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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, das durch einen Elektromotor angetrieben wird, oder für ein kraftunterstütztes Fahrzeug, bei dem ein Elektromotor als Hilfsmotor zur Muskelkraftunterstützung dient. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Antriebseinheit als alleiniger oder unterstützender Antrieb für Zweiradfahrzeuge.
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Als Hauptantriebe für leichte Zweiradfahrzeuge oder Hilfsantriebe für Fahrräder haben sich mit den Fortschritten der Batterietechnik Elektromotoren etabliert, die im oder am Rad oder an sonstigen Stellen des Antriebsstrangs angebracht sind. Beispielsweise offenbart dazu die
DE 10 2010 037 435 eine Antriebseinheit für Fahrzeuge, insbesondere Fahrräder, bei denen der Elektromotor auf einen mit den Speichen des Fahrrads verbundenen Zahnkranz wirkt.
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Als Elektromotoren für Fahrräder oder andere leichte Kraftfahrzeuge werden bürstenlose Motoren, insbesondere Synchronmotoren, eingesetzt. Diese benötigen an ihren Wicklungen Spannungen bzw. Ströme, die auf den Drehwinkel und die Drehzahl des Motors abgestimmt sind, um ein antreibendes Drehfelds zur Bewegung des permanentmagnetischen Läufers zu erzeugen. Dazu wird eine Ansteuereinheit vorgesehen, die die Wicklungsströme mit der gewünschten Frequenz Phasenlage und Größe bereitstellt. Soll der Synchronmotor aus dem Stillstand heraus unter Last anlaufen, benötigt die Ansteuereinheit Zugriff auf eine am Motor vorgesehene Drehwinkelsensoreinrichtung, um die Wicklungsströme mit passender Größe und Phase bereitstellen zu können. Wird der Synchronmotor hingegen bei größeren Drehzahlen betrieben, kann die Ansteuereinheit die an den Wicklungen auftretenden Induktionsspannungen erfassen und aus diesen auf die erforderlichen Frequenzen, Phasen und Beträge der Wicklungsströme schließen und die Ströme entsprechend bereitstellen.
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Weiter ist es generell beispielsweise aus der
CH 337 927 sowie aus der
AT 119 851 bekannt, Elektromotoren mit einer Fliehkraftkupplung zu versehen. Beim Betrieb am frequenzstarren Versorgungsnetz werden Drehstrommotoren mit Kurzschlussläufer erst kurz vor Erreichen der Betriebsdrehzahl mit der anzutreibenden Maschine gekuppelt. Durch diese Maßnahme wird ein Anlauf des Motors erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht, denn es gibt Fälle, in denen der Motor gar nicht anlaufen würde, wenn er von vornherein mit seiner Belastung gekuppelt wäre.
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Dieses Problem stellt sich bei bürstenlosen Motoren, d.h. Synchronmotoren mit frequenzvariablem Antrieb nicht, denn das von der Ansteuereinheit erzeugte Spannungssystem erzeugt grundsätzlich ein Drehfeld, das der Rotordrehzahl entspricht, wobei durch die Differenz zwischen Drehwinkel des Drehfelds und Drehwinkel des Rotors das Antriebsmoment gesteuert wird. Dazu ist jedoch die Erfassung des aktuellen Rotorwinkels erforderlich, was zumindest bei sehr niedrigen Drehzahlen eine spezielle Drehwinkelsensoreinrichtung erfordert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Konzept für eine einfache und robuste Antriebseinheit mit Synchronmotor anzugeben, die sich für leichte Kraftfahrzeuge, insbesondere für muskelbetriebene, kraftunterstützte Fahrzeuge eignet.
