DE102014224072A1 - Lenkung mit einem fremderregten Elektromotor und Fremderregungsverfahren - Google Patents

Lenkung mit einem fremderregten Elektromotor und Fremderregungsverfahren Download PDF

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Jörg Bunzendahl
Timo Dobberphul
Marcus Fritzsche
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkung mit einem fremderregten Elektromotor für ein Fahrzeug bzw. ein Verfahren zur Fremderregung eines solchen Elektromotors. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, dass Rotor (2) und Stator des Elektromotors unabhängig von einander betrieben sind. Der Rotor ist mit einem flexiblen elektrischen Verbindungsmittel (1) derart verbunden, dass ein Erregerstroms zur Fremderregung des Elektromotors über das Verbindungsmittel (1) an den Rotor (2) geleitet werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lenkung mit einem fremderregten Elektromotor für ein Fahrzeug bzw. ein Verfahren zur Fremderregung eines solchen Elektromotors.
  • In einem elektromechanischen Hilfskraftlenkungssystem wird die Lenkunterstützung von einem Elektromotor generiert. Häufig wird dafür ein permanenterregter Synchronmotor verwendet, bei dem im Rotor des Elektromotors Permanentmagnete verbaut sind. Diese Permanentmagnete verursachen hohe Kosten, weil das Magnetmaterial immer teurer wird. Zum anderen ist das Magnetfeld konstant und kann deshalb nicht reguliert werden, was zu einem Rastmoment (Cogging Torque) beim Durchdrehen führen kann. Darüber hinaus hat eine permanenterregte Synchronmaschine andere Nachteile, wie z.B. einen schlechten Wirkungsgrad bzw. einen erhöhten Energieverbrauch bei hohen Drehzahlen, sowie haptische Unstetigkeiten und eine schlechte Beherrschbarkeit im unbestromten Zustand eines z.B. im Fehlerfall abgeschalteten Lenksystems, die aufgrund der induzierten Ströme bei Lenkbewegungen und des dadurch entstehenden Gegenmoments vorkommen können.
  • Im Stand der Technik wird auf diese Verwendung eines Asynchronmotors hingewiesen. Der kann die geforderte Genauigkeit in Bezug auf ein Stellmoment und einen Stellwinkel der Servolenkung jedoch nicht erfüllen, weil er nur mit einem Phasenversatz betrieben werden kann.
  • Alternativ kann ein fremderregter Synchronmotor anstatt eines permanenterregten Synchronmotors Anwendung finden. Bei einem fremderregten Motor wird der Erregerstrom von einer unabhängigen Spannungsquelle geliefert, wobei "Unabhängig" einen zeitlichen Verlauf des Spulenstroms bedeutet, nicht aber unbedingt einen Anschluss an zwei unterschiedliche externe Stromquellen. Ein derartiger fremderregter Synchronmotor wird erregt, indem ein magnetisches Rotorfeld durch den Erregerstrom über eine Rotorspule und die Schleifringe bzw. Bürsten erzeugt wird. Die Schleifringe oder die Bürsten verschleißen mit der Zeit und erfüllen dann nicht mehr die Anforderungen an die Lebensdauer. Zwar bietet der fremderregte Synchronmotor einen hohen Wirkungsgrad über nahezu alle Betriebszustände, da durch die Erregerstromregelung die Gegeninduktivität reduziert werden kann, variiert aber ein Übergangswiederstand sehr stark, so dass das Verhalten des Synchronmotors nicht mehr genau berechnet werden kann. Somit genügt dieser Synchronmotor nicht den hohen haptischen Ansprüchen an Lenksysteme für Fahrzeuge.
  • DE 10 2006 003 692 B3 betrifft eine Wickelfeder für die Signalübertragung einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs. Die Wickelfeder weist einen Stillteil und einen demgegenüber bezüglich einer Rotorachse drehbaren Drehteil auf.
  • EP 2 169 781 A1 beschreibt eine Wickelfederkassette, wobei die Wickelfederkassette ebenfalls einen beweglichen Bauteil und einen feststehenden Bauteil umfasst, die durch ein dickes Flachbandkabel elektrisch verbunden sind. Auf diese Weise kann die Stromversorgung von elektrischen Verbrauchern mit hoher Stromaufnahme in einem Fahrzeuglenkrad sichergestellt werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Lenkung eines Fahrzeugs mit einem fremderregten Elektromotor zu optimieren, damit der Elektromotor einen besseren Wirkungsgrad aufweist und ausfallsicher betrieben werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. durch die Merkmale des Patentanspruchs 7 gelöst.
  • Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein flexibles elektrisches Verbindungsmittel, z.B. eine Wickelfeder, als eine Übertragungseinrichtung zwischen einem Steuergerät und dem Rotor des Elektromotors zu gestalten. Durch eine Wickelfeder wird eine sichere elektrische Verbindung dauerhaft gewährleistet. Außerdem findet bei einem Lenksystem über 80% der Betriebszeit in der Mittelposition mit minimalen Bewegungen statt. Der gesamte Hub wird nur selten bei Ein- oder Ausparken durchlaufen. So kann die Wickelfeder mit deren Eigenschaft auf eine bestimmte Stellung hin optimiert werden. Daher ist die erfindungsgemäße Lenkung einfach und kostengünstig herstellbar.
