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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 16. Mai 2019 eingereichten provisorischen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/848,829, deren Offenbarung hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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HINTERGRUND
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf einen Motor für ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) und insbesondere auf ein integriertes Steuerungssystem für einen Drehmomentsensor, einen Winkelsensor und einen Motorpositionssensor.
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Motorbaugruppen, und insbesondere Motorbaugruppen für EPS-Systeme, die einen bürstenlosen Motor enthalten, können relativ groß sein und stellen eine Herausforderung für die Verpackung dar. EPS-Systeme umfassen im Allgemeinen auch Drehmoment- und Winkelsensoren, die in der mechanischen Verpackung des EPS-Systems untergebracht werden müssen. Die Kombination von großformatigen Motorbaugruppen und separaten Sensoren kann zu Konflikten mit anderen Fahrzeugkomponenten führen, was zu eingeschränkten Positionierungsmöglichkeiten, geringer bis gar keiner Vielseitigkeit von einem Plattformtyp zu einem anderen, hohen Kosten und komplexer Installation führen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Nach einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst eine Motorbaugruppe für ein elektrisches Servolenkungssystem einen Motor, der so konfiguriert ist, dass er eine Motorwelle dreht, um ein Antriebsdrehmoment auf eine Ausgangswelle einer Lenksäule aufzubringen. Die Motorbaugruppe umfasst auch eine Leiterplattenbaugruppe mit einem Drehmoment- und Winkelsensor, der auf einer Leiterplatte angeordnet ist. Der Drehmoment- und Winkelsensor ist so konfiguriert, dass er einen Differenzwinkel zwischen den Drehpositionen der Ausgangswelle und einer Eingangswelle misst. Die Leiterplatte der Leiterplattenbaugruppe ist rechtwinklig zu einer Drehachse der Lenksäule angeordnet.
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Nach einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst eine Motorbaugruppe für ein elektrisches Servolenkungssystem einen Motor, der so konfiguriert ist, dass er eine Motorwelle dreht, um ein Antriebsdrehmoment auf eine Ausgangswelle einer Lenksäule aufzubringen. Die Motorbaugruppe umfasst auch ein Gehäuse, das mit dem Motor gekoppelt ist und eine Leiterplattenbaugruppe enthält, wobei die Leiterplattenbaugruppe einen Drehmoment- und Winkelsensor enthält, der auf einer Leiterplatte angeordnet ist. Der Drehmoment- und Winkelsensor ist so konfiguriert, dass er einen Differenzwinkel zwischen den Drehpositionen der Ausgangswelle und einer Eingangswelle misst. Die Motorbaugruppe umfasst auch eine Schneckenwelle, die zur Drehung mit der Motorwelle gekoppelt ist, wobei die Schneckenwelle eine schraubenförmig um sie herum angeordnete Schnecke zum Antrieb eines mit der Ausgangswelle gekoppelten Schneckenrads aufweist. Die Schneckenwelle und das Schneckenrad sind jeweils innerhalb des Gehäuses angeordnet.
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Nach einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst eine Motorbaugruppe für ein elektrisches Servolenkungssystem einen Motor, der so konfiguriert ist, dass er eine Motorwelle dreht, um ein Antriebsdrehmoment auf eine Ausgangswelle einer Lenksäule aufzubringen. Die Motorbaugruppe umfasst auch eine Leiterplattenbaugruppe mit einem Drehmoment- und Winkelsensor, der auf einer Leiterplatte angeordnet ist. Der Drehmoment- und Winkelsensor ist so konfiguriert, dass er einen Differenzwinkel zwischen den Drehpositionen der Ausgangswelle und einer Eingangswelle misst. Die Leiterplattenbaugruppe umfasst auch einen Positionssensor, der auf der Leiterplatte angeordnet und so konfiguriert ist, dass er eine Drehposition der Motorwelle misst.
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Figurenliste
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Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung wird speziell offengelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
- 1 eine Querschnittsansicht einer Motorbaugruppe für ein elektrisches Servolenkungssystem in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist;
- 2 eine perspektivische Ansicht der Motorbaugruppe von 1 ist;
- 3 eine Seitenansicht der Motorbaugruppe von 1 ist;
- 4 eine Seitenansicht einer Motorbaugruppe für ein elektrisches Servolenkungssystem in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist; und
- 5 eine perspektivische Ansicht einer Motorbaugruppe für ein elektrisches Servolenkungssystem in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nun unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wird, ohne diese einzuschränken, ist zu verstehen, dass die offengelegten Ausführungsformen lediglich eine Illustration der vorliegenden Offenbarung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können hervorgehoben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind bestimmte strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage für die Unterweisung eines Fachmanns darüber, die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Weise einzusetzen.
