DE102013210190A1

DE102013210190A1 - Electric wheel drive

Info

Publication number: DE102013210190A1
Application number: DE102013210190.2A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-04
Also published as: WO2014191167A3; WO2014191167A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Radantrieb für ein Rad (17) mit einem Rotor (20) und einem geteilten Stator (12). Erfindungsgemäß ist dieser in zwei Teilstatoren (13a, 13b) aufgeteilt, wobei diese durch eine unterschiedliche elektrische Ansteuerung nicht nur ein Drehmoment (20) auf den Rotor (11) ausüben können, sondern auch eine vertikal gerichtete Querkraft (21). Daher kann der elektrische Antrieb gleichzeitig eine Federung unterstützen, indem die Querkräfte aktiv auf Fahrwerksreaktionen einwirken.The invention relates to an electric wheel drive for a wheel (17) with a rotor (20) and a divided stator (12). According to the invention, this is divided into two partial stators (13a, 13b), whereby these can exert not only a torque (20) on the rotor (11) but also a vertically directed transverse force (21) through a different electrical control. The electric drive can therefore support a suspension system at the same time by actively influencing the lateral forces on the chassis reactions.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Radantrieb mit einem Rotor, der mit dem Rad drehstarr verbunden ist, und einem ortsfesten Stator. Derartige Radnabenmotoren mit elektrischem Antrieb sind bereits seit langem bekannt. Diese wurden bereits bei militärischen Anwendungen im ersten Weltkrieg (Schlepper M17 für Belagerungshaubitze, Porsche, Skoda 1915) eingesetzt. Der Nachteil bisherigen Radnabenmotoren ist, dass diese die ungefederte Masse des Rades beträchtlich vergrößern. Prinzipbedingt können der Rotor und der Stator eines Elektromotors nämlich nicht beliebig leicht ausgeführt werden. Die Federung der Räder von Fahrzeugen wird bisher durch Federmassedämpfersysteme verwirklicht. The invention relates to an electric wheel drive with a rotor which is rotationally rigidly connected to the wheel, and a stationary stator. Such wheel motors with electric drive have been known for a long time. These were already used in military applications during the First World War (Tug M17 for siege howitzer, Porsche, Skoda 1915). The disadvantage of previous wheel hub motors is that they considerably increase the unsprung mass of the wheel. Due to the principle of the rotor and the stator of an electric motor can namely not be carried out arbitrarily easily. The suspension of the wheels of vehicles has been realized by Federmassedämpfersysteme.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Radnabenantrieb anzugeben, der ein günstiges Federungs- und Dämpfungsverhalten des Fahrzeugs erlaubt. The object of the invention is to provide an electric wheel hub drive, which allows a favorable suspension and damping behavior of the vehicle.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der eingangs angegebene elektrische Radantrieb einen Stator aufweist, der aus zwei Teilstatoren besteht, von denen auf jeder Seite der Drehachse des Rades einer angeordnet ist, wobei die Teilstatoren voneinander getrennte elektrische Anschlüsse aufweisen. Durch die getrennten elektrischen Anschlüsse ist es möglich, dass diese unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden. Hierin besteht ein wesentlicher Vorteil, da der elektrische Radnarbenantrieb auf diese Weise nicht nur zum Antrieb des Rades, sondern auch zur Beeinflussung des Feder-Dämpferverhaltens des Fahrzeugs verwendet werden kann, wie im Folgenden noch näher erläutert wird. This object is achieved in that the above-mentioned electric wheel drive comprises a stator consisting of two part stators, one of which is arranged on each side of the axis of rotation of the wheel, wherein the part stators have separate electrical connections. The separate electrical connections, it is possible that they are electrically controlled independently. This is a significant advantage, since the electric Radnarbenantrieb can be used in this way not only to drive the wheel, but also to influence the spring-damper behavior of the vehicle, as will be explained in more detail below.

