DE102019204035A1

DE102019204035A1 - Brems- oder Lenksystem mit redundanten Komponenten

Info

Publication number: DE102019204035A1
Application number: DE102019204035.7A
Authority: DE
Inventors: Ralf Leiter; Axel Künkel
Original assignee: Mando Corp
Current assignee: HL Mando Corp
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-10-01
Also published as: US20220166292A1; WO2020197089A1; KR20210149742A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bremssystem, das Folgendes aufweist:einen Aktuator (6, 7) undeine Elektromotoranordnung (10), umfassend:- eine drehbar gelagerte Welle (12) zum Antreiben des Aktuators (6, 7),- ein erstes Bürstenpaar (14),- ein zweites Bürstenpaar (16),- eine auf der Welle angeordnete Kommutatoranordnung (21, 22, 24), wobei die Kommutatoranordnung in Kontakt mit dem ersten Bürstenpaar (14) und dem zweiten Bürstenpaar (16) ist,- eine mit der Kommutatoranordnung (21, 22, 24) elektrisch verbundene Spulenanordnung (30), und- mindestens einen mit der Spulenanordnung (30) zusammenwirkenden Permanentmagneten zum Bereitstellen einer Drehbewegung der Welle (12), wenn die Spulenanordnung (30) mit Energie beaufschlagt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brems- oder Lenksystem, welches einen Aktuator und eine Elektromotoranordnung mit mindestens zwei redundanten Komponenten umfasst.
Mit einem Brake-by-Wire-System kann Hydraulik überflüssig gemacht werden, indem Motoren eingesetzt werden, um Bremssättel zu betätigen, im Gegensatz zu bestehender Technologie, bei der das System so konzipiert ist, dass Bremsleistung durch den Aufbau eines Hydraulikdrucks in Bremsleitungen ermöglicht wird. Elektrische Parkbremsen können beispielsweise in Personenkraftwagen zum Einsatz kommen, um das Fahrzeug bei Gefällen und ebenen Straßen festzuhalten. Bei elektrischen Parkbremsen aktiviert der Fahrer einen Haltemechanismus mit einem Knopf und die Bremsbeläge werden dann elektrisch an die Bremsen angelegt. Dies wird üblicherweise über eine Steuervorrichtung und einen Aktuatormechanismus erreicht. Es bestehen verschiedene Aktuatormechanismen, die aktuell hergestellt werden, beispielsweise Kabelzugsysteme und sattelintegrierte Systeme. Anstelle von oder zusätzlich zu hydraulischen Bremsen werden hydraulische Bremsen auch immer häufiger eingesetzt, um das Fahrzeug zu bremsen (verlangsamen) und für regeneratives Bremsen.
Es besteht ein anhaltender Bedarf, die Betriebssicherheit elektrisch betätigter/unterstützter Bremsen zu verbessern.
Ein Steer-by-Wire-System kann in einem Fahrzeug eine Lenksteuerung bereitstellen, bei der zwischen dem Lenkrad und den Rädern des Fahrzeugs weniger mechanische Komponenten/Verbindungen vorhanden sind. Die Steuerung der Richtung der Räder kann durch mindestens einen Elektromotor erfolgen, welcher mithilfe einer elektronischen Steuereinheit zur Überwachung auf Lenkradeingaben durch den Fahrer betätigt werden kann.
Bei elektrischen Servolenkungen oder motorgetriebenen Lenkkraftsystemen kommt ein Elektromotor zum Einsatz, um den Fahrer beim Lenken eines Fahrzeugs zu unterstützen. Sensoren erfassen die Position und das Drehmoment der Lenksäule und eine elektronische Steuereinheit legt über den Motor, der entweder mit dem Lenkgetriebe oder der Lenksäule verbunden ist, ein Hilfsdrehmoment an. Dies ermöglicht das Anlegen verschiedener Mengen von Lenkkraft je nach Fahrbedingung.
Es besteht ein anhaltender Bedarf, die Betriebssicherheit elektrisch betätigter/unterstützter Lenksysteme zu verbessern.
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Sicherheit von Brems- und Lenksystemen weiter zu verbessern.
Ferner kann eine Verringerung des Verschleißes von Komponenten in solchen Systemen vorteilhaft sein.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System bereitzustellen, das eine Anzahl von redundanten Komponenten aufweist, welche im Fall eines Ausfalls für nichtfunktionierende Komponenten übernehmen oder sie ersetzen können.
Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um mindestens eines der obengenannten Aufgaben zu lösen.
Die Erfindung wird durch das Bremssystem nach Anspruch 1 definiert. Weitere Entwicklungen und Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung erläutert.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Bremssystem oder ein Lenksystem bereitgestellt, welches einen Aktuator und eine Elektromotoranordnung aufweist. Die Elektromotoranordnung umfasst:

- eine drehbar gelagerte Welle zum Antreiben des Aktuators,
- ein erstes Bürstenpaar,
- ein zweites Bürstenpaar,
- eine auf der Welle angeordnete Kommutatoranordnung, wobei die Kommutatoranordnung in Kontakt mit dem ersten Bürstenpaar und dem zweiten Bürstenpaar ist,
- eine mit der Kommutatoranordnung elektrisch verbundene Spulenanordnung, und
- mindestens einen mit der Spulenanordnung zusammenwirkenden Permanentmagneten zum Bereitstellen einer Drehbewegung der Welle, wenn die Spulenbaugruppe mit Energie beaufschlagt wird.