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1-3 zeigen eine erste Motorbaugruppe 10 für ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) eines Fahrzeugs in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Konkret ist die erste Motorbaugruppe 10 so konfiguriert, dass sie an einer Lenksäule 20 befestigt sein kann, die eine Eingangswelle 22 enthält, die über einen Torsionsstab 26 mit einer Ausgangswelle 24 verbunden ist. Die Eingangswelle 22 kann mit einem Handrad verbunden sein, das von einem Bediener des Fahrzeugs gedreht werden kann. Die Ausgangswelle 24 kann mit einem oder mehreren Straßenrädern zum Wechseln der Richtung des Fahrzeugs verbunden sein. Der Torsionsstab 26 kann eine gewisse relative Drehung zwischen der Eingangswelle 22 und der Ausgangswelle 24 bereitstellen, und die relative Drehung kann proportional zu einem zwischen der Eingangswelle 22 und der Ausgangswelle 24 aufgebrachten Drehmoment sein. Daher kann die Messung der relativen Drehung zwischen der Eingangswelle 22 und der Ausgangswelle 24 zur Bestimmung des aufgebrachten Drehmoments verwendet werden. Das aufgebrachte Drehmoment kann eine Funktion einer auf das Handrad ausgeübten Kraft und/oder einer Drehkraft sein, die durch die Ausgangswelle 24 von einem oder mehreren Straßenrädern übertragen wird. Ein Säulenrohr 28 kann die Eingangswelle 22 und/oder die Ausgangswelle 24 umgeben. Das Säulenrohr 28 kann an einem Strukturbauteil des Fahrzeugs befestigt sein.
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Die Motorbaugruppe 10 enthält einen Motor 30, der so konfiguriert ist, dass er eine Motorwelle 32 dreht, um ein Antriebsdrehmoment auf die Ausgangswelle 24 aufzubringen. In einigen Ausführungsformen kann der Motor 30 ein bürstenloser Motor sein, wie z.B. ein bürstenloser Gleichstrommotor. In einigen Ausführungsformen kann der Motor 30 ein bürstenbehafteter Motor mit Bürsten sein, um Strom an einen Rotor zu übertragen. In einigen Ausführungsformen kann der Motor 30 ein Wechselstrommotor sein, wie z.B. ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM). Dies sind jedoch nur Beispiele, und der Motor 30 kann jede Art von Elektromotor enthalten.
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Die Motorbaugruppe 10 enthält auch eine Schneckenwelle 34, die zur Drehung mit der Motorwelle 32 gekoppelt ist. Die Schneckenwelle 34 enthält eine schraubenförmige Schnecke 36, die in ein Schneckenrad 38 eingreift, das mit der Ausgangswelle 24 gekoppelt ist. Somit ist der Motor 30 in der Lage, die Ausgangswelle 24 mit einer Getriebeuntersetzung und einer Änderung der Antriebsrichtung anzutreiben, die durch die Schnecke und das Schneckenrad 38 bereitgestellt werden.
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Die Motorbaugruppe 10 umfasst auch eine Leiterplattenbaugruppe (CCA) 40 mit einer Leiterplatte 42 und einer Vielzahl von elektrischen Komponenten, die an der Leiterplatte 42 montiert sind. Wie in den Figuren dargestellt, erstreckt sich die Leiterplatte 42 in einer flachen Ebene, die rechtwinklig zu einer Drehachse der Lenksäule 20 verläuft, wobei die Drehachse der Lenksäule 20 eine Achse ist, die so konfiguriert ist, dass sich die Eingangswelle 22 und/oder die Ausgangswelle 24 darum drehen. Genauer gesagt erstreckt sich die Leiterplatte 42 rechtwinklig zu und neben der Eingangswelle 22. Die Leiterplatte 42 verläuft parallel zur und im Abstand von der Schneckenwelle 34. Die CCA 40 enthält einen Drehmoment- und Winkelsensorchip 44, der auf der Leiterplatte 42 angeordnet und so konfiguriert ist, dass er einen Differenzwinkel zwischen den Drehpositionen der Eingangswelle 22 und der Ausgangswelle 24 misst. Der Differenzwinkel, wie er vom Drehmoment- und Winkelsensorchip 44 gemessen wird, kann verwendet werden, um einen Grad der Verdrehung des Torsionsstabes 26 zu bestimmen. Zusammen mit Informationen über eine Eigenschaft des Torsionsstabes kann der Drehmoment- und Winkelsensorchip 44 verwendet werden, um ein Drehmoment zu bestimmen, das auf die Eingangswelle 22 und/oder die Ausgangswelle 24 oder auf beide ausgeübt wird.