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Diese Aufgabe wird mit der Antriebseinheit nach Anspruch 1 gelöst:
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit umfasst einen zwei- oder mehrphasigen elektrischen Synchronmotor, der über eine Fliehkraftkupplung mit dem nachgeordneten Antriebsstrang verbunden ist, sowie eine Ansteuereinheit zur Bereitstellung von Wicklungsströmen für den Synchronmotor. Die Fliehkraftkupplung trennt den Läufer des Synchronmotors von dem sonstigen Antriebsstrang, wenn die Drehzahl eine Einkuppeldrehzahl unterschreitet. In diesem niedrigen Drehzahlbereich von Drehzahl Null bis zur Einkuppeldrehzahl läuft der Synchronmotor lastfrei oder mit deutlich verminderter Last. Die Ansteuereinheit kann deshalb, um einen Anlauf des Synchronmotors zu ermöglichen, ohne Rücksicht auf die aktuelle Rotorposition Wicklungsströme bereitstellen, die ein Drehfeld mit einer Drehzahl erzeugen, die unterhalb der Einkuppeldrehzahl liegt. Die Drehzahl kann von Null beginnend langsam ansteigen oder auch mit einem niedrigen Wert eingeschaltet werden, der in diesem Bereich liegt. Der lastfreie Rotor kann in diesem Drehfeld einrasten und lastfrei mitlaufen. Diese Einlaufphase kann in Bruchteilen einer Sekunde beendet sein. Die Ansteuereinheit stellt das In-Tritt-fallen des Läufers anhand der an den Wicklungen erzeugten Induktionsspannungen fest. Ist der Synchronmotor angelaufen und läuft er drehfeldsynchron, kann die Drehzahl erhöht werden, bis die Fliehkraftkupplung einkuppelt. Dieses Konzept ermöglicht die Verwendung von sensorlosen Synchronmotoren auch bei solchen Fahrzeugen, bei denen der an den Synchronmotor anzuschließende Antriebsstrang keine sonstigen Kupplungen oder dergleichen aufweist. Insbesondere ermöglicht das Konzept das Anfahren solcher Fahrzeuge mit reiner Motorkraft ohne Muskelunterstützung, was besonders dem sportlichen, insbesondere dem geländesportlichen Einsatz solcher Fahrzeuge, insbesondere Zweiradfahrzeuge, entgegenkommt.
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Vorzugsweise bilden die Fliehkraftkupplung und der Außenläufermotor eine Baueinheit, die anstelle eines kupplungslosen Motors einzusetzen ist. Die Abtriebswelle der Fliehkraftkupplung entspricht der Abtriebswelle eines kupplungslosen Motors.
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Eine weitere Ausprägung des erfindungsgemäßen Konzepts ist das Verfahren zum Betrieb des Synchronmotors zum Antreiben eines Fahrzeugs, wonach der Synchronmotor bei Drehzahlen unterhalb der Einkuppeldrehzahl mit einer gegebenen konstanten oder sich ändernden Frequenz ohne Rücksicht auf die aktuelle Position des Läufers betrieben wird. Dieser Betrieb wird ungeregelter Betrieb genannt, weil Frequenz und Phase der Wicklungsströme nicht auf die Rotorposition abgestimmt sind. Ist der Läufer jedoch in Tritt gefallen, d.h. synchronisiert, wird die Frequenz der Wicklungsströme (weiter) erhöht, bis die Induktionsspannungen an der Wicklung zur Drehwinkelerfassung ausreichen. Durch die erfassten Winkelpositionen können die Phasenströme in Phase und Frequenz so reguliert werden, dass das Statorfeld einen gewünschten Vor- oder Nacheilwinkel zum Rotorfeld hat und so das gewünschte Antriebs- oder Bremsmoment erzeugt wird. Dieser Betrieb heißt geregelter oder kontrollierter Betrieb. in diesem überwacht die Ansteuereinheit die Rotorposition anhand der an den Wicklungen auftretenden Induktionsspannungen und führt die Wicklungsströme so, dass der gewünschte Lastwinkel eingehalten bzw. erreicht wird. Der Lastwinkel ist dabei der Winkel zwischen dem Rotorfeld und der Statorfeld. Im geregelten Betrieb wird der Lastwinkel und mit diesem die Drehmomentabgabe des Synchronmotors geregelt.
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Ist der Synchronmotor in geregeltem Betrieb, und steigt die Drehzahl weiter, wird die Einkuppeldrehzahl nk erreicht und überschritten. Dadurch kuppelt die Fliehkraftkupplung ein und der Synchronmotor wird mit der Last verbunden.
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Unterhalb der Einkuppeldrehzahl nk wird der Synchronmotor zunächst ungeregelt in Drehung gebracht, um dann spätestens beim Einkuppeln in geregeltem Betrieb weiter betrieben zu werden.
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Dieses Konzept ermöglicht die Verwendung sensorloser Motoren sowie einer einfachen Ansteuerelektronik. Vorzugsweise weist der Synchronmoor einen Stator mit einem weichmagnetischen Kern und darauf angeordneten Spulen sowie einen Läufer auf, der den Stator umgibt und mindestens einen, vorzugsweise mehrere Permanentmagnete aufweist. Der Motor ist vorzugsweise als Außenläufer, insbesondere vorzugsweise als zylindrischer Außenläufermotor aufgebaut.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform des Außenläufermotors kann zwischen der Außenfläche des Läufers und der Innenfläche einer Kupplungstrommel ein Ringraum ausgebildet sein, in dem ein oder mehrere Fliehgewichte radial beweglich gelagert und mit dem Läufer drehfest verbunden sind. Vorzugsweise ist der Ringraum ein zylindrischer Ringraum, dessen axiale Erstreckung größer ist als eine radiale Wiete. Dadurch werden Kippbewegungen der Fliehgewichte minimiert und die Führung der Fliehgewichte in radialen Kanälen des Läufers vereinfacht.
