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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Lenkantriebe, insbesondere Lenkunterstützungsantriebe und Servolenkantriebe für Lenksysteme, insbesondere Maßnahmen zur Erhöhung der Ausfallsicherheit und der Fehlertoleranz.
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Technischer Hintergrund
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In Lenksystemen können Lenkantriebe eingesetzt werden, die einerseits zur Lenkunterstützung andererseits als eine Servolenkung für automatische Lenkvorgänge geeignet sind. Im Falle von Lenkunterstützungsantrieben unterstützt der Lenkantrieb den Fahrer bei einer Lenkbewegung, insbesondere in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit, durch Aufbringen einer Unterstützungskraft bzw. eines Unterstützungsmoments. Dabei wird der Lenkantrieb abhängig von einem aufgebrachten Fahrerhandmoment zur Bereitstellung eines Unterstützungsmoments angesteuert.
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Derartige Lenkantriebe weisen elektrische Maschinen in Form von permanentmagneterregten Synchronmaschinen auf, die in der Regel mehrphasig ausgelegt sind.
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Die Auslegung der Synchronmaschinen erfolgt in der Regel dreiphasig oder mit einer Phasenzahl, die einem Vielfachen von drei entspricht, da weit verbreitete Brückenwechselrichter als Dreiphasensysteme ausgelegt sind. Entsprechend ist es vorteilhaft, dass die Topologie der Synchronmaschine bezüglich der Anzahl der Statorzähne und der Läuferpole eine bestimmte Konfiguration aufweist. Die Anzahl der Statorzähne und die Anzahl der Läuferpole sind dabei so anzupassen, dass mit der vom Wechselrichter gelieferten Phasenlage benachbarter Phasenstränge eine Phasenverschiebung von 120° elektrischer Phasenlage erreicht werden kann. Die einzelnen Statorspulen können dabei unterschiedlich verschaltet werden, beispielsweise parallel oder seriell in Sternschaltung oder in Polygonschaltung.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lenkantrieb mit einer erhöhten Fehlertoleranz und Ausfallsicherheit bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch den Lenkantrieb gemäß Anspruch 1 sowie durch das Lenksystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Elektroantrieb als Stellgeber für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Lenkantrieb, mit einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine vorgesehen, die umfasst:
- – mindestens ein erstes Phasenteilsystem mit Statorspulen an einer Statoranordnung, die in einer Polygonschaltung verschaltet sind;
- – mindestens ein zweites Phasenteilsystem mit Statorspulen an einer Statoranordnung, die in einer Sternschaltung verschaltet sind;
wobei das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Phasenteilsystem mit einem Versatz von 0° elektrischer Winkellage an einem Stator der elektrischen Maschine angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Antriebssystem mit dem obigen Elektroantrieb vorgesehen, wobei das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Phasenteilsystem mit verschiedenen Leistungsteilen zur Ansteuerung der Statorspulen verbunden sind, die über separate Versorgungsnetze zur Bereitstellung elektrischer Energie verbunden sind.
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Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit wird der Lenkantrieb mit separaten Phasenwicklungen versehen, so dass mehrere Phasenteilsysteme gebildet werden, die in verschiedenen Verschaltungen kombiniert werden können. Insbesondere sind die Phasenteilsysteme so angeordnet, dass zwischen ihnen eine Phasenverschiebung bezüglich der elektrischen Läuferlage von 0° besteht. Dadurch unterscheidet sich der Aufbau einer elektrischen Maschine mit einer Anzahl von n Phasenteilsystemen mit m Phasen von einer elektrischen Maschine mit k (= n × m) Phasen, die einen Winkelversatz von ungleich 0 vorsehen, da die Möglichkeit besteht, dass ein n × m-Phasensystem sich immer auf ein m Phasensystem reduzieren lässt, was bei einem reinen m-Phasensystem nicht möglich ist.
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Durch eine redundante Auslegung der elektrischen Maschine mit mehreren Phasenteilsystemen unterschiedlicher Verschaltung kann die Fehlertoleranz und die Ausfallssicherheit des Gesamtsystems gesteigert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Phasenteilsysteme der elektrischen Maschine separat anzusteuern und separat mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Für den Fall eines Antriebssystems mit einer Versorgung des Elektroantriebs aus zwei verschiedenen elektrischen Versorgungsquellen, die beispielsweise über mehrere Bordnetze bzw. Versorgungsnetze eines Kraftfahrzeugs angeschlossen sein können, können zur Anpassung an verschiedene Versorgungsspannungen der Bordnetze unterschiedliche Verschaltungen der Phasenteilsysteme vorgesehen sein. Dazu ist vorgesehen, mindestens eines der Phasenteilsysteme als Sternschaltung und ein weiteres der Phasenteilsysteme in Polygonschaltung zu verschalten.
