DE102014010027A1 - Gearless wheel hub machine - Google Patents
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Abstract
Elektrische Radnabenmaschine bzw. Radnaben-/Felgenmaschine für ein Fahrzeug insbesondere Straßenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Felgenbett der Außenrotor einer nach dem Prinzip der geschalteten Reluktanzmaschine arbeitenden, zweiphasigen Maschine mit einem Innenstator ist, der auf einem von Speichen getragenen Zylinder sitzt, der am Bremsträger montiert ist und der der Bremsanlage ihren bisherigen Bauraum lässt.Electric wheel hub / wheel machine for a vehicle, in particular a road vehicle, characterized in that the rim of the outer rotor is a working on the principle of the switched reluctance machine, two-phase machine with an inner stator sitting on a supported by spokes cylinder on the brake carrier is mounted and the brake system leaves her previous space.
Description
Inhaltsverzeichniscontents
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- 1. Motivation1. Motivation
- 2. Stand der Technik2. State of the art
- 3. Radnaben-/Felgenmaschine auf Basis einer geschalteten Reluktanzmaschine3. wheel hub / rim machine based on a switched reluctance machine
- 4. Literaturverweise4. References
1. Motivation1. Motivation
Ungefähr 25% des Primärenergiebedarfs der Bundesrepublik Deutschland entfallen auf den Verkehrssektor, der damit durch sein CO2-Aufkommen einen hohen Anteil am sogenannten „Treibhauseffekt” hat. Um unsere Mobilität in ihrer jetzigen Form zu erhalten und trotzdem unsere Atmosphäre nachhaltig vor weiterer Erwärmung zu schützen, kommt auch auf dem Verkehrssektor der Energieeinsparung bzw. der Energiewende eine immer größere Bedeutung zu.Approximately 25% of the primary energy demand of the Federal Republic of Germany is attributable to the transport sector, which thus has a high share of the so-called "greenhouse effect" due to its CO 2 emissions. In order to preserve our mobility in its present form and to protect our atmosphere against further warming, the energy sector and the energy transition are becoming increasingly important in the transport sector as well.
Plug/In-Hybrid- bzw. reine Elektrostraßenfahrzeuge kombiniert mit erneuerbarer Energiegewinnung sind eine Möglichkeit, um die CO2-Emissionen des Individualverkehrs zu reduzieren.Plug / in hybrid or pure electric road vehicles combined with renewable energy generation are a way to reduce the CO 2 emissions of private transport.
2. Stand der Technik2. State of the art
Käuflich erwerbbare Elektrostraßenfahrzeuge sind bislang meist mit einem konventionellen Antriebsstrang ausgerüstet, was heißt, dass eine Elektromaschine das Fahrzeug über ein Differentialgetriebe antreibt [1, 2 und 3]. Nachteilig bei dieser Antriebstopologie ist, dass die Vorteile eines „verteilten” Antriebes wie Torque Vectoring, variable Bauraumwahl etc. nicht möglich sind.Commercially available electric road vehicles are so far mostly equipped with a conventional drive train, which means that an electric machine drives the vehicle via a differential gear [1, 2 and 3]. A disadvantage of this drive topology is that the advantages of a "distributed" drive such as torque vectoring, variable space selection, etc. are not possible.
In Prototypen und Forschungsprojekten wird der Einzelradantrieb aber bereits dargestellt [4], der mit dem Radnabenantrieb seine vollendete Ausführungsform erhält [5, 6].In prototypes and research projects, however, the single-wheel drive is already presented [4], which receives its completed version with the wheel hub drive [5, 6].