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Ebenso ist vorzugsweise das Radialspiel der Fliehgewichte geringer als deren radiale Dicke. Auch dies trägt zur Ermöglichung möglichst einfacher Führungen für die Fliehgewichte bei.
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Vorzugsweise sind die Fliehgewichte radial frei beweglich, d.h. sie sind in dem Ringraum mit Spiel und ohne Federvorspannung gelagert. Die Fliehkraftkupplung ist somit vorzugsweise frei von Federmitteln.
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Die zu der Antriebseinheit gehörige Positionserkennungsschaltung erfasst die aktuelle Rotorposition vorzugsweise auf Basis der von den Wicklungen des Stators erzeugten Gegenspannungen (Induktionsspannungen). Die Spulen der Wicklung dienen zugleich der Drehfelderzeugung. Vorzugsweise sind an dem Motor keine sonstigen Positionserfassungsmittel, insbesondere keine Positionssensoren, Drehzahlsensoren, Sensorspulen oder dergleichen vorgesehen.
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Die Positionserfassung anhand der von den Statorwicklungen erzeugten Gegenspannungen erfordert eine Mindestdrehzahl. Vorzugsweise ist die Einkuppeldrehzahl der Fliehkraftkupplung so festgelegt, dass sie größer, vorzugsweise deutlich größer ist als die Mindestdrehzahl. Die Einkuppeldrehzahl ist diejenige Drehzahl, bei der die Fliehkraftkupplung bei Nennlastübertragung schlupffrei arbeitet. Der Begriff „deutlich größer“ bedeutet, dass die Einkuppeldrehzahl so und der Einkuppelverlauf so gewählt sind, dass das vor Erreichen der Mindestdrehzahl bei ungeregeltem Betrieb des Synchronmotors von der Fliehkraftkupplung übertragene Drehmoment kein Außer-Tritt-Fallen des Synchronmotors bewirken kann.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und der Beschreibung. Es zeigen:
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1 und 2 Zweiradfahrzeuge mit elektrischem Zusatz- oder Hauptantrieb, in schematischer Darstellung,
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3 Die Motor-Kupplungs-Einheit der Antriebseinheit, in Vorderansicht,
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4 die Motor-Kupplungs-Einheit nach 3, im Längsschnitt,
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5 die Motor-Kupplungs-Einheit nach 3 und 4, in Explosionsdarstellung,
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6 die zur Antriebseinheit gehörige Ansteuereinheit in schematischer Darstellung und
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7 ein Betriebsdiagramm der Antriebseinheit.
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In 1 ist ein Zweiradfahrzeug 10 schematisch veranschaulicht. Es kann als Leichtkraftrad (2 Zweiradfahrzeug 10‘) oder als Fahrrad mit Hilfsmotor ausgebildet sein. Es weist eine Antriebseinheit 11 auf, zu der ein elektrischer Synchronmotor 12 und eine Ansteuereinheit 13 gehören. Letztere dient dazu, den Synchronmotor 12 mit beispielsweise aus einer Batterie 14 entnommenem Strom zu versorgen. Der Synchronmotor 12 und die Ansteuereinheit 13 bilden dabei zusammen einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
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Die Ansteuereinheit 13 stellt ein mindestens zweiphasiges Spannungssystem bereit, das in dem Synchronmotor 12 ein Drehfeld erzeugt, das dessen permanentmagnetischen Rotor 15 in Drehung versetzt. Der Aufbau des Synchronmotors 12 geht aus den 3 bis 5 hervor. Der Rotor 15 weist eine Anzahl Permanentmagnete 16 auf, die einen drehbar gelagerten Ring bilden, der den Stator 17 umgibt. Der Stator 17 weist eine Anzahl von Schenkeln 18 auf, die Spulen 19 tragen, die mit der Ansteuereinheit 13 verbunden sind. Die Schenkel 18 bilden insgesamt einen zylindrischen Außenumfang, auf dem durch die Ansteuerung der Wicklung, d.h. der Spulen 19, wandernde Magnetpole erzeugt werden, die die Permanentmagnete 16 mitnehmen, um den Rotor 15 in Drehung zu versetzen.