Wünschenswert für eine Fahrwerksfederung ist sozusagen eine Bandpasscharakteristik. Die üblichen Feder-Masse-Dämpferkombinationen mit mechanischen Teilen stellen allerdings mechanische Tiefpässe dar. Eine Bandpasscharakteristik, wie diese sich vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Radnabenantrieb verwirklichen lässt, kann dahingehend angesteuert werden, dass das Fahrwerk unnachgiebig gegenüber lang dauernden Belastungsänderungen ist. Hierbei können als Beispiele die Einsenkung bei Beladung oder die Neigung bei Kurvenfahrt genannt werden. Andererseits lassen sich hochfrequente Stöße durch ein nachgiebiges Verhalten vorteilhaft leicht kompensieren. Ein solches Bandpass-Verhalten erfordert allerdings ein aktiv gesteuertes Federverhalten. Hierzu sind Aktuatoren notwendig, die erfindungsgemäß durch den geteilten Stator verwirklicht werden können. Desirable for suspension suspension is, so to speak, a bandpass characteristic. However, the usual spring-mass-damper combinations with mechanical parts are mechanical low-pass filters. A band-pass characteristic, as can be realized advantageously with the electric wheel hub drive according to the invention, can be controlled such that the chassis is unyielding to long-lasting load changes. Here, as examples, the depression during loading or the inclination when cornering may be mentioned. On the other hand, high-frequency shocks can advantageously be easily compensated by yielding behavior. However, such a bandpass behavior requires an actively controlled spring behavior. For this purpose, actuators are necessary, which can be realized according to the invention by the divided stator.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass mit dem elektrischen Radantrieb sowohl ein Aktuator für eine aktiv gesteuerte Radaufhängung verwirklicht ist, als auch der Antrieb des Rades bewerkstelligt werden kann. Da auf diesem Weg mechanische Federteile eingespart werden, hilft der erfindungsgemäße Radantrieb überdies dabei, die ungefederten Massen vorteilhaft zu verringern, wodurch sich das Federverhalten zusätzlich bereits durch eine Verbesserung der mechanischen Ausgangssituation verbessert. Die Teilung des Stators des Elektromotors in zwei Segmente erfolgt vertikal. Die beiden Statorhälften sind am Fahrwerk befestigt und werden dadurch Teil der gefederten Masse. Hierdurch ist ein weiterer Effekt der Verringerung der ungefederten Masse trotz Verwendung eines Radnarbenantriebs verwirklicht. Der Rotor, der bevorzugt als Kurzschluss-Scheibenläufer oder als Permanent-Scheibenläufer ausgeführt ist, kann sich erfindungsgemäß gegenüber den Statoren nicht nur drehen, sondern auch vertikal bewegen. Die Drehung erzeugt den elektromotorischen Antrieb, während die vertikale Bewegung eine Federung verwirklicht. Der Rotor hat damit erfindungsgemäß einen zusätzlichen translatorischen Freiheitsgrad. Weitere Freiheitsgrade können durch eine geeignete mechanische Führung des Rotors bzw. einer zum Fahrwerk hingeführten Welle erfolgen. According to the invention this is achieved in that the electric wheel drive both an actuator for an actively controlled suspension is realized, as well as the drive of the wheel can be accomplished. Since mechanical spring parts are saved in this way, the wheel drive according to the invention also helps to reduce the unsprung masses advantageous, which improves the spring behavior in addition already by improving the mechanical starting situation. The division of the stator of the electric motor into two segments is vertical. The two halves of the stator are attached to the chassis and thus become part of the sprung mass. As a result, another effect of reducing the unsprung mass is realized despite the use of a Radnarbenantriebs. The rotor, which is preferably designed as a short-circuit disc rotor or as a permanent disc rotor, according to the invention can not only rotate relative to the stators, but also move vertically. The rotation generates the electromotive drive, while the vertical movement realizes a suspension. The rotor thus has an additional translational degree of freedom according to the invention. Further degrees of freedom can be achieved by a suitable mechanical guidance of the rotor or a shaft guided to the chassis.

Die beiden Teilstatoren, die jeweils aus getrennten Wicklungspaketen bestehen, die wie bereits erwähnt, unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden können, können jeweils mit einem Umrichter verbunden werden. Eine gleichmodige Ansteuerung übt auf den Rotor ein Drehmoment aus, welches den Antrieb des Fahrzeugs ermöglicht. Demgegenüber erzeugt eine gegenläufige Ansteuerung eine im Wesentlichen vertikale Querkraft, die zur Unterstützung des Fahrverhaltens genutzt werden kann. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise während der Kurvenfahrt eine Neigung des Fahrwerks unterdrücken, weil eine Konstante den angreifenden Neigungskräften entgegengerichtete Aufrichtkraft auf das Fahrwerk ausgeübt werden kann. Auch die Fahrwerksbewegungen beim Anfahren und Bremsen können auf diese Weise vermindert oder sogar verhindert werden. The two partial stators, each consisting of separate winding packages, which, as already mentioned, can be electrically controlled independently of one another, can each be connected to a converter. A gleichmodige control exerts on the rotor torque, which allows the drive of the vehicle. In contrast, an opposite drive generates a substantially vertical lateral force that can be used to support the driving behavior. In this way, for example, during cornering suppress an inclination of the chassis, because a constant the attacking pitch forces opposing Aufrichtkraft can be exercised on the chassis. Also, the suspension movements when starting and braking can be reduced or even prevented in this way.