Da die Kommutatoranordnung sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten Bürstenpaar elektrisch verbunden ist, weist die Elektromotoranordnung ein redundantes Bürstenpaar auf. Wenn daher vom ersten und zweiten Bürstenpaar eines ausfällt, kann das andere dessen Funktion übernehmen und der Spulenanordnung weiterhin einen elektrischen Strom bereitstellen. Die Elektromotoranordnung wird in Kombination mit einem Aktuator eines Bremssystems oder eines Lenksystems eines Fahrzeugs verwendet, bei denen ein besonders sicherer Betrieb erforderlich ist.
Die Spulenanordnung kann eine Vielzahl von Spulen, beispielsweise mindestens 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder noch mehr, aufweisen. Die Spulen können entlang des Umfangs der Welle und vorzugsweise an derselben axialen Position in Bezug auf die Welle angeordnet sein. In manchen Fällen kann die Spulenanordnung drehfest mit der Welle verbunden sein. Beispielsweise können die Spulen entlang des Umfangs der Welle angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Elektromotoranordnung eine erste Steuervorrichtung, die elektrisch mit dem ersten Bürstenpaar verbunden ist, um das erste Bürstenpaar mit Energie zu beaufschlagen. Alternativ oder zusätzlich ist die erste Steuervorrichtung elektrisch mit dem zweiten Bürstenpaar verbunden, um das zweite Bürstenpaar mit Energie zu beaufschlagen. Ein Beaufschlagen einer Komponente mit Energie bedeutet im Kontext der vorliegenden Offenbarung, dass ein Strom durch die jeweilige Komponente fließt.
Um die Redundanz weiter zu erhöhen, kann die Elektromotoranordnung ferner eine zweite Steuervorrichtung umfassen, die elektrisch mit dem zweiten Bürstenpaar verbunden ist, um das zweite Bürstenpaar mit Energie zu beaufschlagen. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Steuervorrichtung elektrisch mit dem ersten Bürstenpaar verbunden, um das erste Bürstenpaar mit Energie zu beaufschlagen.
Die erste Steuervorrichtung und/oder die zweite Steuervorrichtung können derart eingerichtet sein, dass das erste und zweite Bürstenpaar parallel oder unabhängig voneinander mit Energie beaufschlagt werden. Beispielsweise kann die erste Steuervorrichtung eingerichtet sein, das erste Bürstenpaar und das zweite Bürstenpaar abwechselnd oder gleichzeitig mit Energie zu beaufschlagen. Ebenso kann die zweite Steuervorrichtung eingerichtet sein, das erste Bürstenpaar und das zweite Bürstenpaar abwechselnd oder gleichzeitig mit Energie zu beaufschlagen.
Die Elektromotoranordnung kann eine erste Gleichstromquelle zum Energiebeaufschlagen der ersten Steuervorrichtung und/oder eine zweite Gleichstromquelle zum Energiebeaufschlagen der zweiten Steuervorrichtung umfassen. Durch das Bereitstellen zweier unterschiedlicher Stromquellen kann der Betrieb von einem der Steuervorrichtungen fortgesetzt werden, wenn eine der Gleichstromquellen ausfällt.
Die erste und zweite Steuervorrichtung können für einen abwechselnden Betrieb eingerichtet sein. Anders ausgedrückt beaufschlagt zuerst die erste Steuervorrichtung das erste Bürstenpaar und/oder das zweite Bürstenpaar mit Energie und danach beaufschlagt die zweite Steuervorrichtung das erste und/oder das zweite Bürstenpaar mit Energie. In dieser Konfiguration wird eine Steuerung der Elektromotoranordnung von zwei unterschiedlichen Steuervorrichtungen abwechselnd durchgeführt, wodurch der Verschleiß der eingesetzten Komponenten verringert wird.
In anderen Ausführungsformen können die erste und zweite Steuervorrichtung für einen gleichzeitigen Betrieb eingerichtet sein. In dieser Konfiguration werden beide Steuervorrichtungen gleichzeitig eingesetzt, um die Bürsten mit Energie zu beaufschlagen. Auf diese Weise ist der von jeder Steuervorrichtung bereitgestellte Strom geringer, als wenn eine der Steuervorrichtungen die Bürsten mit Energie beaufschlagt, wodurch eine geringere mechanische Beanspruchung und elektrische Last der mit Energie beaufschlagen Komponenten gegeben sind.
Die erste und zweite Steuervorrichtung können kommunikativ miteinander verbunden sein, beispielsweise über ein Bussystem, welches Busleitungen und redundante Busleitungen umfasst. Dies kann den gleichzeitigen oder abwechselnden Betrieb der Steuervorrichtungen erleichtern. Einer der Steuervorrichtungen kann zum Erfassen einer Fehlfunktion, eines Versagens oder eines Defekts der anderen Steuervorrichtung eingerichtet sein. In diesem Fall ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, die Funktion und die Steuerung der anderen Steuervorrichtung zu übernehmen.
Typischerweise werden durch Beaufschlagen des ersten Bürstenpaars und/oder des zweiten Bürstenpaars mit Energie die Kommutatoranordnung und die Spulenanordnung mit Energie beaufschlagt. Die Spulenanordnung kann daher durch mindestens eine der Steuervorrichtungen und zumindest eines der obengenannten Bürstenpaare mit Energie beaufschlagt werden. Bei einer Fehlfunktion einer dieser Komponenten kann die andere deren Funktionen übernehmen. Aufgrund der duplizierten Steuervorrichtungen und verdoppelten Verbindungen zwischen den Bürstenpaaren und den Steuervorrichtungen weist die Elektromotoranordnung eine Vielzahl von redundanten Komponenten auf, wodurch die Gesamtsicherheit der Elektromotoranordnung verbessert wird.