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Der Rotor 15 weist eine zylindrische Außenfläche 20 auf, die insbesondere aus 5 ersichtlich ist. Wie 4 zeigt, bildet sie mit der ebenfalls zylindrischen Innenfläche 21 einer hohlzylindrischen Kupplungstrommel 22, einen Ringspalt 23, in dem Fliehgewichte 24 angeordnet sind. Diese sind in dem Ringspalt 23 radial beweglich. Mit dem Rotor 15 sind sie drehfest gekuppelt. Dazu können sie, wie aus 5 ersichtlich, radial orientierte Kupplungsfortsätze 25 aufweisen, die zwischen Speichen 26 des Rotors 15 greifen. Jeweils zwischen zwei Speichen 26 ist ein Freiraum oder Kanal zur Aufnahme des Kupplungsfortsatzes 25 vorgesehen. Die Kupplungsfortsätze 25 können, wie dargestellt, in Axialansicht trapezförmig ausgebildet sein. Damit können die Speichen 26 gerade und mit im Wesentlichen gleich bleibender Dicke ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, anstelle der Speichen 26 eine Scheibe vorzusehen, in der Kanäle beispielsweise gleichbleibender Breite ausgebildet sind. Die Fortsätze 25 können in diesem Fall in Draufsicht etwa rechteckig ausgebildet sein. Auch andere Möglichkeiten der drehfesten Verbindung zwischen den Fliehgewichten 24 und dem Rotor 15 bei gleichzeitiger radialer Beweglichkeit der Fliehgewichte 24 sind möglich. Die dargestellte Konfiguration mit trapezförmigen Kupplungsfortsätzen wird jedoch wegen ihrer Robustheit und Einfachheit bevorzugt.
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Die Kupplungstrommel umgibt den Stator 17 und den Rotor 15 konzentrisch unter Ausbildung des Ringspalts 23. Die Kupplungstrommel 22 ist mit einer Abtriebswelle 27 verbunden, die sich vorzugsweise durch den Stator 17 und den gleichfalls drehbar gelagerten Rotor 15 erstreckt.
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Der Synchronmotor 12 ist ein mindestens zweipoliger, vorzugsweiser mehrpoliger Motor. In 6 ist er als zweipoliger Motor dargestellt, der von zwei phasenversetzten Strömen i1, i2 gespeist wird. An seinen entsprechenden Spulen stehen dabei die Induktionsspannungen u1 und u2 an. Zur Lieferung der Phasenstrome i1 und i2 sind wie üblich Schaltregler eingesetzt, die aus der Batteriespannung Speiseströme für die Wicklung ableiten. Dazu dienen beispielsweise Vollbrückenwechselrichter ggfs. in Kombination mit Stromglättungsdrosseln. Die Ansteuerung der Stromquellen, d.h. letztendlich die Ansteuerung der Vollbrückenwechselrichter erfolgt durch einen Controller 27, beispielsweise anhand eines Vorgabesignals. Dieses kann durch einen Steuerleitung 28 von einem Antriebsbedarfssensor herkommen. Dieser kann beispielsweise durch einen Handhebel, einen Drehgriff, durch einen Tretkraftsensor oder dergleichen, gebildet sein.
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Die Erzeugung der Phasenströme i1, i2 wird so vorgenommen, dass der von der Wicklung 19 erzeugte magnetische Raumzeiger einen Phasenvoreilung (oder beim Bremsen eine Phasennacheilung) zu dem von dem Rotor 15 bzw. einen Permanentmagneten 16 erzeugten Raumzeiger hat. Die Größe des Voreilungswinkels (oder des Nacheilungswinkels) bestimmt die Größe des Antriebsmoments (oder des Bremsmoments).
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Um die Phasenströme i1, i2 in der gewünschten zur Erzeugung des Raumzeigers erforderlichen Phasenlage bereitstellen zu können, weist die Ansteuereinheit 13 eine Positionserkennungsschaltung 29 auf. Diese erfasst die Induktionsspannungen u1, u2 an der Wicklung 19 des Stators 17 und ermittelt daraus die Drehzahl und/oder Drehposition, insbesondere den aktuellen Drehwinkel des Rotors 15. Dieser wird an dem Controller 27 geliefert, damit dieser die Phasenströme i1, i2 mit der gewünschten Phasenvoreilung oder Phasennacheilung des erzeugten Raumzeigers bereitstellen kann. Dieser Betrieb ist der normale geregelte Betreib des Synchronmotors 12, der jedoch die Einhaltung einer Mindestdrehzahl n0 erfordert, ab der die Induktionsspannungen u1, u2 in ausreichender Größe vorhanden sind. Unterhalb dieser Mindestdrehzahl n0 ist geregelter Betrieb nicht möglich. Bei solchen niedrigen Drehzahlen, bei denen die zur Drehpositionserfassung mindestens notwendige Induktionsspannung umin unterschritten ist, wird der Synchronmotor 12 ungeregelt betrieben. Der Controller 27 steuert die Stromquellen 30, 31 dann so an, dass ein Drehfeld mit einer unterhalb der Mindestdrehzahl n0 liegenden Drehzahl entsteht.
