schenkligkeit der magnetischen Flüsse des Rotors verliehen wird. Durch die ausgeprägte Salienz ist es nunmehr möglich, durch geeignete Vor- oder Nachkommutierung im gesamten Betriebsbereich ein zusätzliches Reluktanzmoment zu nutzen beziehungsweise zu erzeugen. Ferner eröffnet sich die Möglichkeit der aktiven Feldschwächung durch Vorkommutierung, wodurch der nutzbare Drehzahlbereich über den reinen Ankerstellbereich hinaus beträchtlich nach oben erweitert wird und auch in dem nunmehr nutzbaren Feldschwächbereich ein zusätzliches Reluktanzmoment nutzbar gemacht wird. Vorzugsweise wird das Zweirad entsprechend derart angesteuert, dass durch Vor- oder Nachkommutierung bei Bedarf ein zusätzliches Reluktanzmoment erzeugt wird. Darüber hinaus fallen nur geringe Herstellungskosten an, da insbesondere auf das teure Seltene-Erden-Magnet-Material verzichtet werden kann. Zwischen benachbarten Permanentmagneten liegen somit Rückschlussringsegmente, die magnetisch mit den Permanentmagneten in Verbindung stehen.
Besonders bevorzugt liegen die dem Stator zugewandten radialen Endflächen der Permanentmagnete jeweils zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig frei. Aufgrund dessen, dass sich zwischen benachbarten Permanentmagneten Material des Rückschlussrings befindet, wird die zuvor beschriebene Salienz gewährleistet.. Eine bevorzugte Topologie mit zwölf Nuten und fünf Polpaaren weist mit 94% einen besonders hohen Wickelfaktor auf und führt zu einem für die Zielanwendung ausreichend geringen Rastmoment. Die speichenförmige Anordnung der Permanentmagnete führt zu einer radial in Statorrichtung wirksamen Flusskonzentration mit der bereits erwähnten ausgeprägten Salienz.
Besonders bevorzugt liegen die dem Stator abgewandten radialen Endflächen der Permanentmagnete zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig frei. Dadurch wird ein Rückschluss über das Rückschlussmaterial des Rückschlussring auf der Innenseite des Rotors verhindert. Vorzugsweise liegen sowohl die dem Stator zugewandten radialen Endflächen als auch die dem Stator abgewandten radialen Endflächen der speichenförmig ausgerichteten Permanentmagnete frei, so dass der Rückschlussring im Bereich der Permanentmagnete im Wesentlichen unterbrochen ist und durch die Rückschlussringsegmente zwischen benachbarten Permanentmagneten gebildet wird. Der Rückschlussring bewahrt durch diese Teilung die Funktion des magnetischen Rückschlusses für den Statorfluss, jedoch werden durch die Teilung magnetische Streuflüsse zwischen Vor- und Rückseite einzelner Magnete vermieden, die der gewünschten Flusskonzentration andernfalls nicht mehr zur Verfügung stünden. Ist es konstruktiv notwendig, so können die dem Stator zugewandten oder die von dem Stator abgewandten radialen Endflächen von Überdeckungsstegen des Rückschlussrings, die von einem Rückschlussringsegment zum Nächsten verlaufen, gebildet werden, wobei vorzugsweise ein Luftspalt zwischen den Verbindungsstegen und den radialen Endflächen verbleibt. Die Stege sind dabei derart schmal ausgebildet, dass sie schnell magnetisch sättigen, so dass die Streuflussverluste minimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein jeweils zwischen benachbarten Permanentmagneten befindliches Rückschlussringsegment des Rückschlussrings bündig mit den dem Stator zugewandten Flächen der Permanentmagnete abschließt. Dadurch wird die Akustik der elektrischen Maschine verbessert, da weniger oder nur geringe Windgeräusche im Betrieb auftreten.
Besonders bevorzugt sind die Permanentmagnete Ferrit-Magnete. Diese sind kostengünstiger zu beschaffen und führen daher zu einer kostengünstigeren Ausbildung des Zweirads.
