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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bremseinheit für ein Fahrzeug, eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug und auf ein Verfahren zum Bremsen einer Antriebsvorrichtung.
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Flurförderfahrzeuge werden oft elektromotorisch angetrieben. Die Antriebsmaschine ist in der Regel eine Drehstrom-Asynchronmaschine, die das Fahrzeug sowohl beschleunigen als auch verzögern kann. Die Antriebsmaschine kann einerseits Energie aus dem Energiespeicher, meist einer Batterie, entnehmen und in mechanische Leistung umwandeln, mit der das Fahrzeug angetrieben wird. Andererseits kann die Antriebsmaschine auch mechanische Energie des sich in Fahrt befindlichen Fahrzeuges in elektrische Energie umwandeln und das Fahrzeug verzögern. In diesem Betriebszustand kann die gewonnene elektrische Energie in den Energiespeicher eingespeist werden.
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Die
EP 2 006 563 A1 beschreibt eine elektrisch lüftbare Federdruckbremse, die über eine zusätzliche mechanische, hydraulische oder pneumatische Betätigungseinrichtung verfügt, die unabhängig vom Federpaket auf die Reibelemente wirkt und ein dosierbares Bremsmoment erzeugen kann.
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Die
DE 10 2010 044 655 A1 offenbart ein Flurförderzeug mit einer Wirbelstrombremse und einer zusätzlichen mechanischen Feststellbremse, die beide auf denselben Rotor wirken.
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Die
DE 10 2010 032 516 A1 offenbart eine Bremsvorrichtung mit einem die Bremsscheibe einer Reibungsscheibenmaschine bildenden Rotor einer Wirbelstromscheibenbremse. Die Reibungsscheibenbremse ist als eine Bremszangeneinheit realisiert.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Bremseinheit für ein Fahrzeug, eine verbesserte Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug und ein verbessertes Verfahren zum Bremsen einer Antriebsvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine Möglichkeit geschaffen, um für einen Einzelradantrieb eines Fahrzeugs benötigten Bauraum einsparen zu können und zugleich eine Energieeffizienz der Antriebsvorrichtung zu verbessern. Dazu wird eine Bremseinheit vorgestellt, die mehrere Bremsfunktionen umfasst und dadurch als eine kombinierte Bremse ausgeformt sein kann.
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Es wird eine Bremseinheit für ein Fahrzeug vorgestellt, die einen Rotor, eine mechanische Bremseinrichtung und eine Wirbelstrombremseinrichtung aufweist. Die mechanische Bremseinrichtung ist ausgebildet, um eine Reibkraft auf den Rotor auszuüben, um den Rotor mechanisch durch Reibung abzubremsen. Die Wirbelstrombremseinrichtung ist ausgebildet, um ein auf den Rotor gerichtetes Magnetfeld zum Bewirken von Wirbelströmen in dem Rotor zu erzeugen, um den Rotor unter Ausnutzung des Wirbelstromprinzips abzubremsen.
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Das Fahrzeug kann beispielsweise als ein Nutzfahrzeug oder als ein Personenkraftwagen realisiert sein. Alternativ kann das Fahrzeug als ein Flurfördermittel realisiert sein. Vorzugsweise kann das Fahrzeug mindestens einen Einzelradantrieb aufweisen und somit eine Bremseinheit für jeweils ein Rad, die vorteilhafterweise eine Doppelfunktion realisieren kann. Die mechanische Bremseinrichtung kann dabei vorteilhafterweise als Parkbremse, Notbremse oder generell als Feststellbremse ausgeformt sein. Die Wirbelstrombremseinrichtung kann vorteilhafterweise als eine Betriebsbremse ausgeformt sein, die das Fahrzeug elektrisch verzögert. Durch diese doppelte Funktion der Bremseinheit kann vorteilhafterweise Bauraum innerhalb des Fahrzeugs eingespart werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Rotor eine Rotorwelle zum Verbinden des Rotors mit einer elektrischen Maschine und eine Rotorscheibe aufweisen, wobei die Reibkraft und das Magnetfeld auf die Rotorscheibe wirken können. Beispielsweise kann ein Fortsatz der Rotorwelle als Welle der elektrischen Maschine dienen. Die elektrische Maschine kann als Elektromotor ausgeführt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die mechanische Bremseinrichtung ausgebildet sein, um die Reibkraft hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch zu erzeugen. Vorteilhafterweise kann die Bremseinheit durch die Art der Erzeugung der Reibkraft universell für verschiedene Fahrzeugarten eingesetzt werden. Mechanisch kann die Reibkraft beispielsweise mittel eines Bowdenzugs ausgeübt werden.
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Die mechanische Bremseinrichtung kann eine Ankerplatte, ein Federelement und einen Elektromagneten aufweisen, wobei das Federelement ausgeformt sein kann, um die Ankerplatte gegen den Rotor zu drücken, um die Reibkraft auszuüben. Weiterhin kann der Elektromagnet ausgebildet sein, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um die Ankerplatte von dem Rotor wegziehen zu können. Die Ankerplatte kann beispielsweise ausgebildet sein, um die von dem Federelement ausgeübte Kraft gleichmäßig auf den Rotor zu übertragen, sofern der Elektromagnet nicht aktiv ist, also wenn der Elektromagnet nicht bestromt ist. Das Federelement kann beispielsweise als eine Schraubenfeder ausgeformt sein, sodass die mechanische Bremseinrichtung als Federdruckbremse ausgeformt sein kann. Durch das Magnetfeld kann vorteilhafterweise die Ankerplatte angezogen und somit das Federelement gespannt werden, wodurch der Rotor, genauer gesagt die Rotorscheibe freigegeben werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die mechanische Bremseinrichtung einen ersten Reibbelag und einen zweiten Reibbelag zum mechanischen Abbremsen des Rotors aufweisen, wobei die Reibbeläge auf einander gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordnet sein können. Die Reibbeläge können beispielsweise ausgeformt sein, um die mechanische Bremswirkung zu verbessern. Die Reibbeläge können vorteilhafterweise an der Ankerplatte und an einer Reibscheibe oder an dem Rotor angeordnet sein.