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Die Motorbaugruppe 10 enthält auch einen Motorpositionssensor 46, der so konfiguriert ist, dass er die Drehposition der Motorwelle 32 misst. Durch Messung der Position der Rotorwelle 32 kann die Position der Ausgangswelle 24 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen und wie in 1-3 dargestellt, ist der Motorpositionssensor 46 direkt mit der Motorwelle 32 gekoppelt, wobei sich die Motorwelle 32 zwischen dem Motorpositionssensor 46 und der Schneckenwelle 34 erstreckt. Der Motorpositionssensor 46 enthält einen radialen Vorsprung 47, der zum Festhalten des Motorpositionssensors 46 und/oder zum Festhalten einer Verdrahtungsverbindung, wie z.B. einer Kabelbuchse, verwendet werden kann. Ein flexibler Leiter 48 verbindet den Motorpositionssensor 46 mit der CCA 40 zur Übertragung von Informationen vom Motorpositionssensor 46 an eine Steuerung und/oder eine Kommunikationsbrücke, die sich auf der CCA 40 befindet. Der flexible Leiter 48 kann den Motorpositionssensor 46 außerdem mit Strom von der CCA 40 versorgen. Der flexible Leiter 48 kann einen oder mehrere Drähte, wie z.B. eine Litze oder einen massiven Metalldraht, enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann der flexible Leiter 48 eine flexible Leiterplatte oder ein Flachbandkabel mit elektrisch leitfähigen Leiterbahnen enthalten, die entlang einer Länge des flexiblen Substrats angeordnet sind.
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Eine Rotorbaugruppe 50 umfasst einen ersten Rotor 52, der mit der Eingangswelle 22 gekoppelt ist, und einen zweiten Rotor 54, der mit der Ausgangswelle 24 gekoppelt ist. Eine Rotorkupplung 56 verbindet den ersten Rotor 52 mit der Eingangswelle 22. Die Rotorkupplung 56 kann verkeilt oder anderweitig konfiguriert sein, um zu bewirken, dass der erste Rotor 52 mit der Eingangswelle 22 rotiert, während die Motorbaugruppe 10 selektiv an der Eingangswelle 22 befestigt oder von dieser gelöst werden kann. Die Rotoren 52, 54 sind parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordnet, wobei sich die CCA 40 dazwischen erstreckt. Der Drehmoment- und Winkelsensorchip 44 interagiert mit den Rotoren 52, 54 über elektrische und/oder magnetische Felder, um die relative Drehwinkeldifferenz zwischen dem ersten und zweiten Rotor 52, 54 und damit den Differenzwinkel zwischen der Eingangswelle 22 und der Ausgangswelle 24 zu bestimmen.
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In einigen Ausführungsformen enthält die CCA 40 auch einen Handradwinkelsensor, der so konfiguriert ist, dass er einen absoluten Winkel der Eingangswelle 22 misst. Zum Beispiel kann der Drehmoment- und Winkelsensorchip 44 oder eine andere Vorrichtung eine Winkelposition des ersten Rotors 52 oder einer anderen Struktur, die mit der Eingangswelle 22 gekoppelt ist, relativ zu einer festen Referenz messen, die sich nicht mit der Eingangswelle 22 oder der Ausgangswelle 24 dreht.
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In einigen Ausführungsformen enthält die CCA 40 elektronische Komponenten, die so konfiguriert sind, dass sie die dem Motor 30 zugeführte Leistung steuern. Zum Beispiel kann die CCA 40 Leistungselektronik-Bauteile wie Schalttransistoren enthalten, die zur Erzeugung einer Wechsel- oder Gleichstromwellenform verwendet werden, die dem Motor 30 zugeführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann die CCA 40 eine oder mehrere Steuerungen enthalten, wie z.B. einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), die so konfiguriert sind, dass sie die Wechsel- oder Gleichstromwellenform steuern, die dem Motor 30 zugeführt wird. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Steuerungen den Motor 30 so steuern, dass er ein Ausgangsdrehmoment auf der Grundlage eines berechneten Drehmomentbefehls erzeugt. Die eine oder die mehreren Steuerungen können den Drehmomentbefehl auch auf der Grundlage des Differenzwinkels bestimmen, der vom Drehmoment- und Winkelsensorchip 44 gemessen wird. Somit kann die Motorbaugruppe 10 einige oder alle der Kernfunktionen des EPS-Systems ausführen und kann als „hochintegriertes EPS-System“ bezeichnet werden.