Entsprechend verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die Kommutatoranordnung einen einzelnen Kommutator. In diesem Fall kontaktieren das erste Bürstenpaar und das zweite Bürstenpaar diesen einzelnen Kommutator. Der einzelne Kommutator kann mit jeder Spule der Spulenanordnung elektrisch verbunden sein. Das erste Bürstenpaar und das zweite Bürstenpaar können an derselben axialen Position auf der Welle angeordnet sein. In diesem Fall können das erste Bürstenpaar und das zweite Bürstenpaar in einem 90-Grad-Abstand in Bezug auf eine zentrale Achse der Welle angeordnet sein. Alternativ sind das erste Bürstenpaar und das zweite Bürstenpaar axial zueinander versetzt.
Alternativ umfasst die Kommutatoranordnung:

- einen ersten auf der Welle angeordneten Kommutator, wobei der erste Kommutator in Kontakt mit dem ersten Bürstenpaar ist, und
- einen zweiten auf der Welle angeordneten Kommutator, wobei der zweite Kommutator in Kontakt mit dem zweiten Bürstenpaar ist.

Durch Bereitstellen der zwei Kommutatoren kann die Redundanz des Systems weiter erhöht werden, wodurch ein geringerer Verschleiß und ein höherer Grad an Sicherheit gegeben sind. Üblicherweise sind der erste und zweite Kommutator an verschiedenen axialen Stellen auf der Welle angeordnet. Insbesondere besteht kein axiales Überlappen des ersten und zweiten Komm utators.
Optional ist jede der Spulen sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten Kommutator elektrisch verbunden. Alternativ wird jeder Spule ein unterschiedlicher Kommutator zugewiesen. Beispielsweise wird dem ersten Kommutator eine erste Gruppe Spulen zugewiesen und dem zweiten Kommutator eine zweite Gruppe Kommutatoren zugewiesen.
Weiterhin kann der einzelne Kommutator, der erste Kommutator und/oder der zweite Kommutator eine Vielzahl von Kommutatorsegmenten umfassen, beispielsweise zumindest zwei, die entlang des Umfangs der Welle an derselben axialen Position angeordnet sind. Die Kommutatorsegmente können bogenförmig oder C-förmig sein. Kommutatorsegmente sind dem Fachmann allgemein bekannt.
Optional umfasst die Elektromotoranordnung ein elektrisch isolierendes Element, das den ersten Kommutator gegen den zweiten Kommutator isoliert. Das isolierende Element kann ein ringförmiges Element sein, vorzugsweise ein aus einem isolierenden Material wie Kunststoff gefertigter Ring. Das isolierende Element kann auf der Welle montiert sein. Das isolierende Element kann axial zwischen dem ersten Kommutator und dem zweiten Kommutator angeordnet sein.
Optional sind der erste und zweite Kommutator auf derselben Seite der Welle relativ zur Spulenanordnung angeordnet. Beispielsweise sind der erste und zweite Kommutator auf der Welle axial nebeneinander angeordnet. Alternativ sind der erste und zweite Kommutator auf gegenüberliegenden Seiten der Welle relativ zur Spulenanordnung angeordnet.
Der erste Kommutator kann einen ersten Außendurchmesser und der zweite Kommutator einen zweiten Außendurchmesser aufweisen. Weiterhin kann der erste Kommutator einen ersten Innendurchmesser und der zweite Kommutator einen zweiten Innendurchmesser aufweisen. Der erste (Innen- und/oder Außen-)Durchmesser und/oder der zweite (Innen- und/oder Außen-)Durchmesser können jeweils einen entlang der Welle konstanten Wert aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist der erste Außen- oder Innendurchmesser gleich groß wie der zweite Außen- oder Innendurchmesser. In anderen Ausführungsformen unterscheidet sich der erste Außen- oder Innendurchmesser vom zweiten Außen- oder Innendurchmesser. Beispielweise ist der erste Außen- oder Innendurchmesser größer als der zweite Außen- oder Innendurchmesser.
Der erste Kommutator kann axial zwischen der Spulenanordnung und dem zweiten Kommutator angeordnet sein. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem zweiten Kommutator und der Spulenanordnung können durch einen Teil des ersten Kommutators geführt werden. Beispielsweise sind elektrische Verbindungen in Schlitzen, die in der Welle ausgebildet sind, eingebettet. Der erste Kommutator kann radial über den Schlitzen angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausbildungsform sind der einzelne Kommutator, der erste Kommutator und/oder der zweite Kommutator elektromechanische Kommutatoren.
Wie oben angegeben werden in einigen Ausführungsformen das erste Bürstenpaar und das zweite Bürstenpaar abwechselnd mit Energie beaufschlagt. In diesen Fällen können die Bürsten und der erste und zweite Kommutator nur in der Hälfte der Zeit mit Strom versorgt werden. In anderen Ausführungsformen werden alle Bürsten und die Kommutatoren gleichzeitig mit Energie beaufschlagt. In diesem Fall können die Bürsten und die Kommutatoren mit nur der Hälfte des Stroms mit Energie beaufschlagt werden, der erforderlich wäre, wenn nur eines der Bürstenpaare mit Energie beaufschlagt wird. In beiden Situationen (gleichzeitige Stromversorgung und abwechselnde Stromversorgung) kann der gesamte durch die Bürsten und den Kommutator fließende Strom über eine bestimmte Zeit um 50 % reduziert werden, wodurch der Verschleiß der jeweiligen Komponenten reduziert wird. Daher wird nicht nur ein redundantes System bereitgestellt, sondern die Elektromotoranordnung ist auch verschleißfester.