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Weiterhin können die Statorspulen des mindestens einen ersten und des mindestens einen zweiten Phasenteilsystem jeweils um genau einen Statorzahn gewickelt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Phasenteilsysteme eine Phasenzahl von drei oder größer als drei aufweisen.
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Insbesondere können das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Phasenteilsystem unterschiedliche Phasenzahlen aufweisen.
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Weiterhin kann jede Phase mindestens eines der Phasenteilsysteme mit einer Parallel- und/oder Serienschaltung von mehreren Statorspulen verbunden sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Statorspulen des mindestens einen ersten Phasenteilsystems einen Wicklungsdraht mit einem geringeren Querschnitt aufweisen als die Statorspulen des mindestens einen zweiten Phasenteilsystems.
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Weiterhin kann bei dem Antriebssystem das dem mindestens einen ersten Phasenteilsystem zugeordnete Versorgungsnetz eine höhere Versorgungsspannung aufweisen als das dem mindestens einen zweiten Phasenteilsystem zugeordnete Versorgungsnetz.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit zwei Bordnetzen, die zur Versorgung eines Lenkantriebs verwendet werden;
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2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine für einen Lenkantrieb; und
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3 eine Ersatzschaltbilddarstellung der elektrischen Maschine der 2.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Lenksystem 2 (Antriebssystem), das eine Lenkwelle 21 aufweist, die mit einem Lenkantrieb 3 gekoppelt ist. Der Lenkantrieb 3 kann zur Lenkunterstützung oder zu einem vollständig automatischen Lenken durch das Lenksystem 2 verwendet werden. Bei einer Lenkunterstützung unterstützt der Lenkantrieb 3 den Fahrer bei seiner Lenkbewegung, insbesondere in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Dazu wertet ein Steuergerät 4 entsprechende Sensoren aus und steuert abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem aufgebrachten Lenkmoment den Lenkantrieb 3 an, der durch ein gleichgerichtetes Moment den Fahrer bei seiner Lenkbewegung unterstützt. Alternativ kann der Lenkantrieb 3 auch als Teil einer Servolenkung zur Durchführung einer automatischen Lenkbewegung vorgesehen sein.
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Der Lenkantrieb 3 kann als permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgebildet sein und mindestens zwei separate Phasenteilsysteme 31, 32 aufweisen, die durch separate Leistungsteile 51, 52 angesteuert werden. Die Leistungsteile 51, 52 können in an sich bekannter Weise pro Phase eine H-Brückenschaltung bzw. eine Inverterschaltung aufweisen, um ein von dem Steuergerät 4 vorgegebenes Kommutierungsschema in eine Phasenbestromung für das betreffende Phasenteilsystem 31, 32 umzusetzen.
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Jedes der Leistungsteile 51, 52 ist mit einem separaten Bordnetz 61, 62 als Versorgungsnetz für elektrische Energie gekoppelt. Die voneinander isolierten Bordnetze 61, 62 liefern elektrische Energie von entsprechenden separaten elektrischen Energiespeichern 71, 72, wie z.B. Bordbatterien. Die Bordnetze 61, 62 können für verschiedene Spannungen ausgelegt sein, wie beispielsweise zu 12 Volt und zu 48 Volt.
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Um den Lenkantrieb 3 mit verschiedenen Versorgungsspannungen betreiben zu können, weist dieser mindestens zwei Phasenteilsysteme 31, 32 auf, die voneinander unabhängig sind. Die Phasenteilsysteme 31, 32 werden jeweils mit Statorteilwicklungen gebildet. Jede der Statorteilwicklungen weist Statorspulen 13 auf, die von Statorspulen 13 einer entsprechend anderen Statorteilwicklung galvanisch getrennt sind.