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Der Rotor kann einen elektrisch leitfähigen Werkstoff aufweisen und die Wirbelstrombremseinrichtung einen Elektromagneten zum Erzeugen des Magnetfelds, um den Rotor unter Verwendung des erzeugten Magnetfelds abbremsen zu können. Der Werkstoff des Rotors kann vorteilhafterweise Aluminium sein, da es sowohl leicht ist als auch elektrisch leitfähig. Vorteilhafterweise kann der Rotor dadurch durch Überwinden eines geringen Trägheitsmoments in Bewegung versetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Bremseinheit ein Gehäuse aufweisen, das um den Rotor, die mechanische Bremseinrichtung und die Wirbelstrombremseinrichtung herum angeordnet sein kann. Das Gehäuse kann beispielsweise ausgeformt sein, um die Bremseinheit vor äußeren Einflüssen zu schützen. Ferner kann das Gehäuse ausgeformt sein, um einzelne Bauteile der Bremseinheit zu fixieren.
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Weiterhin kann die Bremseinheit eine Lüftungseinrichtung zum elektromagnetischen, hydraulischen, pneumatischen oder mechanischen Lüften der mechanischen Bremseinrichtung aufweisen. Durch das Entlüften kann die mechanische Bremseinrichtung beispielsweise manuell deaktiviert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Bremseinheit eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet sein kann, um die mechanische Bremseinrichtung ansprechend auf ein Feststellsignal und zusätzlich oder alternativ ein Notbremssignal in einen aktiven Zustand zu versetzen und um die Wirbelstrombremseinrichtung ansprechend auf ein Betriebsbremssignal aktivieren zu können. Die Steuereinrichtung kann einem bekannten Bremssteuergerät für Fahrzeuge entsprechen, das Bremsanforderungen, beispielsweise eines Fahrers des Fahrzeugs, in Steuersignale zum Ansteuern der Bremseinheit umsetzen kann. Eine Steuereinrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Steuereinrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Steuereinrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Ferner wird eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug vorgestellt, die eine Bremseinheit in einer zuvor genannten Variante und eine elektrische Maschine mit einer Antriebswelle aufweist, wobei die Antriebswelle mit der Rotorwelle verbunden ist. Die Rotorwelle und die Antriebswelle können drehfest miteinander verbunden sein oder einstückig ausgeführt sein, sodass die Antriebswelle und die Rotorwelle Abschnitte einer einzigen Welle darstellen.
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Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise als ein Einzelradantrieb ausgeformt sein. Vorteilhafterweise kann ein Fahrzeug eine Mehrzahl solcher Antriebseinrichtungen aufweisen. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Bremsleistung verbessert werden, da beispielsweise jedes Rad einzeln beschleunigt und zusätzlich oder alternativ von der Bremseinheit gebremst werden kann. Die Bremseinheit kann beispielsweise als eine Parkbremse, Notbremse sowie als Betriebsbremse eingesetzt werden. Vorteilhafterweise sind die Rotorwelle und die Antriebswelle der Antriebseinrichtung einteilig ausgeformt, sodass beispielsweise lediglich ein in den Rotor ragender Abschnitt der Antriebswelle als Rotorwelle bezeichnet werden kann und entsprechend wirkende Kräfte übertragen werden können.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Bremsen einer Antriebseinrichtung in der zuvor genannten Variante vorgestellt, das einen Schritt des Ausübens einer Reibkraft auf den Rotor, um den Rotor mechanisch durch Reibung abzubremsen, und einen Schritt des Erzeugens eines Magnetfeldes umfasst, um Wirbelströme in dem Rotor zu bewirken, um den Rotor unter Ausnutzung des Wirbelstromprinzips abzubremsen.
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Das Verfahren kann vorteilhafterweise in einem Fahrzeug durchgeführt werden, das eine Antriebseinrichtung und zusätzlich oder alternativ eine Bremseinrichtung aufweist, wie es zuvor vorgestellt wurde. Durch das Verfahren kann sowohl die mechanische Bremseinrichtung als auch die Wirbelstrombremseinrichtung angesteuert werden und somit eine Doppelfunktionalität der Bremseinheit erreicht werden. Weiterhin kann vorteilhafterweise die für einen Bremsvorgang benötigte Energie effizient genutzt werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Seitendarstellung einer Antriebseinrichtung mit einer Bremseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Antriebseinrichtung;
- 4 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Bremseinheit;
- 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Bremseinheit; und
- 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Bremsen einer Antriebseinrichtung; und
- 7 eine Diagrammdarstellung einer Motor-Controller-Kurve einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einer Antriebseinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Lediglich beispielhaft ist das Fahrzeug als ein Flurförderfahrzeug, hier ein Gabelstapler, ausgeführt. Die Antriebseinrichtung 102 weist eine Bremseinheit 104 mit einem Rotor 106, einer mechanischen Bremseinrichtung 108 und einer Wirbelstrombremseinrichtung 110 auf. Ferner weist die Antriebseinrichtung 102 eine mit einer Rotorwelle des Rotors 106 verbundene Antriebswelle 112 einer elektrischen Maschine 114 auf. Die Rotorwelle und die Antriebswelle 112 können einstückig ausgeführt sein oder drehfest oder über ein Gewinde gekoppelt sein.