Die Anzahl von Permanentmagneten kann mit der Anzahl von Spulen übereinstimmen. Ferner kann der Permanentmagnet auf der drehbaren Welle montiert sein. Es kann eine Statoranordnung vorgesehen sein, die die Spulenanordnung umfasst. Die Spulenanordnung kann den mindestens einen Permanentmagneten umfassen (umgeben). Ein Beispiel einer solchen Konfiguration des Permanentmagneten und der Spulenanordnung sind in US 2006/0043817 A1 zu finden. In anderen Ausführungsformen ist die Spulenanordnung drehfest mit der drehbaren Welle verbunden. Es kann eine Statoranordnung vorgesehen sein, die den mindestens einen Permanentmagneten umfasst. Ferner kann der Permanentmagnet die Spulenanordnung umgeben. Ein Beispiel einer solchen Konfiguration des Permanentmagneten und der Spulenanordnung sind in JP 2002-354882 A zu finden.
Das Bremssystem kann eine Bremsanordnung umfassen, wobei der Aktuator bereitgestellt wird, um die Bremsanordnung zu betätigen. In manchen Beispielen umfasst die Bremsanordnung einen Bremssattel und eine Bremsscheibe. Das Bremssystem kann insbesondere eine elektrische Parkbremse sein oder umfassen. Ebenso kann das Lenksystem eine Lenkanordnung umfassen, wobei der Aktuator bereitgestellt wird, um die Lenkanordnung zu betätigen.
Der Aktuator kann entsprechend der Rotation der Welle angetrieben werden. Der Aktuator kann mechanisch an die Elektromotoranordnung gekoppelt sein. In manchen Beispielen kann der Aktuator ein Linearaktuator sein, der von der rotierenden Welle eine Linearbewegung erzeugt. Wie oben angegeben sind verschiedene Aktuatormechanismen vorstellbar, beispielsweise Kabelzugsysteme und sattelintegrierte Systeme. Die Erfindung ist daher nicht auf einen spezifischen Aktuatormechanismus beschränkt.
Zusammenfassend zielt die vorliegende Erfindung insbesondere darauf ab, die Sicherheit von elektrischen Bremssystemen und elektrischen Lenksystemen weiter zu verbessern. Zusätzlich wird durch das Bereitstellen redundanter Komponenten, die während des Betriebs des Bremssystems oder Lenksystems mechanisch belastet werden, wie etwa die Bürsten und die Kommutatoren, die Lebensdauer des jeweiligen Systems verlängert werden.
Verschiedene Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann anhand der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wenn sie im Licht der begleitenden Zeichnungen gelesen wird, ersichtlich.

1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Bremssystem.
2 zeigt schematisch einen Teil einer Elektromotoranordnung.
3 zeigt schematisch einen Teil einer weiteren Elektromotoranordnung.
4 zeigt schematisch einen Teil einer weiteren Elektromotoranordnung.
5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Bremssystems eines Fahrzeugs, aufweisend einen Aktuator und eine Elektromotoranord nung.

Im Folgenden werden wiederkehrende und ähnliche Merkmale in dieser und in den nachfolgenden Darstellungen mit den gleichen Bezugszahlen versehen.
1 stellt ein Fahrzeug 4 dar, das mit einem Bremssystem 5 und einem Lenksystem (nicht gezeigt) ausgestattet ist. Das in 1 gezeigte Fahrzeug 4 hat vier Räder und jeweils eine Radbremsanordnung 3 für jedes der Räder. 1 zeigt einen Bremssattel 1 und eine Bremsscheibe 2 jeder dieser Radbremsanordnungen 3, die vom Scheibenbremstyp sind. Sie können nicht nur durch hydraulischen Druck einer Bremsflüssigkeit aktiviert werden, sondern auch elektrisch, sodass eine gewöhnliche hydraulische Betriebsbremse und eine elektrische Parkbremse in dem Bremssystem 5 des Fahrzeugs 4 kombiniert sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Radbremsen ausschließlich elektrisch, d.h. ohne den Einsatz eines Hydrauliksystems, betätigt werden.
Zum elektrischen Betätigen der Bremsanordnungen 3 umfasst das Bremssystem vier Linearaktuatoren 6, 7 (siehe 5), die jeweils eine Elektromotoranordnung 10 umfassen, die in 2 und 3 schematisch gezeigt wird.