Weiterhin ist zu bemerken, dass die durch den erfindungsgemäßen Radantrieb realisierte Fahrwerkssteuerung die passiven Elemente des Fahrwerks nicht zwangsläufig ersetzen müssen. Es ist auch denkbar, dass diese das Fahrwerk lediglich unterstützen. Gemäß dem Stand der Technik kann ein übliches Federdämpfersystem vorgesehen werden, welches allerdings danach ausgelegt wird, dass es durch einen bestimmten Kraftbetrag unterstützt werden kann, welcher durch den erfindungsgemäßen elektrischen Antrieb erzeugt werden kann. Furthermore, it should be noted that realized by the wheel drive according to the invention landing gear control does not necessarily replace the passive elements of the chassis. It is also conceivable that these only support the chassis. According to the prior art, a conventional spring damper system can be provided, which, however, is designed to be supported by a certain amount of force which can be generated by the electric drive according to the invention.

Durch eine ungleich starke Ansteuerung der beiden Statorhälften ist es überdies möglich, auch Betriebszustände zu unterstützen, bei denen gleichzeitig ein Antrieb des Rades und eine Fahrwerksbewegung notwendig ist. Dies wird erreicht, indem die beiden Statoren unterschiedlich starke Drehmomente auf den Rotor ausüben, wodurch eine vertikale Kraft resultiert. By an equally strong control of the two stator halves, it is also possible to support operating conditions in which at the same time a drive of the wheel and a chassis movement is necessary. This is achieved by the two stators applying different degrees of torque to the rotor, resulting in a vertical force.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Teilstator je Wicklungspakete auf jeder Seite des Scheibenläufers aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine günstigere Verteilung der Reaktionskräfte auf den Scheibenläufer erreicht werden. Außerdem lässt sich vorteilhaft der Wirkungsgrad des Motors dadurch verbessern. According to one embodiment of the invention, it is provided that each partial stator has winding packages on each side of the disc rotor. As a result, advantageously a more favorable distribution of the reaction forces to the pancake can be achieved. In addition, can advantageously improve the efficiency of the engine thereby.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jeder der Teilstatoren mit einem eigenen Umrichter verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass eine große Variationsbreite möglicher Antriebsansteuerungen verwirklicht werden kann. Dies lässt sich beispielsweise durch die Programmierung verschiedener Betriebszustände und zusätzlich durch Auswertung von Sensorsignalen (beispielsweise Kraftsensoren und Beschleunigungssensoren) verwirklichen. Alternativ kann aber auch vorgesehen werden, dass beide Teilstatoren mit demselben Umrichter angesteuert werden, wobei der Strom zu unterschiedlichen Anteilen auf die beiden Teilstatoren aufgeteilt werden kann. Dies ist vorteilhaft aufgrund einer geringeren Anzahl von Komponenten die kostengünstigere Variante. Außerdem kann durch Verwendung eines einzelnen Umrichters auch dessen Wirkungsgrad positiv beeinflusst werden. A further embodiment of the invention provides that each of the Teilstatoren is connected to its own inverter. This has the advantage that a wide range of possible drive controls can be realized. This can be achieved, for example, by programming various operating states and additionally by evaluating sensor signals (for example force sensors and acceleration sensors). Alternatively, however, it can also be provided that both partial stators are driven with the same converter, wherein the current can be divided into different proportions on the two partial stators. This is advantageous due to a smaller number of components, the cheaper option. In addition, by using a single inverter and its efficiency can be positively influenced.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur stellt eine dreidimensionale Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Radantriebes dar. Further details of the invention are described below with reference to the drawing. The single figure represents a three-dimensional representation of an embodiment of the wheel drive according to the invention.

Dargestellt ist als elektrischer Radantrieb ein Motor, der einen als Permanentmagnet-Scheibenläufer ausgeführten Rotor 11 und einen Stator 12 aufweist. Der Stator 12 besteht aus zwei Teilstatoren 13a, 13b, welche vor bzw. hinter einer die Achse bildenden Welle 14 angeordnet sind. Die Welle 14 dient im Ausführungsbeispiel nicht als Antriebswelle, sondern lediglich zur Führung des Rades in einer nicht näher dargestellten Radaufhängung. Die Teilstatoren 13a und 13b sind wiederum in jeweils zwei Wicklungsträger 15 aufgeteilt, von denen sich jeweils einer vor dem Rotor 11 und einer hinter dem Rotor 11 befindet. Die Wicklungsträger weisen die angedeuteten Wicklungspakete 16 auf. Shown is as an electric wheel drive, a motor having a rotor designed as a permanent magnet disc rotor 11 and a stator 12 having. The stator 12 consists of two partial stators 13a . 13b , which in front of or behind a shaft forming the axis 14 are arranged. The wave 14 is not used in the embodiment as a drive shaft, but only to guide the wheel in a suspension not shown. The partial stators 13a and 13b are again in each case two winding carriers 15 divided, one of which in front of the rotor 11 and one behind the rotor 11 located. The winding carriers have the indicated winding packets 16 on.