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Die mechanische Bremseinrichtung 108 ist ausgebildet, um eine Reibkraft 115 auf den Rotor 106 auszuüben, um den Rotor 106 mechanisch durch Reibung abzubremsen, wenn sich der Rotor 106 dreht. Wenn der Rotor 106 stillsteht, kann die Reibkraft 115 zum Fixieren des Rotors 106 dienen. Somit kann die mechanische Bremseinrichtung 108 sowohl als Notbremse als auch als Feststellbremse eingesetzt werden. Zum erzeugen der Reibkraft können im Bereich der Fahrzeugbremsen bekannte Methoden eingesetzt werden. Beispielsweise ist die mechanische Bremseinrichtung 108 ausgebildet, um die Reibkraft 115 hydraulisch, pneumatisch, mechanisch, beispielsweise mittels eines Bowdenzugs, oder elektro-mechanisch zu erzeugen. Bei einer hydraulischen oder pneumatischen Ausführung ist die Bremseinheit beispielsweise an ein Hydrauliksystem oder ein Pneumatiksystem des Fahrzeugs 100 angeschlossen.
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Die Wirbelstrombremseinrichtung 110 ist ausgebildet, um ein auf den Rotor 106 gerichtetes Magnetfeld 116 zum Bewirken von Wirbelströmen in dem Rotor 106 zu erzeugen, um den Rotor 106 unter Ausnutzung des Wirbelstromprinzips abzubremsen. Somit kann ein und derselbe Rotor 106 zum einen unter Verwendung der mechanischen Bremseinrichtung 108 und zum anderen unter Verwendung der Wirbelstrombremseinrichtung 110 gebremst werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die mechanische Bremseinrichtung 108 und die Wirbelstrombremseinrichtung 110 unabhängig voneinander angesteuert, sodass die mechanischen Bremseinrichtung 108 beispielsweise im Falle einer defekten Wirbelstrombremseinrichtung 110 als Ersatz für die Wirbelstrombremseinrichtung 110 aktiviert werden kann.
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Die Antriebseinrichtung 102 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel mit mindestens einem Rad 118 des Fahrzeugs 100 verbunden. Dadurch kann das Rad 118 unter Verwendung der Antriebseinrichtung 102 sowohl beschleunigt als auch abgebremst sowie festgestellt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bremseinheit 104 als eine kombinierte Bremse realisiert, beispielsweise als eine Park- oder Notbremse und Betriebsbremse, sodass innerhalb des Fahrzeugs 100 Bauraum verglichen mit Fahrzeugen gespart wird, die solche Bremsen getrennt voneinander aufweisen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Bremseinheit 104 eine Steuereinrichtung 120 auf, die ausgebildet ist, um die mechanische Bremseinrichtung 108 ansprechend auf ein Feststellsignal 122 und/oder ansprechend auf ein Notbremssignal 124 in einen aktiven Zustand zu versetzen, und/oder um die Wirbelstrombremseinrichtung 110 ansprechend auf ein Betriebsbremssignal 126 zu aktivieren. Das Feststellsignal 122 wird beispielsweise von einem durch einen Insassen betätigten Handbremshebel 128, der auch als Feststellbremse bezeichnet wird, des Fahrzeugs 100 ausgelöst und das Notbremssignal 124 wird beispielsweise durch einen betätigten Notbremshebel 130 ausgelöst. Ansprechend darauf stellt die Steuereinrichtung 120 beispielsweise ein Bremssignal 127 zum Aktivieren der mechanischen Bremseinrichtung 108 bereit. Durch das Aktivieren der mechanischen Bremseinrichtung 108 wird der Rotor 106 mechanisch gebremst und/oder festgestellt, beispielsweise indem zumindest ein Bremsbelag gegen den Rotor 106 gedrückt wird. Das Betriebsbremssignal 126 wird lediglich beispielhaft durch ein von dem Insassen betätigtes Bremspedal 132 bereitgestellt. Die Steuereinrichtung 120 stellt gemäß diesem Ausführungsbeispiel ansprechend auf das Betriebsbremssignal 126 ein Verzögerungssignal 134 an die Wirbelstrombremseinrichtung 110 bereit, um die Wirbelstrombremseinrichtung 110 zu aktivieren. Durch das Aktivieren der Wirbelstrombremseinrichtung 110 wird der sich drehende Rotor 106 gebremst.
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Optional wird zumindest eines der Signale 122, 124, 126 automatisiert bereitgestellt.
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Lediglich optional weist die Bremseinheit 104 eine Lüftungseinrichtung 140 auf, die ausgebildet ist, um die mechanischen Bremseinrichtung 108 elektromagnetisch, hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch zu lüften. Dadurch wird beispielsweise eine manuelle Deaktivierung der Bremseinheit 104 erreicht.
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2 zeigt eine schematische Seitendarstellung einer Antriebseinrichtung 102 mit einer Bremseinheit 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die in 2 dargestellte Antriebseinrichtung 102 entspricht oder ähnelt der in 1 beschriebenen Antriebseinrichtung 102 und ist entsprechend für ein Fahrzeug einsetzbar, wie es in 1 beschrieben wurde. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Antriebseinrichtung 102 eine Getriebeeinheit 200 auf, die mit dem Rad 118 des Fahrzeugs gekoppelt ist und eine Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Rad 118 und dem Rotor 106 ermöglicht.