In 2, 3 und 4 wird eine Elektromotoranordnung 10 für einen Aktuator des Bremssystems 5 gezeigt. Die Elektromotoranordnung 10 umfasst eine drehbar gelagerte Welle 12, auf der eine Vielzahl von Spulen 30 in Umfangsrichtung montiert sind. In abgebildeten Beispiel sind sechs Spulen 30 vorgesehen. Die Spulen 30 sind jeweils an mindestens einen Anker 31 gekoppelt, der sich radial von der Welle 12 erstreckt. Die Spulen 30 sind an derselben axialen Position der Welle 2 angeordnet. Ferner umfasst die Elektromotoranordnung 10 eine im Wesentlichen zylindrische äußere Statoranordnung (nicht gezeigt), welche gegenüber den Ankern 31 und den Spulen 30 angeordnet ist und die Anker 31 und die Spulen 30 umgibt. Der äußere Stator umfasst eine Vielzahl von daran befestigten Permanentmagneten. Zwischen den Permanentmagneten und den Ankern 31 ist ein Luftspalt angeordnet, wie in Elektromotoren üblich ist. Die Permanentmagneten wirken mit den Spulen 30 zusammen, um eine Drehbewegung der Welle 12 bereitzustellen, wenn die Spulen 30 mit Energie beaufschlagt werden. Die Elektromotoranordnung 10 umfasst einen Gleichstrom-Bürstenmotor und umfasst zu diesem Zweck ein erstes Bürstenpaar 14 und ein zweites Bürstenpaar 16. Die Bürsten 14A, 14B des ersten Bürstenpaars 14 und die Bürsten 16A, 16B des zweiten Bürstenpaars 16 können aus leitfähigen Materialien bestehen, beispielsweise umfassend: kohlehaltige Stoffe, Graphitstoffe, Elektrographitstoffe und Metallgraphitstoffe. Die Bürsten 14A, 14B und die Bürsten 16A, 16B können in einem 180-Grad-Abstand in Bezug auf eine zentrale Achse der Welle 12 angeordnet sein.
Die Elektromotoranordnung 10 kann mindestens eine oder zwei Windungen und zwei, vier oder sechs Pole aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektromotoranordnung 10 eine Windung und vier Pole auf.
Bezugnehmend auf 2 und 3 sind ein erster elektromechanischer Kommutator 22 und ein zweiter elektromechanischer Kommutator 24 auf der Welle 12 montiert, die das erste Bürstenpaar 14 bzw. das zweite Bürstenpaar 16 kontaktieren.
4 zeigt hingegen einen einzelnen elektromechanischen Kommutator 21, der auf der Welle 12 montiert ist und sowohl das erste Bürstenpaar 14 als auch das zweite Bürstenpaar 16 kontaktiert.
Die Kommutatoren 21, 22, 24 weisen eine zylindrische Form mit einem konstanten Außendurchmesser auf und können beim Zusammenbau der Elektromotoranordnung 10 auf die Welle 12 aufgeschoben werden. Jeder Kommutator 21, 22, 24 kann eine Vielzahl von Kommutatorteilen (auch bekannt als Segmente) umfassen, die elektrisch voneinander isoliert und entlang des Umfangs der Welle 12 angeordnet sind. Beispielsweise kann jeder Kommutator 21, 22, 24 ein primäres und sekundäres Kommutatorteil 21A, 21B, 22A, 22B, 24A, 24B aufweisen, die jeweils aus einem im Wesentlichen bogenförmigen oder C-förmigen leitfähigen Material bestehen. Das primäre und sekundäre Kommutatorteil sind jeweils durch zwei entgegengesetzten isolierenden Abschnitten 23, 25, 27 elektrisch voneinander isoliert. Die isolierenden Abschnitte 23, 25, 27 erstrecken sich axial entlang der Welle 12.
Das erste und das zweite Bürstenpaar 14, 16 kann mithilfe von Federn in Richtung der Kommutatoren 21, 22, 24 gedrückt werden. Die Federn können an einer Innenwand eines Gehäuses 11 (siehe 5) der Elektromotoranordnung 10 befestigt sein. Die Federn können aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen oder damit beschichtet sein.
Die Spulen 30 können über dedizierte Verdrahtung 13, z. B. Anschlussdrähte, und mindestens eine auf der Welle montierte Verbinderscheibe 32 mit den Kommutatoren 21, 22, 24 verbunden sein. Die Verdrahtung 13 ist über eine Mehrzahl von Anschlüssen 34 an die Scheibe 32 angeschlossen. Ferner ist eine dedizierte Verdrahtung zum elektrischen Verbinden der Anschlüsse 34 mit den entsprechenden Kommutatoren 21, 22, 24 (nicht gezeigt) vorgesehen.
Insbesondere kann jede Spule 30 mit dem einzelnen Kommutator 21 oder dem ersten Kommutator 22 und/oder dem zweiten Kommutator 24 über Verdrahtung 13 elektrisch verbunden werden. Die Bürsten 14, 16 kontaktieren die Oberfläche des Kommutators 22, 24, um die Spulen 30 mit Gleichstrom zu versorgen. Wenn ein Fließen des Gleichstroms zum Kommutator 21, 22, 24 über die Bürsten 14, 16 zugelassen wird, fließt der Gleichstrom durch die Spule 30 über mindestens einen der Kommutatoren 21, 22, 24 (siehe unten). An den Ankern 31 wird entsprechend des magnetischen Flusses, der durch den Gleichstrom in den Spulen 30 erzeugt wird, und des magnetischen Flusses der Permanentmagnete, der die Anker 31 schneidet, Drehmoment erzeugt. Die Welle 12 und die darauf angeordneten Komponenten werden um die Mittelachse der Welle 12 gedreht.
Der Hauptunterschied zwischen den in 2 und 3 gezeigten Elektromotoranordnungen 10 besteht darin, dass in 2 der erste und zweite Kommutator 22, 24 auf gegenüberliegenden Seiten der Spule 30 angeordnet sind, wohingegen in 3 der erste und zweite Kommutator 22, 24 auf derselben Seite der Spule 30 angeordnet sind. Ferner weist die Elektromotoranordnung in 4 im Gegensatz zu den in 2 und 3 gezeigten Elektromotoranordnungen 10 nur einen Kommutator 21 auf.