Besonders bevorzugt sind die Permanentmagnete in dem Rückschlussring in Umfangsrichtung gesehen, also auf den einander zugewandten Seiten benachbarter Permanentmagnete, vollständig mit Material des Rückschlussrings bedeckt, um eine gute Magnetflusskonzentration zu erreichen. Darüber hinaus ermöglicht die Einführung der ausgeprägten Salienz der vorzugsweise als elektrisch kommutierter Sychronmotor ausgebildeten elektrischen Maschine in Verbindung mit Feld-orientierter Regelung eine wenig aufwändige, geberlose Rotorlageerfassung durch Messung der Motorimpedanz, beispielsweise mittels Injektion eines hochfrequenten Signals in den Stator und Messung der induktiven Antwort.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Zweirads ist vorgesehen, dass zwischen der elektrischen Maschine und einem Antriebsrad des Zweirads ein Getriebe, insbesondere ein Stirnradgetriebe oder Planetenradgetriebe, geschaltet ist. Das Getriebe kann aufgrund der besonderen Motortopologie, die nur eine geringe Baugröße aufweist, problemlos in das Zweirad integriert werden. Insbesondere die Integration eines für die Traktionsanwendung optimierten Stirnradgetriebes lässt sich somit darstellen. Die Kombination mit einem Planetenradgetriebe ist zwar ebenfalls möglich, jedoch wird für diese Anwendung ein Stirnradgetriebe mit Zwischenwelle vorgeschlagen, da mit einem solchen bei vergleichbarem Bauraum mit erheblich geringerem Aufwand doppelt hohe Untersetzungen technisch robust dargestellt werden können. Das Getriebe kann schaltbar mehrgängig ausgebildet sein.
Zweckmäßigerweise weist die elektrische Maschine eine Leistungselektronik zu ihrer Ansteuerung auf. Besonders bevorzugt ist die Leistungselektronik in einer das Antriebsrad tragenden Einarmschwinge des Zweirads angeordnet. Die Einarmschwinge kann dabei durch die Leistungselektronik direkt als Kühlfläche genutzt werden. Natürlich ist es auch denkbar das Antriebsrad an einer Zweiarmschwinge vorzusehen und die Leistungselektronik entsprechend in den einen, in den anderen oder in beide Arme der Zweiarmschwinge zu integrieren.
Die vorgeschlagene Topologie der elektrischen Maschine in Verbindung mit dem integrierten Getriebe führt zu hohen Wirkungsgraden und damit zu geringen Verlustleistungsdichten des Zweirads, so dass zumindest in den meisten Anwendungsfällen auf Kühlrippen an der elektrischen Maschine selbst verzichtet werden kann, wodurch dem Design einer Einarm- oder Zweiarmschwinge erhebliche Freiheitsgrade eingeräumt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des oben beschriebenen Zweirads zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Maschine mit einer Vorkommutierung oder einer Nachkommutierung angesteuert wird, um ein zusätzliches Reluktanzmoment zu erzeugen. Vorteilhafte Weiterbildungen und Vorteile ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden. Dazu zeigen
1 ein Zweirad in einer perspektivischen Darstellung,
2A und 2B die Salienz von magnetischen Flüssen einer elektrischen Maschine des Zweirads,
3 ein Ersatzschaltbild virtueller Induktivitäten der elektrischen Maschine,
4 eine vorteilhafte Ausführung der elektrischen Maschine in einer Schnittdarstellung,
5 die elektrische Maschine in einer perspektivischen Darstellung,
6 ein Vergleich virtueller Induktivitäten der elektrischen Maschine und
7 eine Antriebseinheit des Zweirads in einer perspektivischen Darstellung.
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein elektrisch angetriebenes Zweirad 1, dessen Vorderrad 2 lenkbar und dessen Hinterrad 3 durch eine elektrische Maschine 4, die durch ein Getriebe 5 mit dem Hinterrad 3 verbunden ist, antreibbar ist. Die elektrische Maschine 4 weist einen festen Stator 6 sowie einen drehbar gelagerten Rotor 7 auf, wobei der Rotor 7 koaxial zu dem Stator 6 angeordnet und ausgerichtet ist.