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Wie auch in 1 beschrieben weist die Bremseinheit 104 den Rotor 106, die mechanische Bremseinrichtung 108 sowie die Wirbelstrombremseinrichtung 110 auf. Die Wirbelstrombremseinrichtung 110 ist ausgebildet, um ein auf den Rotor 106 gerichtetes Magnetfeld zum Bewirken von Wirbelströmen in dem Rotor 106 zu erzeugen, um den Rotor 106 unter Ausnutzung des Wirbelstromprinzips abzubremsen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Rotor 106 dazu einen elektrisch leitfähigen Werkstoff auf, wie beispielsweise Aluminium. Die Wirbelstrombremseinrichtung 110 weist mindestens einen Elektromagneten 202 zum Erzeugen des Magnetfelds auf, das auf den Rotor 106 wirkt, um ihn abzubremsen. Ein Spulenkern des Elektromagneten 202 ist dabei lediglich optional C-förmig realisiert. Ein Rand einer einstückig mit einer Rotorwelle 204 des Rotors 106 ausgeformte oder, abgesehen von einem optionalen Spiel, drehfest mit der Rotorwelle 204 verbundene Rotorscheibe 206 des Rotors 106 ragt beispielsweise in eine entsprechende Öffnung des Spulenkerns des Elektromagneten 202 hinein. Auf diese Weise können Magnetfeldlinien des von dem Elektromagneten 202 erzeugten Magnetfelds die Rotorscheibe 206 des Rotors 106 parallel zu einer Drehachse des Rotors 106 und somit orthogonal zu einer Drehrichtung der Rotorscheibe 206 durchdringen.
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Die Reibkraft und das Magnetfeld wirken dabei auf die Rotorscheibe 206, dessen freies Ende gemäß diesem Ausführungsbeispiel in der C-Öffnung des Elektromagneten 202 ragt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Rotor 106 nur die eine Rotorscheibe 206. Die Rotorwelle 204 ist lediglich optional mit der Antriebswelle verbunden, wie sie beispielsweise in 1 beschrieben wurde, jedoch in 2 aufgrund der Darstellungsart nicht sichtbar ist. Die Antriebswelle ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel von der elektrischen Maschine 114 verdeckt. Die Rotorwelle 204 ist beispielsweise einstückig mit der Antriebswelle der elektrischen Maschine 114 ausgeformt oder, abgesehen von einem optionalen Spiel, drehfest mit der Antriebswelle der elektrischen Maschine 114 verbunden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die mechanische Bremseinrichtung 108 ebenfalls einen Elektromagneten 208 auf, der ausgebildet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um eine Ankerplatte, die der Übersichtlichkeit halber in 4 näher beschrieben wird, von dem Rotor, das heißt der Rotorscheibe 206 weg zu ziehen. Dadurch ist die Rotorscheibe 206 frei um die Achse der Rotorwelle 204 beweglich.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Bremseinheit 104 ein Gehäuse 210 auf, das um den Rotor 106, die mechanische Bremseinrichtung 108 und die Wirbelstrombremseinrichtung 110 herum angeordnet ist. Optional ist das Gehäuse 210 zusätzlich um die elektrische Maschine 114 herum angeordnet, um diese beispielsweise ebenfalls vor äußeren Einflüssen zu schützen.
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Die elektrische Maschine 114 und die die Bremseinheit 104 sind gemäß einem Ausführungsbeispiel direkt aneinandergrenzend angeordnet. Beispielsweise ist die elektrische Maschine 114 mittels Kabelverbindungen 212 mit der Bremseinheit 104 verbunden. Die Kabelverbindungen 210 sind beispielsweise geeignet, um die Elektromagnete 202, 208 der Bremseinheit 104 zu bestromen und/oder um entsprechende Signale an die Getriebeeinheit 200 des Fahrzeugs bereitzustellen, beispielsweise um ein generatorisches Bremsen des Rads 118 unter Verwendung der elektrische Maschine 114 zu ermöglichen.
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Üblicherweise unterliegen alle mechanisch unterstützenden Bremssysteme einem Verschleiß. Die dadurch begrenzte Lebensdauer macht es erforderlich, die Bremse regelmäßig zu überprüfen und zu warten. Mechanische Bremsen sind jedoch nur teilweise, nicht oder unzureichend dosierbar und erhöhen dadurch einen Energieverbrauch des Fahrzeuges durch Schleppverluste. Eine Wirbelstrombremse eignet sich insbesondere für hohe Drehzahlen zur Unterstützung eines generatorischen Bremsvorganges. Eine mechanische Parkbremse ist trotzdem notwendig. Es sind zusätzliche Komponenten erforderlich, die Bauraum beanspruchen. Die Bremsen sind meist auf einer der Abtriebseite abgewandten Stirnseite der elektrischen Maschine angeordnet. In dieser Richtung steht bei allen üblichen Getriebebauformen nur begrenzt Bauraum im Fahrzeug zur Verfügung. Bei beispielsweise Stirnrad-Kegelradgetrieben, die bevorzugt für Schubmaststapler und ähnliche Fahrzeuge verwendet werden, ist die Bauhöhe des Fahrantriebes ein kritisches Maß. Bei Stirnrad-Planetenrad-Getrieben, die häufig als Fahrantriebe für Gegengewichtstapler eingesetzt werden, bestimmt die Spurbreite des Fahrzeuges den verfügbaren Bauraum in dieser Richtung.