In 2 sind die Kommutatoren 22, 24 nebeneinander angeordnet. Insbesondere ist der erste Kommutator 22 axial zwischen der Spulenanordnung 30 und dem zweiten Kommutator 24 angeordnet. Allein ein elektrisch isolierendes Element 29 ist axial zwischen dem ersten Kommutator 22 und dem zweiten Kommutator 24 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform ist das isolierende Element ein aus einem Kunststoffmaterial bestehender Ring 29.
Ferner weist in der in 2 gezeigten Ausführungsform der erste Kommutator 22 einen ersten Außendurchmesser und einen ersten Innendurchmesser auf und der zweite Kommutator 24 weist einen zweiten Außendurchmesser und einen zweiten Innendurchmesser auf. Der erste Außendurchmesser ist größer als der zweite Außendurchmesser. Ferner ist der erste Innendurchmesser größer als der zweite Innendurchmesser. Auf diese Wise können die elektrischen Verbindungen zwischen dem zweiten Kommutator 24 und den Spulen 30 in die in der Welle 12 gebildeten Schlitze (nicht gezeigt) eingebettet werden. Beim Zusammenbau wird der erste Kommutator 22 auf der Welle 12 montiert, in dem er auf diese Schlitze aufgeschoben und angeordnet wird.
5 zeigt ein schematisches Diagramm des Bremssystems 5, welches die Elektromotoranordnung 10 gemäß 2 oder 3. umfasst.
Entsprechend 5 ist eine erste Steuervorrichtung 18 und eine zweite Steuervorrichtung 20 vorgesehen. Die erste Steuervorrichtung 18 kann eine speziell zur Steuerung des Bremssystems 5 ausgestaltete Brems-ECU (elektronische Steuereinheit) oder eine speziell zur Steuerung des Lenksystems Lenkungs-ECU sein, wohingegen die zweite Steuervorrichtung 20 eine ECU sein kann, die ursprünglich für das Ausführen der anderen Aufgaben ausgestaltet wurde, beispielsweise eine Gang-ECU, eine Motor-ECU oder eine beliebe sonstige ECU im Fahrzeug. Geeignet bedeutet in diesem Kontext, dass die Einheit dem Automotive-Sicherheits-Integritäts-Level D (ASIL-D) entspricht. Beispielsweise verwendet die Getriebe-ECU 20 (auch bekannt als Getriebe-ECU) generell Sensoren des Fahrzeugs 4, um zu berechnen, wie und wann die Gänge im Fahrzeug 4 gewechselt werden, um eine optimale Leistung, Kraftstoffeinsparung und Schaltqualität zu erzielen. In anderen Ausführungsformen sind die erste und zweite Steuervorrichtung 18, 20 beide speziell zur Steuerung der Elektromotoranordnung 10 des Bremssystems 5 oder des Lenksystems ausgestaltet und konfiguriert. In diesem Fall können daher beide Steuervorrichtungen 18, 20 Brems-ECUs oder Lenkungs-ECUs sein.
In dem Fall, in dem die erste Steuervorrichtung 18 eine Brems-ECU ist, kann die erste Steuervorrichtung 18 mit einem EPB-Schalter 19 (Schalter für elektrische Parkbremse) verbunden sein, der typischerweise auf der Mittelkonsole des Fahrzeugs 4 angeordnet ist. Ein Fahrer kann die elektrische Parkbremse durch Drücken des EPB-Schalters 19 aktivieren. Ein entsprechendes Signal wird an die erste Steuervorrichtung 18 gesendet, um die elektrische Parkbremse zu aktivieren. Darüber hinaus kann die zweite Steuervorrichtung 20 mit einem Parksperrenschalter 33 verbunden sein, der aktiviert werden kann, wenn das Fahrzeug abgestellt wird.
Die erste und zweite Steuervorrichtung 18, 20 können mit einem Bussystem, das eine Vielzahl von Busleitungen aufweist, kommunikativ verbunden sein. Zum Schaffen eines redundanten Bussystems wird jede der Busleitungen dupliziert. Beispielsweise können private Busse vorgesehen sein, die auch Handshake-Leitungen sein können. Über die Kommunikation zwischen der das Bussystem verwendenden ersten und zweiten Steuervorrichtung 18, 20 kann entschieden werden, welche der ersten und zweiten Steuervorrichtung 18, 20 zum Steuern der Elektromotoranordnung 10 verwendet wird, z. B. für abwechselnden oder gleichzeitigen Betrieb der Steuervorrichtungen 18, 20. Durch Verwenden des Bussystems kann eine der Steuervorrichtungen 18, 20 eine Fehlfunktion der anderen erfassen. Ferner kann eine der Steuervorrichtungen 18, 20 der anderen kommunizieren, dass sie nicht ordnungsgemäß funktioniert. Auf diese Weise übernimmt die funktionierende Steuervorrichtung die Steuerung und Funktionalitäten der fehlerhaft arbeitenden Steuervorrichtung. Wie durch die gestrichelten Linien angegeben können die erste und zweite Steuervorrichtung 18, 20 über das Bussystem mit weiteren ECUs verbunden sein.
Ferner sind eine erste Gleichstromquelle 26 zum Energiebeaufschlagen der ersten Steuervorrichtung 18 und eine zweite Gleichstromquelle 28 zum Energiebeaufschlagen der zweiten Steuervorrichtung 20 vorgesehen. Die Stromquellen 26, 28 können einen Gleichstrom bei einer Spannung von 12 V und/oder 24 V und/oder 48 V bereitstellen. Die Stromstärke und Spannung der Stromquellen 26, 28 können sich voneinander unterscheiden. Beispielsweise stellt die erste Stromquelle 26 eine Spannung von 12 V bereit, während die zweite Stromquelle 28 eine Spannung von 48 V bereitstellt.