Üblicherweise ist der Rotor 7 mit einer Vielzahl von aneinander anliegenden Permanentmagneten, typischerweise Seltene-Erden-Magneten, versehen, die an einem Rückschlussring 9 angeordnet sind. Die übliche Bauweise weist den Nachteil auf, dass bekannte Rotoren so gut wie keine ausgeprägte Salienz aufweisen. Der Begriff der Salienz, der aus dem Englischen „salience“ kommt, soll in Bezug auf 2A und 2B näher erläutert werden. Im Rotor-festen Koordinatensystem einer permanenterregten Synchronmaschine beschreibt die sogenannte q-Achse die Richtung eines durch den Statorstrom erzeugten, magnetischen Flusses eines Rückschlussrings 9, senkrecht zur Erregung, die von den Permanentmagneten 8 erzeugt wird, wie in 2A und 2B dargestellt. Die d-Achse bezeichnet die Richtung des magnetischen Flusses, der primär durch die Permanentmagnete 8 erzeugt wird.
Bei Ansteuerung der elektrischen Maschine (ohne Vorkommutierung) erzeugt der Stator 6 keinen Flussanteil in d-Richtung. Die Flüsse in d- und q-Richtung sowie das Motormoment M_Mi berechnen sich bei einem zum Beispiel dreiphasigen Motor gemäß: Ψ_d = L_d·I_d + Ψ_PM = Ψ_PM|_Id=0 Ψ_q = L_q·I_q M_Mi = 3 / 2·Z_p·Ψ_PM·I_q Wobei L_d, L_q die instantanen, virtuellen Stator-Induktivitäten in d- und q-Richtung darstellen, Z_p der Polpaarzahl entspricht, und Ψ_d, Ψ_q und Ψ_PM der jeweilige Flussanteil in d- und q-Richtung sowie der Permanentmagnete PM ist.
Die virtuellen Induktivitäten L_d und L_q ergeben sich in einer Motor-Topologie nach Rückwärtsberechnung aus einem Ringintegral entlang der betrachteten Magnetflüsse. Da die magnetische Permeabilität ferromagnetischer Materialien nahezu gleich der von Luft ist, ist ersichtlich, dass bei Motoren mit Permanentmagneten in der typischen Oberflächenanordnung die virtuellen Induktivitäten L_d und L_q nahezu gleich sind, wobei es unerheblich ist, ob zwischen den Permanentmagneten ein Luftspalt vorgehalten wird oder ob wie üblich die Permanentmagnete seitlich aneinander anliegend aufgebracht werden.
Vorteilhafterweise sind die Permanentmagnete der elektrischen Maschine 4 zumindest bereichsweise vergraben, wie in 4 und 5 dargestellt, angeordnet. Durch die vorteilhafte Anordnung der Permanentmagnete innerhalb des die Permanentmagnete 8 tragenden Rückschlussrings 9, liefern die Ringintegrale unterschiedliche Werte für L_d und L_q. Da L_d und L_q instantane, virtuelle Induktivitäten beschreiben, sind diese typischerweise auch abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine 4, insbesondere von deren Drehzahl.
Wird vorteilhafterweise für die derart ausgebildete elektrische Maschine 4 ein aus Sicht des Rotor-festen Koordinatensystems zeitinvarianter Phasenvoreilwinkel gewählt, der die L_d-Komponente nicht verschwinden lässt, dann ergeben sich die Betriebsgrößen Fluss Ψ_d, Ψ_q, Ψ_PM, Phasenspannung U_d, U_q, Drehmoment M_Mi, elektrische Rotationsgeschwindigkeit Ω_L, Anzahl der Polpaare Z_p und Summe der Phasenströme I_a, I_b, I_c wie folgt: Ψ_d = L_d·I_d + Ψ_PM Ψ_q = L_q·I_q
M_MI = 3 / 2·Z_p·(Ψ_PM·I_q + (L_d – L_q)·I_d·I_q) Ω_L = Z_p·Ω_m I_a + I_b + I_c = 0
Die Formeln gelten bei einer Sinus-Kommutierung der elektrischen Maschine 4. Eine elektrische unaufwändigere Block-Kommutierung würde den Gleichungen höhere harmonische Terme hinzufügen, die grundsätzlichen Zusammenhänge jedoch nicht ändern.