Weiterhin zu erkennen ist ein Rad 17, in dessen Felge 18 der elektrische Antrieb eintaucht. Die Wicklungsträger 15 sind alle an einem Fahrwerk 19 befestigt, welches lediglich angedeutet ist. Damit gehört der gesamte Stator 12 zur gefederten Masse. Demgegenüber ist der Rotor 11 der ungefederten Masse zuzurechnen. Diese kann sich zwischen den Wicklungsträgern 15 nämlich nicht nur in Richtung des angedeuteten Doppelpfeils 20 um die Symmetrieachse der Welle 14 drehen, sondern dieser kann auch in Richtung des Doppelpfeils 21 vertikal nach oben und nach unten bewegt werden. Der Stator 12 wirkt in diesem Fall vergleichbar mit einem Linearmotor oder einer linearelektrischen Bremse. Dies ist auch der Grund, warum die Wicklungspakete 16 der Wicklungsträger senkrecht untereinander angeordnet sind und nicht gleichem Abstand um die Drehachse. Je nach Lage des Rotors 11 in vertikaler Richtung kommen unterschiedliche Wicklungspakete zum Einsatz, um einen Einfluss auf den Rotor 11 auszuüben. Im in der Figur dargestellten Fall könnten beispielsweise jeweils die untersten beiden Wicklungspakete und das oberste Wicklungspaket 16 der Wicklungsträger abgeschaltet werden, weil deren elektrischer Einfluss auf den Rotor 11 gering ist. Further to recognize is a wheel 17 in its rim 18 the electric drive is immersed. The winding carriers 15 are all on a chassis 19 attached, which is merely indicated. This includes the entire stator 12 to the sprung mass. In contrast, the rotor 11 attributable to the unsprung mass. This can be between the winding carriers 15 namely not just in the direction of the indicated double arrow 20 around the axis of symmetry of the shaft 14 turn, but this can also be in the direction of the double arrow 21 be moved vertically up and down. The stator 12 acts in this case comparable to a linear motor or a linear electric brake. This is also the reason why the winding packages 16 the winding support are arranged perpendicular to each other and not the same distance around the axis of rotation. Depending on the position of the rotor 11 in the vertical direction different winding packages are used to influence the rotor 11 exercise. In the case illustrated in the figure, for example, in each case the lowermost two winding packages and the uppermost winding package 16 the winding carriers are switched off, because their electrical influence on the rotor 11 is low.

Dargestellt ist ein Umrichter 30 und elektrische Anschlüsse 22 den Wicklungspaketen 15 des Teilstators 13a, wobei diese in üblicher Weise mit Zuleitungen 25 angeschlossen werden können, was nicht weiter erläutert werden muss. Vorteilhaft ist es in diesem Rahmen, dass tatsächlich jedes einzelne Wicklungspaket einzeln angesteuert werden kann (nicht näher dargestellt). Allerdings benötigt man für die Wicklungspakete jeweils eines Teilstators nicht getrennte Umrichter, sondern diese müssen lediglich ein- und ausgeschaltet werden, je nach dem, in welcher vertikalen Position sich der Rotor 11 befindet. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des elektrischen Antriebs verbessert werden, da Verlustleistungen an Wicklungspaketen, die an dem Antrieb nur unwesentlich beteiligt sind, vermieden werden. Shown is an inverter 30 and electrical connections 22 the winding packages 15 of the partial stator 13a , These in the usual way with leads 25 can be connected, which does not need to be explained further. It is advantageous in this context that actually each individual winding package can be controlled individually (not shown in detail). However, one does not need separate inverters for the winding packages of one partial stator, but these only have to be switched on and off, depending on which vertical position the rotor is in 11 located. In this way, the efficiency of the electric drive can be improved because power losses on winding packages, which are only marginally involved in the drive, are avoided.

Claims

Electric wheel drive with a rotor ( 11 ), which is rotationally fixedly connected to the wheel and a fixed stator, characterized in that the stator consists of two partial stators ( 13a . 13b ), of which on each side of the axis of rotation of the wheel ( 17 ) one is arranged, wherein the partial stators ( 13a . 13b ) separate electrical connections ( 22 ) exhibit.

Wheel drive according to claim 1, characterized in that as rotor ( 11 ) a short-circuit pancake or a permanent magnet pancake is provided.

Wheel drive according to claim 2, characterized in that each partial stator ( 13a . 13b ) winding packages ( 16 ) on each side of the disc rotor.

Wheel drive according to one of the preceding claims, characterized in that each of the two partial stators ( 13a . 13b ) is connected to its own inverter.

Wheel drive according to one of claims 1 to 3, characterized in that both partial stators ( 13a . 13b ) are driven with the same inverter, wherein the current to different proportions on the two partial stators ( 13a . 13b ) can be divided.