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Vor diesem Hintergrund wird durch den beschriebenen Ansatz die Bremseinheit 104 beschrieben, die gemäß einem Ausführungsbeispiel sowohl die elektrische Maschine 114 bei einer Betriebsbremsung unterstützt als auch als Park- und Notbremse geeignet ist. Zusätzlich arbeitet die vorgestellte Bremse zumindest im Hinblick auf die Wirbelstrombremseinrichtung 110 ohne Verschleiß und beansprucht einen geringen Bauraum. Die Antriebseinrichtung 102 eignet sich für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Flurförderfahrzeug, eine Baumaschine, eine Landmaschine oder auch ein Straßenfahrzeug, und umfasst die elektrischen Maschine 114 und mindestens die eine Bremseinheit 104, die als Park-, Not- und Betriebsbremse nutzbar ist. Die Bremseinheit 104 weist demnach einen Rotor 106 auf, der sowohl mechanisch durch Reibung als auch durch ein Magnetfeld unter Ausnutzung des Wirbelstromprinzips abgebremst wird.
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Es werden dazu mehrere physikalische Effekte genutzt, um das Fahrzeug zu bremsen. Die Park- und Notbremsfunktion wird mechanisch durch ein rotierendes als Rotorscheibe 206 beschriebenes Reibelement realisiert, das mit einer Federkraft beaufschlagt wird und dadurch ein Feststellbremsmoment erzeugt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die gleiche rotierende Rotorscheibe 206 für eine Wirbelstrombremse verwendet. Durch die Mehrfachverwendung des Rotors 106 ist der für die komplette Bremsfunktion benötigte Bauraum in axialer Richtung reduzierbar.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in 2 die Antriebseinrichtung 102 dargestellt und beschrieben, die vereinfacht auch als Antriebseinheit oder Antrieb bezeichnet wir. Die Antriebseinrichtung 102 umfasst optional das Rad 118, welches mit dem Abtrieb der Getriebeeinheit 200 verbunden ist. Die Getriebeeinheit 200 wird beispielsweise durch die elektrische Maschine 114 angetrieben und ist beispielsweise mittels einer Drehverbindung 216 drehbar um eine Achse 218 der elektrischen Maschine 114 mit einer Rahmenplatte 220 verbunden. Die elektrische Maschine 114 ist beispielsweise ausgebildet, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und das Fahrzeug zu beschleunigen. Umgekehrt ist sie ausgebildet, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und das Fahrzeug auf diese Weise zu verzögern. Die Bremseinheit 104 ist demnach ausgebildet, um das Fahrzeug einerseits gegen unbeabsichtigte Bewegung zu sichern (Parkbremsfunktion) und als Notbremse wirken, als auch die elektrische Maschine 114 bei der Verzögerung des Fahrzeugs zu unterstützen. Die Park- und Notbremsfunktion wird gemäß einem Ausführungsbeispiel mechanisch unter Verwendung der mechanischen Bremseinrichtung 108 realisiert, während die Unterstützung der elektrischen Maschine 114 bei der Verzögerung des Fahrzeuges elektrisch unter Verwendung der Wirbelstrombremseinrichtung 110 mit dem Wirbelstromprinzip erzielt wird.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Antriebseinrichtung 102. Die in 3 dargestellte Antriebseinrichtung 102 entspricht beispielsweise der in 2 beschriebenen Antriebseinrichtung 102 und ist für ein Fahrzeug realisierbar, wie es in 1 beschrieben wurde. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu der in 2 beschriebenen Antriebseinrichtung 102 eine beispielhafte Radaufhängung 300 des Rads 118 dargestellt.
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Bremseinheit 104. Die in 4 dargestellte Bremseinheit 104 entspricht beispielsweise der in einer der 1 bis 3 beschriebenen Bremseinheit 104. Der Rotor 106 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Rotorwelle 204 auf, die zudem verwendet wird, um den Rotor 106 mit der elektrischen Maschine zu verbinden. Der Rotor 106 weist weiterhin die starr mit der Rotorwelle 204 verbundene Rotorscheibe 206 auf. Die Reibkraft der mechanischen Bremseinrichtung 108 sowie das Magnetfeld der Wirbelstrombremseinrichtung 110 wirken dabei auf die Rotorscheibe 206. Durch das Magnetfeld der Wirbelstrombremseinrichtung 110 wird die aus beispielsweise einem leitfähigen Werkstoff bestehende Rotorscheibe 206 bewegt, wobei Wirbelströme in der Rotorscheibe 206 erzeugt werden und dadurch ein Bremsmoment auf den Rotor 106 wirkt, um beispielsweise das Fahrzeug zu verzögern.