  • Bei einem fremderregten Elektromotor erfindungsgemäß für eine Fahrzeuglenkung können Rotor und Stator unabhängig von einander betrieben werden. Um den Rotor und den Stator des Elektromotors unabhängig von einander zu treiben, wird der Stromverlauf in einer Rotorspule und einer Statorspule zeitlich unabhängig gesetzt. Dafür kann der Rotor und der Stator entweder von derselben Spannungsquelle oder jeweils von unterschiedlichen Spannungsquellen betrieben werden. Der Rotor wird mit einem Steuergerät derart verbunden, dass ein Erregerstroms zur Fremderregung des Elektromotors über ein flexibles elektrisches Verbindungsmittel an den Rotor geleitet werden kann. Dabei kann z.B. eine Rotorspule, die als Erregerspule dient, mit dem Verbindungsmittel fest verdrahtet wird.
  • Da ein fremderregter Elektromotor, der mit einem oben genannten Verbindungsmittel aufgebaut ist, keine Bürsten oder Schleifringe umfasst, wird anstelle von Permanentmagneten, die am Stator eines herkömmlichen Elektromotors befestigt ist, ein Magnetfeld durch den Erregerstrom über die Rotorspule generiert. Aufgrund des konstanten definierten Übergangswiderstands der Erregerspule wird eine hohe Stellgenauigkeit sichergestellt und die hohen haptischen und akustischen Anforderungen an eine Fahrzeuglenkung erfüllt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das flexible elektrische Verbindungsmittel so ausgelegt, dass es eine angemessene Anzahl von Umdrehungen des Elektromotors, insbesondere die maximale Umdrehungszahl, im Betrieb einer Fahrzeuglenkung sicherstellen kann. Wenn eine Lenkung z.B. ein kleines Übersetzungsverhältnis von 8 Umdrehungen des Elektromotors zu einer Lenkradumdrehung aufschiebt, muss das Verbindungsmittel z.B. auf 24 Umdrehungen hin ausgelegt sein. Dafür kann das Verbindungsmittel z.B. in einer Form einer Wickelfeder, einer Energieführungskette oder eines flexiblen Kabels gestaltet werden.
  • Ferner wird ein Verfahren zur Fremderregung eines Elektromotors für eine Lenkung eines Fahrzeugs angegeben, bei dem der Rotor und der Stator des Elektromotors unabhängig von einander betrieben werden, und der Rotor mit einem flexiblen elektrischen Verbindungsmittel derart verbunden wird, dass ein Erregerstroms zur Fremderregung des Elektromotors über das Verbindungsmittel an den Rotor geleitet werden kann.
  • Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1. eine schematische Darstellung eines Rotors eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem als Wickelfeder ausgebildeten flexiblen elektrischen Verbindungsmittel,
  • 2. eine schematische Darstellung eines Rotors eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem als Energieführungskette ausgebildeten flexiblen elektrischen Verbindungsmittel.
  • 3. eine schematische Darstellung eines Rotors eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem als flexibles Kabel ausgebildeten flexiblen elektrischen Verbindungsmittel.
  • In dieser 1 wird beispielhaft ein Rotor 2 eines Elektromotors, der für eine Lenkung eines Fahrzeugs vorgesehen ist, gezeigt. Dieser Rotor 2 wird mit einem flexiblen elektrischen Verbindungsmittel 1, nämlich einer Wickelfeder sowohl elektrisch als auch mechanisch verbunden, wodurch ein Erregerstrom zur Fremderregung des Elektromotors über die Wickelfeder an den Rotor 2 geleitet werden kann. Außerdem kann als flexibles elektrisches Verbindungselement anstatt der Wickelfeder, wie in der 2 dargestellt, eine Energieführungskette oder, wie in der 3 dargestellt, ein flexibles Kabel verwendet werden. Weiterhin wird ein anderes Ende das flexible elektrische Verbindungsmittel 1 mit einem Steuergerät 3 verbunden, welches den Erregerstrom und somit den Rotor 2 steuern kann. Die Länge des Verbindungsmittels 1 wird vorzugsweise so definiert, dass sie die maximal auftretende Umdrehungszahl des Elektromotors im Betrieb der Lenkung sicher gewährleisten kann.
  • Dadurch, dass der Rotor eines Elektromotors mittels eines flexiblen elektrischen Verbindungsmittels 1, insbesondere mit einer Wickelfeder elektrisch und mechanisch verbunden wird, wird ein fremderregbarer Elektromotor geschaffen, der kostengünstig herstellbar ist, einen hohen Wirkungsgrad aufweist, eine belastungsunabhängige stabile Motordrehzahl sicherstellt und sich für eine Lenkung eines Fahrzeugs gut eignet. Die Servolenkung-Performance wird durch haptische Einflüsse durch ein permanentes Magnetfeld und dadurch entstehende Rastmomente nicht beeinträchtigt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006003692 B3 [0005]
    • EP 2169781 A1 [0006]