Die Ausgestaltung und Verbindungen der Stromquellen 26, 28 mit den Steuervorrichtungen 18, 20 sind vorzugsweise derart, dass Kriechströme (Leckströme) von einer Stromquelle zur anderen stets vermieden werden.
Die erste Steuervorrichtung 18 und die zweite Steuervorrichtung 20 sind beide über duplizierte dedizierte elektrische Leitungen mit zumindest zwei Elektromotoranordnungen 10 verbunden, um die Elektromotoranordnungen 10 zu steuern und mit Energie zu versorgen. Insbesondere ist die erste Steuervorrichtung 18 sowohl mit dem ersten Bürstenpaar 14 als auch dem zweiten Bürstenpaar 16 elektrisch verbunden, um die Kommutatoren 21, 22, 24 und die Spulen 30 mit Energie zu beaufschlagen. Ebenso ist die zweite Steuervorrichtung 20 sowohl mit dem ersten Bürstenpaar 14 als auch dem zweiten Bürstenpaar 16 elektrisch verbunden, um die Kommutatoren 21, 22, 24 und die Spulen 30 mit Energie zu beaufschlagen. Die Elektromotoranordnungen 10 sind mechanisch an einen linken Aktuator 6 und einen rechten Aktuator 7 gekoppelt. Insbesondere wird eine Drehbewegung der Wellen 12 in einen linearen Versatz der Linearaktuatoren 6, 7 umgewandelt.
Die erste und zweite Steuervorrichtung 18, 20 können derart eingerichtet sein, dass das erste und zweite Bürstenpaar 14, 16 parallel oder unabhängig voneinander mit Energie beaufschlagt werden.
In manchen Fällen werden durch Energiebeaufschlagen des ersten Bürstenpaars 14 und des ersten Kommutators 22 alle Spulen 30 gleichzeitig mit Energie beaufschlagt. Ebenso werden durch Energiebeaufschlagen des zweiten Bürstenpaars 16 und des zweiten Kommutators 24 alle Spulen 30 gleichzeitig mit Energie beaufschlagt. In anderen Fällen wird durch Energiebeaufschlagen des ersten Bürstenpaars 14 und des ersten Kommutators 22, z. B. 50 %, nur ein Teil der Spulen 30 mit Energie beaufschlagt. In anderen Fällen wird durch Energiebeaufschlagen des ersten Bürstenpaars 16 und des ersten Kommutators 24 nur ein Teil der Spulen 30, z. B. 50 %, mit Energie beaufschlagt.
Die Spulen 30 können kann daher durch zumindest eine der Steuervorrichtungen 18, 20 und zumindest eines der obengenannten Kommutatoren 21, 22, 24 mit Energie beaufschlagt werden. Bei einer Fehlfunktion einer dieser Komponenten kann die andere deren Funktionen übernehmen. Aufgrund der duplizierten Steuervorrichtungen 26, 28 und verdoppelten Verbindungen zwischen den Bürstenpaaren 14, 16 und den Steuervorrichtungen 26, 28 weist die Elektromotoranordnung 10 eine hochredundante Struktur auf, wodurch die Gesamtsicherheit des Bremssystems 5 oder des Lenksystems verbessert wird.
Es sind verschiedene Steuerungsszenarien vorstellbar. Beispielsweise können die erste und/oder die zweite Steuervorrichtung 18, 20 für ein gleichzeitiges oder abwechselndes Energiebeaufschlagen des ersten Bürstenpaars 14 und des zweiten Bürstenpaars 16 eingerichtet sein (es ist zu beachten, dass bei der abwechselnden Energieversorgung weiterhin Gleichstrom verwendet wird).
Wenn das erste Bürstenpaar 14 und das zweite Bürstenpaar 16 abwechselnd mit Energie beaufschlagt werden, können die Bürsten 14A, 14B, 16A, 16B nur 50% der Zeit mit Energie beaufschlagt werden. Alternativ werden die Bürsten 14A, 14B, 16A, 16B gleichzeitig mit Energie beaufschlagt. In diesem Szenario können die Bürsten 14A, 14B, 16A, 16B mit nur der Hälfte des Stroms mit Energie beaufschlagt werden, der erforderlich wäre, wenn nur eines der Bürstenpaare mit Energie beaufschlagt wird.
In beiden Szenarien (gleichzeitige Stromversorgung und abwechselnde Stromversorgung) kann der gesamte durch die Bürsten 14A, 14B, 16A, 16 und den Kommutator 22, 24 - falls vorgesehen - fließende Strom über eine bestimmte Zeit um 50 % reduziert werden, wodurch der Verschleiß der jeweiligen Komponenten reduziert wird. Dadurch kann die Verschleißfestigkeit der Elektromotoranordnung 10 und des Bremssystems 5 erheblich verbessert werden.
Die Ausfallrate (Failures in Time, FIT) einer Vorrichtung ist die Anzahl von Ausfällen, die während einer Betriebszeit von einer Milliarde (10⁹) Stunden der Vorrichtung zu erwarten ist. Durch Verwenden des mit Bezug auf 1 bis 5 vorgeschlagenen Bremssystems 5 mit einem hohen Grad an Redundanz wurde eine Ausfallrate von weniger als 10 ermittelt, wodurch die hohen Anforderungen, die an Bremssysteme 5 gestellt werden, erfüllt werden.