Nachteil der bislang bekannten Radnabenmotoren ist aber deren hohes Gewicht, mindestens wenn sie getriebelos, d. h. drehmomentstark ausgeführt sind. In [6] wird z. B. ein direkter Radnabenantrieb vorgestellt, bei dem die elektrische Maschine zwischen der Radachse und dem Felgenhorn untergebracht ist. Nachteil dieser und auch vieler anderer Topologien ist, dass sich der Motor im Bauraum der Scheibenbremse befindet, was sein Volumen stark begrenzt und was die Maschine beim Bremsvorgang durch die Abwärme der Bremse thermisch stark beansprucht. Zudem ist sein maximal erbringbares Drehmoment wegen der axialen Bauweise und durch geringe Radien relativ niedrig. Sehr nachteilig ist auch, dass die elektrische Maschine beim Bremsscheibenwechsel aufwändig abgebaut werden muss. Hochdrehende Radnabenmaschinen bedürfen eines Planetengetriebes, was deren Kosten erhöht und ihren Wirkungsgrad reduziert. Die bislang bekannten Maschinenkonzepte basieren zudem auf Drehfeldmaschinen und bedürfen von daher als Asynchronmaschine entweder einer Rotorkurzschlusswicklung oder als Synchronmaschine der Permanentmagnete. Die Asynchronmaschine trägt eine kostspielig einzubringende Wicklung im Rotor. Die Permanentmagnete benötigende Synchronmaschine ist aufgrund ihres Materialbedarfs (Seltene Erden etc.) teuer. Allen bislang veröffentlichten Konzepten ist weiterhin gemeinsam, dass Felge und Motor getrennte Systeme sind.However, the disadvantage of the hitherto known wheel hub motors is their high weight, at least when they are gearless, d. H. are designed high torque. In [6] z. B. a direct hub drive presented in which the electric machine is housed between the wheel axle and the rim flange. Disadvantage of this and many other topologies is that the engine is in the space of the disc brake, which greatly limits its volume and which thermally stressed the machine during the braking process by the waste heat of the brake. In addition, its maximum achievable torque is relatively low due to the axial design and low radii. It is also very disadvantageous that the electric machine must be laboriously dismantled when changing the brake disc. High-speed wheel hub machines require a planetary gear, which increases their costs and reduces their efficiency. The previously known machine concepts are also based on induction machines and therefore require as an asynchronous either a rotor short-circuit winding or as a synchronous machine of the permanent magnets. The asynchronous machine carries a costly winding to be introduced in the rotor. The permanent magnet requiring synchronous machine is expensive due to their material requirements (rare earths, etc.). All previously published concepts continue to have in common that the rim and motor are separate systems.
3. Radnaben-/Felgenmaschine auf Basis einer geschalteten Reluktanzmaschine3. wheel hub / rim machine based on a switched reluctance machine
Um die Kosten des gesamten Radnabenantriebes zu minimieren, wird, wie in Bild 1 in drei Ansichten dargestellt, eine geschaltete Reluktanzmaschine als Außenläufer vorgeschlagen. Aus Systemsicht optimal ist zudem eine ein- oder zweiphasige Maschine, die alleinig nicht in allen ihren möglichen Rotorpositionen anlauffähig wäre, was aber bei einem Fahrzeug durch zwei bis vier angetriebene Räder relativiert wird (verteilter Antrieb). Die geringe Phasenzahl der Maschine minimiert die Kosten der Leistungselektronik. Um den gegebenen Bauraum optimal zu nutzen und das Maschinengewicht gleichzeitig zu minimieren, wird der Außenrotor nicht separat sondern auf Basis einer mehrteiligen Felge als sogenannter „Felgenrotor” (vgl. Bild 1) aufgebaut. Hierdurch können der wirksame Maschinendurchmesser und damit die Drehmomentbildung maximiert werden. Bei entsprechender Materialwahl kann die Felge selbst der Rotor sein (Felge weist am Innenrand eine Zahnreihe auf) oder alternativ sind, wie in Bild 2 dargestellt, Bleche zur Feldführung in die Felge eingebracht. Bild 2 zeigt die Verbindung zwischen Blechen und Felge. Auf dem Rotor sind weder eine Wicklung noch Permanentmagnete erforderlich. Er weist stattdessen eine Zahnteilung auf (vgl. Bild 2). Der Stator ist als Blechpaket auf einen von Speichen getragenen Zylinder aufgebracht, der der Bremsanlage ihren bisherigen Bauraum einräumt und einfach am Bremsträger montiert ist (vgl. Bild 3). Er trägt eine ein- oder mehrphasige Wicklung (vgl. Bild 4). Es ergeben sich die folgenden systemischen Vorteile:
Der Rotor wird wie eine „normale” Felge montiert. Im Gegensatz zu [6] bleiben hierdurch Wartungsarbeiten wie z. B. der Bremsscheibenwechsel unbeeinträchtigt.To minimize the cost of the entire wheel hub drive, as shown in Figure 1 in three views, a switched reluctance machine is proposed as external rotor. From a system point of view, a single-phase or two-phase machine, which alone would not be able to start up in all its possible rotor positions, but which is relativised by two to four driven wheels in a vehicle (distributed drive). The low number of phases of the machine minimizes the cost of power electronics. In order to optimally use the given space and to minimize the machine weight at the same time, the outer rotor is not constructed separately but on the basis of a multi-part rim as a so-called "rim rotor" (see Fig. 1). As a result, the effective machine diameter and thus the torque formation can be maximized. With appropriate choice of material, the rim itself may be the rotor (rim has a row of teeth on the inner edge) or alternatively, as shown in Figure 2, plates are introduced for field guidance in the rim. Figure 2 shows the connection between sheet metal and rim. Neither winding nor permanent magnets are required on the rotor. Instead, it has a tooth pitch (see Fig. 2). The stator is mounted as a laminated core on a cylinder carried by spokes, which gives the brake system its previous space and is simply mounted on the brake carrier (see Figure 3). He wears a single or multi-phase winding (see Figure 4). There are the following systemic advantages:
The rotor is mounted like a "normal" rim. In contrast to [6] this will leave maintenance work such. B. the brake disc change unimpaired.