Zum Drehmoment addiert sich aufgrund der zumindest bereichsweise vergrabenen Anordnungen der Permanentmagnete 8 in dem Rückschlussring 9 ein zusätzlicher Drehmomentanteil, das sogenannte Reluktanz-Moment (L_d – L_q)·I_d·I_q. Durch Optimierung der Ansteuerung, zum Beispiel nach MTPA (Max Torque per Ampere = maximales Drehmoment pro Ampere) oder MTPV (Max Torque per Volt (maximales Drehmoment pro Volt)) ist es nun möglich, für jeden statischen oder dynamischen Betriebszustand des Motors einen Satz optimierter Ansteuerparameter zu wählen.
Gleichzeitig addiert sich zur Permanent-Errregung der elektrischen Maschine eine Komponente L_d·I_d. Bei der Vorkommutierung (I_d < 0) reduziert sich dazu der Erregerfluss in d-Richtung und damit die induzierte, elektromotorische Gegenspannung, wodurch dem Motor höhere Drehzahlen ermöglicht werden.
Die messbare Terminal-Induktivität L_T eines 3-Phasenmotors berechnet sich mit den virtuellen Induktivitäten mit der in 3 dargestellten Anordnung wie folgt:
Hierbei beschreibt θ den elektrischen Rotorlagewinkel des Rotors 7. Bei ausgeprägter Salienz schwingt die gemessene Terminal-Induktivität mit dem Cosinus des Lagewinkels zwischen 3/2 L_d und 3/2 L_q. Zur eindeutigen Erkennung der Rotorlage genügt danach eine zusätzliche Vorzeichenerkennung zur Unterscheidung der Intervalle 0 – π und π – 2π. Bei Messung der Terminal-Induktivität, zum Beispiel durch Aufmodellieren eines hochfrequenten Signals mit vorgegebener d/q-Orientierung auf die Statorspannungen und getrennter Ermittlung der resultierenden Phasenströme I_d und I_q, kann durch geeignete Iterationsverfahren die Mehrdeutigkeit des Cosinus hierzu auch ohne zusätzlichen Sensor aufgelöst und somit eine geberlose Rotorlagewinkelerkennung durchgeführt werden.
4 und 5 zeigen ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 4 des Zweirads 1, wobei 4 die elektrische Maschine 4 in einer Schnittdarstellung und 5 die elektrische Maschine in einer perspektivischen Darstellung zeigt.
4 zeigt die elektrische Maschine 4, die über das Getriebe 5 mit der Felge des Hinterrads 3 gekoppelt ist. Die elektrische Maschine 4 weist einen ortsfesten Stator 6 sowie einen drehbar gelagerten Rotor 7 auf. Der Rotor 7 weist einen Rückschlussring 9 auf, in welchem Permanentmagnete 8 speichenförmig mit alternierender Magnetisierungsrichtung angeordnet sind, so dass eine in Statorrichtung wirksame Flusskonzentration erzeugt wird. Die Permanentmagnete 8 sind insofern radial bezüglich der Rotationsachse des Rotors 7 ausgerichtet. Der Rotor 7 ist dabei derart ausgebildet, dass die Permanentmagnete 8 mit ihren dem Stator zugewandten radialen Endflächen 13 und den von dem Stator abgewandten radialen Endflächen 14 radial freiliegend angeordnet sind. Die Permanentmagnete 8 sind somit radial nicht vom Material des Rückschlussrings 9 umgeben. Dadurch werden magnetische Streuflüsse verhindert. Der Rückschlussring 9 besteht in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel insofern aus einer Vielzahl von Rückschlussringsegmenten 12, die jeweils zwischen benachbarten Permanentmagneten 8 vorgesehen sind. Die Rückschlussringsegmente 12 können beispielsweise durch Verkleben mit den Permanentmagneten 8 jeweils verbunden sein. Um den Rückschlussring 9 konstruktiv zu stärken, ist es auch denkbar, zwischen benachbarten Rückschlussringsegmenten 12 innenseitig und/oder außenseitig jeweils einen Verbindungssteg vorzusehen, der die benachbarten Rückschlussringsegmente miteinander verbindet und dabei den jeweils dazwischen liegenden Permanentmagneten radial überdeckt. Dabei ist darauf zu achten, dass zwischen den Permanentmagneten und den Verbindungsstegen jeweils ein Luftspalt beziehungsweise eine Lufttasche verbleibt, um magnetische Streuflüsse zu vermeiden beziehungsweise zu vermindern. Zweckmäßigerweise sind dabei die Verbindungsstege derart schmal ausgebildet, dass sie magnetisch schnell sättigen. Vorteilhafterweise sind die Permanentmagnete 8 als Ferrit-Magnete ausgebildet. Durch die gewählte Topologie mit beispielsweise zwölf Nuten und fünf Polpaaren wird ein mit 94% besonders hoher Wickelfaktor erreicht, der für die Zielanwendung im Zweirad 1 zu ausreichend geringen Rastmomenten führt.