Wenngleich in den 1-5 Bezug auf ein Bremssystems 5 eines Fahrzeugs genommen wird, können der Aktuator und die Elektromotoranordnung 10 auch in einem Lenksystem eines Fahrzeugs angewendet werden. Ein solches Lenksystem weist daher einen Aktuator 6, 7 und die Elektromotoranordnung 10 wie oben beschrieben auf.
Für den Fachmann ist ersichtlich, dass jegliche in den 1-5 gezeigten Merkmale miteinander kombiniert oder getrennt beansprucht werden können, solange sie einander nicht widersprechen.
Bezugszeichenliste

1: Bremssattel
2: Bremsscheibe
3: Bremsanordnung
4: Fahrzeug
5: Bremssystem
6: rechter Aktuator
7: linker Aktuator
10: Elektromotoranordnung
11: Gehäuse
12: drehbare Welle
13: Verdrahtung
14: erstes Bürstenpaar
14A: Bürste
14B: Bürste
15: Verdrahtung
16: zweites Bürstenpaar
16A: Bürste
16B: Bürste
17: Verdrahtung
18: erste Steuervorrichtung
19: EPB-Schalter
20: zweite Steuervorrichtung
21: einzelner Kommutator
21A: primäres Kommutatorsegment
21B: sekundäres Kommutatorsegment
22: erster Kommutator
22A: primäres Kommutatorsegment
22B: sekundäres Kommutatorsegment
23: Isolierabschnitt
24: zweiter Kommutator
24A: primäres Kommutatorsegment
24B: sekundäres Kommutatorsegment
25: Isolierabschnitt
26: Stromquelle
27: Isolierabschnitt
28: Stromquelle
29: Isolierring
30: Spulenanordnung
31: Anker
32: Verbindungsscheibe
33: Parksperrenschalter
34: Anschluss

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

US 2006/0043817 A1 [0034]
JP 2002354882 A [0034]

Claims

Brems- oder Lenksystem, aufweisend: einen Aktuator (6, 7) und eine Elektromotoranordnung (10), umfassend: eine drehbar gelagerte Welle (12) zum Antreiben des Aktuators (6, 7), ein erstes Bürstenpaar (14), ein zweites Bürstenpaar (16), eine auf der Welle angeordnete Kommutatoranordnung (21, 22, 24), wobei die Kommutatoranordnung in Kontakt mit dem ersten Bürstenpaar (14) und dem zweiten Bürstenpaar (16) ist, eine mit der Kommutatoranordnung (21, 22, 24) elektrisch verbundene Spulenanordnung (30), und mindestens einen mit der Spulenanordnung (30) zusammenwirkenden Permanentmagneten zum Bereitstellen einer Drehbewegung der Welle (12), wenn die Spulenanordnung (30) mit Energie beaufschlagt wird.
System (5) nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: eine erste Steuervorrichtung (18), die elektrisch mit dem ersten Bürstenpaar (14) und/oder dem zweiten Bürstenpaar (16) verbunden ist, um das jeweilige Bürstenpaar (14, 16) mit Energie zu beaufschlagen; und eine zweite Steuervorrichtung (20), die elektrisch mit dem zweiten Bürstenpaar (16) und/oder dem ersten Bürstenpaar (14) verbunden ist, um das jeweilige Bürstenpaar (16, 14) mit Energie zu beaufschlagen.
System (5) nach Anspruch 2, wobei die erste Steuervorrichtung (18) und/oder die zweite Steuervorrichtung (20) derart eingerichtet sind, dass das erste Bürstenpaar und das zweite Bürstenpaar (14, 16) parallel oder unabhängig voneinander mit Energie beaufschlagt werden.
System (5) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die erste Steuervorrichtung (18) und/oder die zweite Steuervorrichtung (20) zum gleichzeitigen oder abwechselnden Energiebeaufschlagen des ersten Bürstenpaars (14) und des zweiten Bürstenpaars (16) eingerichtet sind.
System (5) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner eine erste Gleichstromquelle (26) zum Energiebeaufschlagen der ersten Steuervorrichtung (18) und eine zweite Gleichstromquelle (28) zum Energiebeaufschlagen der zweiten Steuervorrichtung (20) umfassend.
System (5) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die erste Steuervorrichtung (18) und die zweite Steuervorrichtung (20) für einen abwechselnden oder gleichzeitigen Betrieb eingerichtet sind.
System (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner eine Statoranordnung umfassend, welche den mindestens einen Permanentmagneten aufweist, wobei die Spulenanordnung (30) drehfest mit der Welle (12) verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kommutatoranordnung (22, 24) umfasst: einen ersten auf der Welle (12) angeordneten Kommutator (22), wobei der erste Kommutator (22) in Kontakt mit dem ersten Bürstenpaar (14) ist, einen zweiten auf der Welle (12) angeordneten Kommutator (24), wobei der zweite Kommutator (24) in Kontakt mit dem zweiten Bürstenpaar (16) ist, wobei der erste und zweite Kommutator (22, 24) an verschiedenen axialen Stellen auf der Welle angeordnet sind.
System (5) nach Anspruch 7, wobei der erste und zweite Kommutator (22, 24) auf derselben Seite der Welle (12) relativ zur Spulenanordnung (30) angeordnet sind oder wobei der erste und zweite Kommutator (22, 24) auf gegenüberliegenden Seiten der Spulenanordnung (30) angeordnet sind.
System (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kommutator (22) einen ersten Außendurchmesser aufweist und der zweite Kommutator (24) einen zweiten Außendurchmesser aufweist, wobei der erste Außendurchmesser größer als der zweite Außendurchmesser ist.