Die Bremsanlage und ihr Bauraum werden nicht verändert. Für die Maschine wird stattdessen der bislang ungenutzte Bauraum zwischen Bremsanlage und Felge beansprucht. Dadurch kann der wirksame Radius der Maschine und damit ihr Drehmoment maximiert werden.The brake system and its installation space are not changed. For the machine instead of the previously unused space between brake system and rim is claimed. This can maximize the effective radius of the machine and therefore its torque.
Rotor und Stator können kostengünstig gestanzt werden.Rotor and stator can be stamped cost-effectively.
Die Maschine weist eine sehr hohe Drehmoment- und Leistungsdichte auf.The machine has a very high torque and power density.
Der Aufwand für die Leistungselektronik ist durch die geringe Phasenzahl minimal.The effort for the power electronics is minimal due to the low number of phases.
4. Literaturverweise4. References
-
[1]
Mitsubishi: Mitsubishi innovative Electric Vehicle – i-MiEV, www.imiev.de, 2009 Mitsubishi: Mitsubishi Innovative Electric Vehicle - i-MiEV, www.imiev.com, 2009 -
[2]
Tesla: Das Model S, www.tesiamotors.com, 2013 Tesla: The Model S, www.tesiamotors.com, 2013 -
[3]
Nissan: Leaf, www.nissan.de, 2012 Nissan: Leaf, www.nissan.com, 2012 -
[4]
A. Lohner: Entwicklung eines elektrischen Allradantriebes für PKW mit integriertem Range Extender, HdT-Fachtagung „Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge”, München, Deutschland, 2013 A. Lohner: Development of an electric all-wheel drive for passenger cars with integrated range extender, HdT symposium "Electric drive technology for hybrid and electric vehicles", Munich, Germany, 2013 -
[5]
Thornton, J.: Reinventing the wheel, Zeitschrift „Electric and Hybrid Vehicle Technology International”, Great Britain, 2013 Thornton, J .: Reinventing the wheel, magazine "Electric and Hybrid Vehicle Technology International", Great Britain, 2013 -
[6]
Sesselmann, H.; Stenzel, M.; Schultz, M.; Schrepel, H.: Radantrieb, Patentschrift, DE 101 20 742 B4, Patentinhaber Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. KG, 2009 Sesselmann, H .; Stenzel, M .; Schultz, M .; Schrepel, H .: Radantrieb, patent specification DE 101 20 742 B4, patent owner Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. KG, 2009
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108749557A (en) * | 2018-07-03 | 2018-11-06 | 王玉琨 | Electric wheel assembly |
CN110461426A (en) * | 2016-11-15 | 2019-11-15 | 康考斯高尔夫私人有限公司 | Electrically driven wheel, transmission and control module, external member, vehicle and system |
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Non-Patent Citations (6)
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CN110461426A (en) * | 2016-11-15 | 2019-11-15 | 康考斯高尔夫私人有限公司 | Electrically driven wheel, transmission and control module, external member, vehicle and system |
CN110461426B (en) * | 2016-11-15 | 2021-08-20 | 康考斯高尔夫私人有限公司 | Electrically driven wheel, transmission and control module, kit, vehicle and system |
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