Claims (8)

  1. Lenkung für ein Fahrzeug mit einem fremderregten Elektromotor, wobei der Rotor (2) und der Stator des Elektromotors unabhängig von einander betrieben sind, dadurch gekennzeichnet dass, der Rotor (2) mit einem flexiblen elektrischen Verbindungsmittel (1) derart verbunden ist, dass ein Erregerstroms zur Fremderregung des Elektromotors über das Verbindungsmittel (1) an den Rotor (2) geleitet werden kann.
  2. Lenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (1) mit einem elektronischen Steuergerät (3) verbunden ist.
  3. Lenkung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung des Verbindungsmittels (1) die maximale Umdrehungszahl des Elektromotors bestimmt.
  4. Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (1) eine Wickelfeder ist.
  5. Lenkung nach dem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (1) eine Energieführungskette ist.
  6. Lenkung nach dem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (1) ein flexibles Kabel ist.
  7. Verfahren zur Fremderregung eines Elektromotors für eine Lenkung für ein Fahrzeug, bei dem der Rotor (2) und der Stator des Elektromotors unabhängig von einander betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) mit einem flexiblen elektrischen Verbindungsmittel (1) derart verbunden wird, dass ein Erregerstroms zur Fremderregung des Elektromotors über das Verbindungsmittel (1) an den Rotor (2) geleitet werden kann.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (1) mit einem elektronischen Steuergerät (3) verbunden wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102006003692B3 (de) 2006-01-26 2007-08-16 Tyco Electronics Amp Gmbh Wickelfeder
EP2169781A1 (de) 2008-09-24 2010-03-31 SUMIDA flexible connections GmbH Wickelfederkassette
DE102013111774A1 (de) * 2013-10-25 2015-04-30 Zf Lenksysteme Gmbh Elektrischer servomotor für ein lenksystem

Patent Citations (3)

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