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In 2 ist beispielhaft ein Querschnitt durch eine permanentmagneterregte Synchronmaschine 10 als Beispiel für einen Lenkantrieb dargestellt. Die dort dargestellte elektrische Maschine weist zwölf Statorzähne 11 an einer Statoranordnung und acht Rotorpole 12 auf, wobei die Statorzähne 11 jeweils mit einer Statorspule 13 bewickelt sind, so dass eine Einzelzahnwicklung ausgebildet ist. Die einzelnen Statorspulen 13 werden mit Z1 bis Z12 für die einzelnen Statorzähne 11 bezeichnet.
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Es kann vorgesehen sein, die Statorspulen 13 in mehrere, hier zwei, Gruppen aufzuteilen, die jeweils einem Phasenteilsystem 31, 32 zugeordnet sind. Die Phasenteilsysteme umfassen jeweils zugeordnete Statorspulen, deren Anordnung an der Statoranordnung der elektrischen Maschine und deren Verschaltung, um Phasenanschlüsse für das Anlegen der Phasenansteuerungen durch die Leistungsteile 61, 62 bereitzustellen. Das erste Phasenteilsystem 31 ist dreiphasig und weist die Phasenansteuerungen (Phasenströme) U1, V1, W1 auf, das zweite Phasenteilsystem 32 ist ebenfalls dreiphasig und weist die Phasenansteuerungen U2, V2, W2 auf. Insbesondere können die Statorspulen 13 des ersten Statorteilsystems 31 in Dreiecksschaltung bzw. bei mehr als drei Phasen als Polygonschaltung verschaltet sein, während die Statorspulen 13 des zweiten Phasenteilsystems 32 in Sternschaltung verschaltet sind.
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Bei einer Polygonschaltung sind die Anschlüsse der Statorspulen 13 ringförmig miteinander verbunden, wobei die Verbindungen zwischen den Anschlüssen jeweils zweier Statorspulen 13 einen Phasenanschluss darstellen. Bei einer Sternschaltung sind die Statorspulen jeweils mit einem ihrer Anschlüsse über einen Sternpunkt miteinander elektrisch verbunden während die jeweils anderen Anschlüsse der Statorspulen die Phasenanschlüsse darstellen.
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Die Verschaltungen können in Serien- und/oder Parallelschaltungen der einer Phase zugeordneten Statorspulen 13 eines Phasenteilsystems 31, 32 vorgenommen werden, es können jedoch auch innerhalb eines Phasenteilsystems 31, 32 mehrere voneinander isolierte Sternschaltungen mit separaten Sternpunkten und mehrere voneinander isolierte Polygonschaltungen vorgesehen sein. Insbesondere kann für die dargestellte Ausführungsform die Zuordnung wie folgt erfolgen: Phase U1 = Z1, Z4, Phase V1 = Z2, Z5, Phase W1 = Z3, Z6 und Phase U2 = Z7, Z10, Phase V2 = Z8, Z11 und Phase W2 = Z9, Z12.
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Die jeweils einer Phase zugeordneten Statorspulen 13 können wie oben erwähnt, parallel oder seriell verschaltet sein. Alternativ können die einer Phase eines der Phasenteilsysteme 31, 32 zugeordneten Statorspulen 13 separat in Sternschaltung oder Polygonschaltung verschaltet sein. In 3 ist schematisch eine mögliche Verschaltung der Phasenspulen 13 dargestellt.
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Beide Phasenteilsysteme 31, 32 sind so angeordnet, dass sie eine Phasenverschiebung von 0° elektrischer Phasenlage aufweisen. Das erste Phasenteilsystem 31 kann dem ersten Bordnetz 61 zugeordnet sein, wobei das erste Bordnetz 61 eine höhere Versorgungsspannung von beispielsweise 48 Volt trägt. Das zweite Phasenteilsystem 32 kann dem zweiten Bordnetz 62 zugeordnet sein, wobei das zweite Bordnetz 62 eine niedrige Versorgungsspannung von beispielsweise 12 Volt trägt.
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Insbesondere können die Statorspulen 13 des zweiten Phasenteilsystems 32 mit einer geringeren Windungszahl und einem größeren Querschnitt der Wicklungsdrähte ausgebildet sein, im Vergleich zu den Statorspulen 13 des ersten Phasenteilsystems 31. Insbesondere kann das erste Phasenteilsystem 31 in einer Dreiecks- bzw. Polygonschaltung verschaltet sein, während die Statorspulen 13 des zweiten Phasenteilsystems 32 in einer Sternschaltung verschaltet sind.