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Wie bereits in 2 beschrieben weist die mechanische Bremseinrichtung 108 eine Ankerplatte 400, ein Federelement 402, das beispielsweise als eine Schraubenfeder ausgeformt ist, und den Elektromagneten 208 auf. Das Federelement 402 ist dabei ausgeformt, um die Ankerplatte 400 gegen den Rotor 106, genauer gesagt gegen die Rotorscheibe 206, zu drücken, um die Reibkraft auszuüben, sofern der Elektromagnet 208 nicht bestromt wird. Die mechanische Bremseinrichtung 108 funktioniert demnach beispielsweise als Federdruckbremse zum Ausüben beispielsweise einer Parkbremsfunktion oder einer Notbremsfunktion des Fahrzeugs. Der Elektromagnet 208 ist ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um die Ankerplatte 400 von der Rotorscheibe 206 weg zu ziehen, wenn er bestromt ist. Dadurch wird beispielsweise erreicht, dass die mechanische Bremseinrichtung 108 gelöst und sich der Rotor 106 drehen kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die mechanische Bremseinrichtung 108 einen ersten Reibbelag 404 und einen zweiten Reibbelag 406 zum mechanischen Abbremsen des Rotors 106 auf, wobei die Reibbeläge 404, 406 auf gegenüberliegenden Seiten der Rotorscheibe 206 angeordnet sind. Genauer gesagt ist der erste Reibbelag 404 zwischen der Ankerplatte 400 und der Rotorscheibe 206 angeordnet und der zweite Reibbelag 406 zwischen einer der Ankerplatte 400 abgewandten Seite der Rotorscheibe 206 und einer fix mit dem Gehäuse 210 verbundenen Reibscheibe 408 des Rotors 106.
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Anders ausgedrückt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel die Bremseinheit 104 dargestellt, deren Gehäuse 210, das lediglich optional aus einer Mehrzahl von Gehäuseteilen realisierbar ist, fest mit einem Gehäuse der elektrischen Maschine verbunden ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Reibscheibe 408 fest mit dem Gehäuse 210 verbunden. Auch die Reibscheibe 408 ist fest mit dem Gehäuse 210 der elektrischen Maschine verbunden. Die Rotorscheibe 206 ist beispielsweise drehfest, aber mit axialem Spiel mit der Rotorwelle 204 der elektrischen Maschine verbunden. Das bedeutet, dass die Rotorwelle 204 drehbar ausgeformt ist. Auf der Rotorscheibe 206 sind lediglich optional die Reibbeläge 404, 406 angeordnet.
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Ein ringförmiger Kern 410 ist fest mit dem Gehäuse 210 verbunden und nimmt eine zunächst unbestromte Magnetspule, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Elektromagnet 208 beschrieben ist, und das Federelement 402 auf. Das Federelement 402 drückt dabei die Ankerplatte 400, die drehfest aber axial beweglich mit dem ringförmigen Kern 410 verbunden ist, in Richtung der Reibscheibe 408 und übt eine Kraft in diese Richtung aus. Zwischen der Reibscheibe 408 und der Ankerplatte 400 ist die gemeinsam mit der Rotorwelle 204 rotierende Rotorscheibe 206 mit optionalen Reibbelägen 404, 406 angeordnet. Aufgrund der durch das Federelement 402 wirkenden Kraft wird ein Bremsmoment zwischen der Rotorscheibe 206 und den nicht drehbaren Bauteilen, wie beispielsweise der Reibscheibe 408 und der Ankerplatte 400 aufgebaut, welches als Park- oder Notbremsmoment nutzbar ist. Wird der Elektromagnet 208 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld im ringförmigen Kern 410 und der Ankerplatte 400, welches dafür sorgt, dass die Ankerplatte 400 gegen die Federkraft des Federelements 402 an den ringförmigen Kern 410 gezogen wird und einen axialen Abstand erzeugt, der größer ist als die Dicke der Rotorscheibe 206 und der Reibbeläge 404, 406. Die Rotorscheibe 206 ist nun frei zwischen der Reibscheibe 404 und der Ankerplatte 400 drehbar, ohne dass zwischen diesen Teilen ein Drehmoment erzeugt wird.
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Bei einer Verzögerung des Fahrzeugs wird die Wirbelstrombremseinrichtung 110 angesteuert, sodass das Bremsmoment von der elektrischen Maschine aufgebracht wird, welche die kinetische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie umwandelt. Diese ist beispielsweise in eine Batterie des Fahrzeugs zurückspeisbar. Insbesondere bei hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine ist es hilfreich, die elektrische Maschine bei der Verzögerung des Fahrzeuges durch die Wirbelstrombremseinrichtung 110 zu unterstützen. Diese Funktion erfüllt die Bremseinheit 104 unter Verwendung des Wirbelstromprinzips. Dazu weist die Bremseinheit 104 an einem Umfang der Rotorscheibe 206 mindestens den einen Elektromagnet 202 bestehend aus einem C-förmigen Kern 412 und einer Magnetspule 414 auf. Der C-förmige Kern 412 ist an einer Seite geöffnet, das bedeutet er formt einen Spalt aus, in den die Rotorscheibe 206 hineinragt. Der Spalt im C-förmigen Kern 412 ist breiter ausgeformt, als die Rotorscheibe 206 in diesem Bereich dick ist. Die Rotorscheibe 206, die sich gemeinsam mit der Rotorwelle 204 dreht, ist im Spalt frei beweglich, ohne mit dem C-förmigen Kern 412 in mechanischen Kontakt zu treten.