Durch die vergrabene Anordnung der Permanentmagnete 8 im Material des Rückschlussrings 9 wird die zuvor beschriebene ausgeprägte Salienz der elektrischen Maschine 4 erreicht.
6 zeigt in dem Diagramm einen Vergleich der Differenz der Induktivitäten L_d – L_q bei Verwendung von Ferrit-Magneten (FM) und Seltene-Erde-Magneten (SEM) für die Permanentmagnete 8 über die Drehzahl n der elektrischen Maschine 4. Durch die Verwendung der Ferrit-Magnete wird ein Vorzeichenwechsel im Bereich des Übergangs vom Ankerstellbereich zum Feldschwächenbetrieb erreicht. Durch die vergrabene Anordnung der Permanentmagneten 8 ergibt sich, dass die Differenz der Induktivitäten (L_d – L_q) < 0 ist. Da eine Vorkommutierung per Definition negative Phasenströme I_d und positive Phasenströme I_q erzeugt, ergibt sich für das Drehmoment der elektrischen Maschine im Feldschwächenbereich durch Vorkommutierung ein nutzbares, positives Zusatzmoment von (L_d – L_q)·I_d·I_q.
Im Ankerstellbereich weist die elektrische Maschine eine positive Induktivitätdifferenz (L_d – L_q) < 0 auf, was die Nutzung eines signifikanten Reluktanz-Moments durch Nachkommutierung ermöglicht. Dies kann sowohl zur Verbesserung des Wirkungsgrades in diesem Bereich genutzt werden, als auch zum Erreichen einer Boost-Leistung über nominaler Auslegung, zum Beispiel zum Auffahren auf eine Bordsteinkante.
Wie bereits erwähnt ist die elektrische Maschine 4 durch ein Getriebe 5 mit der Felge beziehungsweise dem Hinterrad 3 in radnaher beziehungsweise radfester Anordnung verbunden. Durch die vorgeschlagene Motor-Topologie wird eine geringe Baugröße der elektrischen Maschine 4 mit annähernd quadratischem Längsschnitt ermöglicht, die eine problemlose Integration eines Stirnradgetriebes erlaubt. Prinzipiell wäre auch die Ausbildung des Getriebes 5 als Planetenradgetriebe denkbar, jedoch wird für diese Anwendung ein Stirnradgetriebe mit Zwischenwelle vorgeschlagen, da bei einem solchen mit vergleichbarem Bauraum mit erheblich geringerem Aufwand doppelt hohe Untersetzungen technisch robust dargestellt werden können. Das Stirnradgetriebe mit Zwischenwelle bietet zudem die notwendige Entkopplung zwischen eingeleiteten Radkräften des Fahrzeugs vom Pfad der Drehmomentübertragung.
Das Getriebe 5 kann schaltbar mehrgängig ausgelegt werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine zweistufig schaltbare Ausführung des Getriebes 5. Die Einbringung eines Freilaufs für den einfachen Rollbetrieb des Zweirads 1 ist ebenso möglich wie die in beide Richtungen wirksame Verzahnung, welche die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht.
Der trotz Integrationsmöglichkeit immer noch modulare Aufbau des Antriebssystems des Zweirads 1 erlaubt auch die Verwendung der elektrischen Maschine in anderen Aufbauvarianten des Zweirads 1, wobei die elektrische Maschine 4 auch mit anderen Kennungswandlern verbunden und auch in rahmenfester Montage vorgesehen werden kann. Bei einer rahmenfesten Montage könnte die elektrische Maschine 4 über ein entsprechendes Getriebe oder einen Zugmitteltrieb mit dem Antriebsrad 3 verbunden sein.