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Die Motorbaugruppe 10 umfasst auch ein Gehäuse 60, das mit dem Motor 30 gekoppelt ist und die CCA (40) enthält. Bei einigen Ausführungsformen ist der Motor 30 innerhalb des Gehäuses 60 angeordnet. Alternativ kann der Motor 30 außerhalb des Gehäuses 60 oder teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Gehäuses 60 angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Motor 30 mit dem Gehäuse 60 verriegelt, verschraubt oder anderweitig daran befestigt sein. Insbesondere umfasst das Gehäuse 60 ein unteres Gehäuse 62 und einen Deckel 64. Das Gehäuse 60 kann aus Metall, wie z.B. Stahl, Aluminium oder Magnesium, bestehen. Das Gehäuse 60 kann jedoch ganz oder teilweise aus einem anderen Material, z. B. Kunststoff, bestehen. Die Schneckenwelle 34 und das Schneckenrad 38 sind jeweils zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses 60 angeordnet.
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Wie in 1 dargestellt, sind ein erstes Lager 66 und ein zweites Lager 68 innerhalb des unteren Gehäuses 62 angeordnet, um die Ausgangswelle 24 abzustützen. Bei dem ersten Lager 66 und dem zweiten Lager 68 kann es sich um jede Art von Lager handeln, z.B. ein Kugellager, ein Nadellager oder ein Gleitlager. Eines oder beide der ersten oder zweiten Lager 66, 68 können abgedichtet oder nicht abgedichtet sein. Eine oder mehrere Dichtungen (nicht abgebildet) können das Eindringen von Verunreinigungen in das Gehäuse 60 um die Ausgangswelle 24 herum verhindern.
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Wie in 3 dargestellt, stützen ein drittes Lager 70 und ein viertes Lager 72 die Schneckenwelle 34 an oder in der Nähe ihrer beiden Enden. Das dritte Lager 70 und/oder das vierte Lager 72 können an dem Gehäuse 60 montiert sein und von diesem gestützt werden. Eine Kupplung 74 verbindet die Schneckenwelle 34 mit der Motorwelle 32, um Drehmoment dazwischen zu übertragen. In einigen Ausführungsformen kann die Kupplung 74 ein elastisches Material zur Schwingungsisolierung zwischen der Motorwelle 32 und der Schneckenwelle 34 enthalten. Alternativ kann die Kupplung 74 eine starre Verbindung zwischen diesen beiden Teilen bereitstellen.
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4 ist eine Seitenansicht einer zweiten Motorbaugruppe 10' für ein EPS-System in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die in 4 gezeigte zweite Motorbaugruppe 10' ist ähnlich oder identisch mit der in 1-3 gezeigten ersten Motorbaugruppe 10, außer dass sie nicht den Motorpositionssensor 46 enthält, der direkt mit der Motorwelle 32 gekoppelt ist. Stattdessen ist ein Wellenpositionsrad 80 so konfiguriert, dass es sich mit der Motorwelle 32 dreht und von einem Positionssensor 82 auf der CCA 40 erfasst wird. Das Wellenpositionsrad 80 kann, wie in 4 gezeigt, um die Schneckenwelle 34 herum angeordnet sein; alternativ kann das Wellenpositionsrad 80 um die Motorwelle 32 herum angeordnet sein. Der Positionssensor 82 kann eine Drehposition des Wellenpositionsrades durch eine elektromagnetische Wechselwirkung und/oder durch ein optisches Signal, z.B. einen Lichtstrahl, der periodisch unterbrochen wird, wenn das Wellenpositionsrad 80 gedreht wird, messen.
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Motorbaugruppe 10" für ein EPS-System in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die in 5 gezeigte dritte Motorbaugruppe 10" ist ähnlich oder identisch mit der in 1-3 gezeigten ersten Motorbaugruppe 10, außer dass sie nicht den Motorpositionssensor 46 enthält, der direkt mit der Motorwelle 32 gekoppelt ist. Stattdessen ist der Motorpositionssensor 46 mit der Schneckenwelle 34 dem Motor 32 gegenüberliegend gekoppelt, wobei sich die Schneckenwelle 34 zwischen der Motorwelle 32 und dem Motorpositionssensor 46 erstreckt.
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Obwohl die vorliegende Offenbarung im Zusammenhang mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, sollte leicht verständlich sein, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf diese offengelegten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die vorliegende Offenbarung so modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Substitutionen oder gleichwertigen Anordnungen enthält, die bisher nicht beschrieben wurden, die aber im Umfang der vorliegenden Offenbarung angemessen sind. Darüber hinaus sind zwar verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben worden, aber es ist zu verstehen, dass Aspekte der vorliegenden Offenbarung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen oder Kombinationen der verschiedenen Ausführungsformen umfassen können. Dementsprechend ist die vorliegende Offenbarung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu betrachten.