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Der Rotor 10 weist beispielsweise einen elektrisch leitfähigen Werkstoff auf, beispielsweise Aluminium. Wird die Magnetspule 414 bestromt, so bildet sich im C-förmigen Kern 412 ein magnetischer Fluss, der auch im Spalt wirksam ist, also auch die Rotorscheibe 206 durchdringt. Aufgrund der Bewegung der leitfähigen Rotorscheibe 206 im Magnetfeld des Elektromagneten 202, werden in den Rotor 106 Ströme induziert, die den Rotor 106 erwärmen und ihm dabei kinetische Energie entziehen. Es wirkt ein Bremsmoment auf den Rotor 106. Dieses Bremsmoment ist unter anderem von der Drehzahl des Rotors 106 und von der Stärke des Magnetfeldes des Elektromagnets 202 abhängig. Durch die Höhe des Stromes in der Magnetspule 414 ist das Bremsmoment einstellbar. Der Rotor 106 und der Elektromagnet 202 sind gemäß einem Ausführungsbeispiel derart ausgelegt, dass das Bremsmoment der Bremseinheit 104 bei hoher Drehzahl des Rotors 106 so groß ist, dass es gemeinsam mit dem Bremsmoment der elektrischen Maschine ausreicht, um das Fahrzeug normgerecht zu bremsen. Bei geringer Drehzahl des Rotors wird prinzipbedingt nur ein geringes Bremsmoment durch den Wirbelstromeffekt erzeugt. Allerdings erzeugt die elektrische Maschine bei geringen Drehzahlen ein hohes Verzögerungsmoment, das ausreichend groß ist, um das Fahrzeug ohne Unterstützung durch die mechanische Bremseinrichtung 108 normgerecht zu verzögern.
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Alternativ ist die mechanische Bremseinrichtung 108 als positiv betätigte Bremse ausgeführt, die hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch betätigt wird. Die negativ betätigte mechanische Bremseinrichtung 108 als Federdruckbremse ist beispielsweise auch hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch lüftbar.
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Anders ausgedrückt und zusammengefasst ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Antrieb für ein Fahrzeug mit mindestens einer elektrischen Maschine und der mindestens einen Bremseinheit 104 beschrieben, die als Park-, Not- und Betriebsbremse genutzt werden kann. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Rotor 106 aufweist, der sowohl mechanisch durch Reibung mittels mechanischer Bremseinrichtung 108 als auch durch ein Magnetfeld unter Ausnutzung des Wirbelstromprinzips mittels der Wirbelstrombremseinrichtung 110 abgebremst wird. Weiterhin wird die Not- und die Parkbremsfunktion mechanisch und die Betriebsbremsfunktion elektrisch mittels Wirbelstromprinzip realisiert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Betätigung der mechanischen Bremseinrichtung 108 durch mindestens ein Federelement 102, hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch, wie beispielsweise durch einen Bowdenzug. Optional wird die Bremseinheit 104 elektromagnetisch, hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch gelüftet. Die Bremseinheit 104 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel mindestens einen Elektromagnet 202 auf, der ein Magnetfeld erzeugt, durch das sich der aus einem leitfähigen Werkstoff bestehende Rotor 106 der Bremse bewegt, dabei Wirbelströme im Rotor 106 erzeugt werden und dadurch ein Bremsmoment auf den Rotor 106 wirkt.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Bremseinheit 104. Die in 5 dargestellte Bremseinheit 104 entspricht beispielsweise der in 4 beschriebenen Bremseinheit 104. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Bremseinheit 104 lediglich aus der Draufsicht dargestellt, sodass verdeutlicht ist, dass die Bremseinheit eine Mehrzahl von Elektromagneten 202 aufweist, die radial um die Rotorwelle 204 herum angeordnet sind. Die Rotorscheibe 206 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgeformt und mit der Rotorwelle 204 verbunden. Die Elektromagneten 202 der Wirbelstrombremseinrichtung 110 weisen dabei gemäß diesem Ausführungsbeispiel jeweils einen C-förmigen Kern 412 und je eine Magnetspule 414 auf, durch die der Strom fließt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die mechanische Bremseinrichtung 108 ringförmig ausgeformt und zwischen der Rotorwelle 204 und den Elektromagneten 202 der Wirbelstrombremseinrichtung 110 angeordnet. Beispielhaft weist die Wirbelstrombremseinrichtung 110 acht Elektromagnete 202 auf. Die Elektromagnete 202 können alle zusammen oder individuell bestromt werden.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Bremsen einer Antriebseinrichtung. Durch das Verfahren 600 wird beispielsweise eine Antriebseinrichtung gebremst, wie sie in einer der 1 bis 3 beschrieben wurde. Das Verfahren 600 umfasst dabei einen Schritt 602 des Ausübens und einen Schritt 604 des Erzeugens. Im Schritt 602 des Ausübens wird eine Reibkraft auf den Rotor ausgeübt, um den Rotor mechanisch durch Reibung abzubremsen. Im Schritt 604 des Erzeugens wird ein Magnetfeld erzeugt, um Wirbelströme in dem Rotor zu bewirken, um den Rotor unter Ausnutzung des Wirbelstromprinzips abzubremsen. Die Verfahrensschritte 602, 604 können wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Die Schritte 602, 604 können beispielsweise ansprechend auf ein Einlesen eines Bremsanforderungssignals einer Bremsbetätigungseinrichtung, beispielsweise eines Bremspedals oder Bremshebels, ausgeführt werden.
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7 zeigt eine Diagrammdarstellung einer Motor-Controller-Kurve einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Motor-Controller-Kurve steht dabei beispielsweise in Verbindung mit einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug, wie sie in mindestens einer der 1 bis 3 beschrieben wurde. Die elektrische Maschine wird im Folgenden auch als Antriebsmaschine bezeichnet.
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Damit das Fahrzeug sowohl vorwärts als auch rückwärts jeweils beschleunigen und verzögern kann, wird die Antriebsmaschine im 4-Quadrantenbetrieb betrieben. Zur Ansteuerung der Antriebmaschine wird ein Inverter verwendet. Dieser regelt den Betriebszustand der Antriebsmaschine für die jeweilige Fahrsituation. Die Drehstrom-Asynchronmaschine zeichnet sich durch eine sehr gute Regelbarkeit aus. Die Möglichkeiten werden jedoch aus technischen Gründen durch eine Grenzkennlinie limitiert, deren Verlauf von der physischen Ausführung des Motors als auch dem Leistungsvermögen des Inverters abhängt.