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Die Fliehgewichte 24 bilden zusammen mit der Kupplungstrommel 22 eine Fliehkraftkupplung 32, über die die Abtriebswelle 27 mit dem Rotor 15 verbunden ist. Die Fliehkraftkupplung 32 ist so bemessen, dass ihre Einkuppeldrehzahl nk oberhalb der Mindestdrehzahl n0 liegt. Damit liegen die bei Erreichen der Einkuppeldrehzahl nk erreichten Induktionsspannungen u1, u2 oberhalb der Mindestspannung umin, so dass schon vor dem Erreichen der Einkuppeldrehzahl nk oder spätestens bei dieser in geregelten Betrieb übergegangen werden kann.
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Die insoweit beschriebene Antriebseinheit 11 arbeitet wie folgt:
Wird die Antriebseinheit 10 in Betrieb genommen, gibt der Controller 27 zunächst Steuerbefehle an die Stromquellen 30, 31, um den Synchronmotor 12 mit niedriger Drehzahl unterhalb der Einkuppeldrehzahl nk anlaufen zu lassen. Dazu kann der Controller 27 entweder eine Drehzahlrampe vorgeben oder zunächst eine feste niedrige Drehzahl vorgeben und von dieser ausgehend die Drehzahl allmählich erhöhen. Der Synchronmotor 12 ist von der Abtriebswelle 27 noch abgekuppelt und deswegen lastfrei. Er fällt mit dem vorgegebenen Drehfeld in Tritt und läuft synchron. Mit der Erhöhung der Drehzahl über die Mindestdrehzahl n0 kann die Ansteuereinheit 13 bei noch lastfreiem Motor in geregelten Betrieb übergehen, d.h. das Drehfeld mit Rücksicht auf die aktuelle Rotorposition bereitstellen. Sobald die Mindestspannung umin überschritten ist, arbeitet die Positionserkennungsschaltung 29 korrekt und liefert gültige Positionssignale an den Controller 27. Kommt über die Steuerleitung 28 nun eine Drehmomentanforderung, erhöht der Controller 27 die Frequenz der Phasenströme i1, i2 und somit die Motordrehzahl über den Wert nk hinaus, wodurch die Fliehkraftkupplung 32 einkuppelt und somit den Synchronmotor 12 drehfest mit dem Antriebsstrang des Fahrzeugs 10 verbindet. Dies ist unabhängig von der konkreten Ausbildung des Antriebsstrangs, ob dieser als Radnabenmotor, als auf einem Zahnkranz 33 reitender Motor, als Motor mit Kettentrieb 34 (2) oder anderweitig ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit weist einen sensorlosen elektrischen bürstenlosen Motor mit integrierter Fliehkraftkupplung auf. Die Fliehkraftkupplung ermöglicht den ungeregelten Anlauf des Motors, der erst ab einer Mindestdrehzahl n
k mit dem Antriebstrang des Fahrzeugs verbunden wird. Bezugszeichenliste:
| 10 | Fahrzeug |
| 11 | Antriebseinheit |
| 12 | Synchronmotor |
| 13 | Ansteuereinheit |
| 14 | Batterie |
| 15 | Rotor |
| 16 | Permanentmagnete |
| 17 | Stator |
| 18 | Schenkel |
| 19 | Wicklungen |
| 20 | Außenfläche des Rotors 15 |
| 21 | Innenfläche der Kupplungstrommel 22 |
| 22 | Kupplungstrommel |
| 23 | Ringspalt |
| 24 | Fliehgewichte |
| 25 | Kupplungsfortsätze |
| 26 | Speichen |
| i1 i2 | Phasenströme |
| u1 u2 | Induktionsspannungen |
| 27 | Controller |
| 28 | Steuerleitung |
| 29 | Positionserkennungsschaltung |
| n0 | Mindestdrehzahl |
| umin | Mindestspannung |
| 30, 31 | Stromquellen |
| nk | Einkuppeldrehzahl |
| 32 | Fliehkraftkupplung |
| 33 | Zahnkranz |
| 34 | Kettentrieb |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010037435 [0002]
- CH 337927 [0004]
- AT 119851 [0004]