7 zeigt die in 1 bereits angedeutete radfeste Montage der elektrischen Maschine 4 an dem Hinterrad 3 beziehungsweise an dessen Felge. 7 zeigt die Ausbildung des Antriebssystems des Zweirads 1 mit der elektrischen Maschine 4 und dem integrierten Getriebe 5, die direkt mit einer Einarmschwinge 10 des Zweirads verbunden sind. Die Leistungselektronik der elektrischen Maschine 4 ist vorteilhafterweise in der Einarmschwinge 10 integriert und nutzt diese als Kühlelement beziehungsweise als Kühlfläche. Bei geänderter Anordnung von elektrischer Maschine 4 und Getriebe 5 zueinander ist natürlich auch die Integration in eine Zweiarmschwinge denkbar.
Die vorgeschlagene Topologie der elektrischen Maschine 4 führt in Verbindung mit dem integrierten Getriebe 5 zu so hohen Wirkungsgraden und damit zu so geringen Verlustleistungsdichten, dass auf Kühlrippen an der elektrischen Maschine 4 selbst verzichtet werden kann, wodurch dem Design der Einarmschwinge oder Zweiarmschwinge erhebliche Freiheitsgrade eingeräumt werden.
Die Antriebseinheit, wie sie in 7 dargestellt ist, erfüllt in der hier vorgestellten Form durch Kombination der Motor-Topologie mit hoher Salienz und dem darauf angepassten Ansteuerverfahren mittels Vorkommutierung und Nachkommutierung, die Anforderungen an einen Antrieb in minimaler Komplexität, der sich insbesondere zum Einsatz als radnaher Antrieb des elektrisch betriebenen Zweiradfahrzeugs 1 eignet. Durch diese Topologie lässt sich beispielsweise ein Betriebsspannungsbereich unterhalb von 60 Volt mit fahrtwindgekühlten Seltene-Erde-freien Motoren mit einer Leistung bis beispielsweise vier Kilowatt mit weniger als fünf Kilogramm aktiver Masse realisieren. Durch die Vorkommutierung in einem Synchronbetrieb der elektrischen Maschine im Feldschwächebereich wird das zusätzliche Reluktanzmoment erzeugt. Durch Nachkommutierung im Synchronbetrieb im Ankerstellbereich wird gleichfalls ein zusätzliches Reluktanzmoment zur Erhöhung des Drehmoments genutzt.

Claims

Elektrisch angetriebenes Zweirad (1) mit wenigstens einer elektrischen Maschine (4), die einen ortsfesten Stator (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (7) aufweist, wobei der Rotor (7) einen Rückschlussring (9) mit einer Vielzahl daran über den Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete speichenförmig mit alternierender tangentialer Magnetisierung in dem Rückschlussring (9) angeordnet sind.
Zweirad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Stator (6) zugewandten radialen Endflächen (13) der Permanentmagnete (8) zumindest im Wesentlichen freiliegen.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Stator abgewandten radialen Endflächen (14) der Permanentmagnete (8) zumindest im Wesentlichen freiliegen.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen benachbarten Permanentmagneten (8) befindliches Rückschlussringsegment (12) des Rückschlussrings (9) bündig zumindest mit den dem Stator (6) zugewandten Endflächen (13) der Permanentmagneten (8) abschließt.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (8) Ferrit-Magnete sind.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (8) in dem Rückschlussring (9) in Umfangsrichtung gesehen vollständig mit Material des Rückschlussrings (9) bedeckt sind.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrischen Maschine (4) und einem Antriebsrad (3) des Zweirads (1) ein Getriebe (5), insbesondere ein Stirnradgetriebe oder Planetenradgetriebe geschaltet ist.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungselektronik der elektrischen Maschine (4) in einer das Antriebsrad (3) tragenden Einarmschwinge (11) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Zweirads (1), das nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4) mit einer Vorkommutierung oder einer Nachkommutierung zur Erzeugung eines Reluktanzmomentes angesteuert wird.