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Im ersten Quadranten 1 sind sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment der Antriebsmaschine positiv. Das Fahrzeug wird in Vorwärtsrichtung beschleunigt. Die Antriebsmaschine wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Im zweiten Quadranten 2 ist die Drehzahl positiv, das Drehmoment jedoch negativ. Das Fahrzeug bewegt sich vorwärts, wird jedoch verzögert. Die elektrische Maschine arbeitet in Generatorbetrieb und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Im dritten Quadranten 3 sind sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment negativ. Das Fahrzeug bewegt sich rückwärts und wird rückwärts beschleunigt. Die elektrische Maschine arbeitet im Motorbetrieb, wandelt also elektrische Energie in mechanische um. Im vierten Quadranten 4 ist die Drehzahl der elektrischen Maschine negativ, das Drehmoment jedoch positiv. Das Fahrzeug bewegt sich rückwärts und wird aber verzögert.
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Die elektrische Maschine kann nur in Betriebspunkten betrieben werden, die sich zwischen Grenzkennlinien 700 des in 7 dargestellten Diagrammes befinden. Die Grenzkennlinien 700 sind die Einhüllende einer Vielzahl von Kennlinien, die der Controller durch Parameter, wie beispielsweise Phasenspannung, Phasenstrom und Drehfrequenz, einstellt.
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Wie die Grenzkurve deutlich erkennen lässt, steht bei geringen Motordrehzahlen ein deutlich höheres Drehmoment zur Verfügung als bei hohen Motordrehzahlen. Das ist vor allem bei Bremsvorgängen nachteilig, da deshalb bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten nur ein geringes Bremsmoment erreichbar ist. Um die geforderte Verzögerung zu erreichen oder den geforderten maximal zulässigen Bremsweg nicht zu überschreiten, kann es erforderlich sein, eine zusätzliche Bremseinrichtung zu verwenden. Grundsätzlich ist es aber vorteilhaft, bei Bremsvorgängen so viel mechanische Energie wie möglich in elektrische Energie umzuwandeln und in eine Batterie einzuspeisen. Auf diese Weise kann die Entnahme von Energie aus der Batterie des Fahrzeuges im Vergleich zu rein mechanisch gebremsten Fahrzeugen deutlich gesenkt werden und somit die Dauer des Betriebs das Fahrzeuges mit einer Batterieladung erhöht werden.
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In Fällen, in denen die zuvor beschriebene generatorische Bremse keine ausreichende Verzögerung generieren kann, werden neben Lastradbremsen häufig elektrisch lüftbare mechanische Federdruckbremsen verwendet. Diese Bremsen haben im Regelfall zwei Betriebszustände, geschlossen oder gelüftet und das Bremsmoment ist nicht dosierbar. Diese Bremsenbauart ist hauptsächlich als Feststellbremse und Notbremse für den Fahrantrieb geeignet. Zur Unterstützung von Betriebsbremsvorgängen sind diese Bremsen aufgrund der nicht vorhandenen Dosierbarkeit kaum geeignet. Federdruckbremsen enthalten Reibelemente und unterliegen mechanischem Verschleiß.
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Es können auch Lamellenbremsen mit hydraulischer, pneumatischer oder mechanischer Betätigung zur Unterstützung der Betriebsbremsung verwendet werden. Diese sind sehr gut dosierbar und können in das Getriebe integriert werden. Die Reibelemente können im Getriebeöl betrieben werden und unterliegen dadurch einem nur geringen Verschleiß. Nachteilig wirken sich aber die Schleppverluste aus, die auch bei gelüfteter Bremse auftreten und den Energieverbrauch des Antriebs erhöhen.
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Bezugszeichen
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- 100
- Fahrzeug
- 102
- Antriebseinrichtung
- 104
- Bremseinheit
- 106
- Rotor
- 108
- mechanische Bremseinrichtung
- 110
- Wirbelstrombremseinrichtung
- 112
- Antriebswelle
- 114
- elektrische Maschine
- 115
- Reibkraft
- 116
- Magnetfeld
- 118
- Rad
- 120
- Steuereinrichtung
- 122
- Feststellsignal
- 124
- Notbremssignal
- 126
- Betriebsbremssignal
- 127
- Bremssignal
- 128
- Handbremshebel
- 130
- Notbremshebel
- 132
- Bremspedal
- 134
- Verzögerungssignal
- 140
- Lüftungseinrichtung
- 200
- Getriebeeinheit
- 202
- Elektromagnet
- 204
- Rotorwelle
- 206
- Rotorscheibe
- 208
- Elektromagnet
- 210
- Gehäuse
- 212
- Kabelverbindung
- 216
- Drehverbindung
- 218
- Achse
- 220
- Rahmenplatte
- 300
- Radaufhängung
- 400
- Ankerplatte
- 402
- Federelement
- 404
- erster Reibbelag
- 406
- zweiter Reibbelag
- 408
- Reibscheibe
- 410
- ringförmiger Kern
- 412
- C-förmiger Kern
- 414
- Magnetspule
- 600
- Verfahren zum Bremsen einer Antriebseinrichtung
- 602
- Schritt des Ausübens
- 604
- Schritt des Erzeugens
- 700
- Grenzkennlinie
- 1
- erster Quadrant
- 2
- zweiter Quadrant
- 3
- dritter Quadrant
- 4
- vierter Quadrant
