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Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Rückkopplungsantrieb für ein Lenksystem, aufweisend einen bürstenlosen Elektromotor mit einem bewickelten Stator und mit einem permanenterregten Rotor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Lenksystem mit einem solchen Rückkopplungsantrieb.
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In einem modernen Kraftfahrzeug werden Elektromotoren in vielfältiger Weise als Antriebe für unterschiedliche Stellelemente eingesetzt. Elektromotoren werden beispielsweise als Fensterheber-, Schiebedach- oder Sitzverstellantriebe, als Lenkungsantriebe (EPS, Electrical Power Steering), als Kühlerlüfterantriebe oder als Getriebeaktuatoren eingesetzt. Derartige Elektromotoren können hierbei auch bei sogenannten Rückkopplungsantrieben (engl.: force feedback drive) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem verwendet werden.
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Unter Steer-by-Wire wird hier und im Folgenden insbesondere ein Lenkkonzept verstanden, bei welchem ein manueller Lenkbefehl eines Fahrzeugnutzers von einem Sensor (insbesondere dem Lenkrad) über ein Steuergerät ausschließlich elektrisch zu einem elektromechanischen Aktor, der den Lenkbefehl ausführt, weitergeleitet wird. Mit anderen Worten besteht bei einem solchen Lenksystem keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und einem Lenkgetriebe beziehungsweise den gelenkten Fahrzeugrädern.
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Bei Steer-by-Wire-Lenksystemen gibt es somit für den Fahrzeugnutzer keine unmittelbare mechanische Rückmeldung hinsichtlich des Lenkbefehls. Diese fehlende haptische Rückmeldung kann die Fahrsicherheit und Lenkbarkeit verringern, da der Fahrzeugnutzer die aktuelle Fahrsituation nicht sicher erfassen kann.
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Steer-by-Wire-Lenksysteme weisen daher regelmäßig einen separaten Stellaktuator als Rückkopplungsantrieb auf, um das Lastmoment als Reaktion der gelenkten Räder als ein haptisches Rückkopplungssignal physisch an den Fahrzeugnutzer zu übermitteln, und außerdem bei Bedarf ein Bremsmoment aufzubauen, welches Lenkdynamik sowie Lenkanschläge simuliert. Das Rückkopplungssignal gibt dem Fahrzeugnutzers somit ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückkopplungsmoment, so dass dieser den Eindruck einer konventionellen Lenkung bekommt.
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Der Rückkopplungsantrieb kann hierbei als ein Direktantrieb (also ohne zusätzliches Getriebe) an der Lenksäule des Lenksystems angeordnet sein. Bei einem solchen Direktantrieb werden hohe funktionale Ansprüche an den Rückkopplungsantrieb gestellt. So soll der Rückkopplungsantrieb beispielsweise ein hohes Stellmoment bei geringem Bauraum, und einen ausreichend hohen Wirkungsgrad für thermische Stabilität, sowie eine geringe Drehmomentwelligkeit für gute Akustik aufweisen. Weiterhin sind ein geringes Rastmoment und eine gute Regelbarkeit bei hoher Stellgenauigkeit gewünscht.
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Ein Motortyp, welcher alle Kriterien ausreichend erfüllen kann, ist ein hochpoliger, bürstenloser Gleichstrommotor (engl.: brushless DC electric motor, BLDC motor), welcher beispielsweise als ein Innen- oder Außenläufer ausgeführt ist. Eine besondere Herausforderung stellt hierbei die möglichst sinusförmige Luftspaltinduktion zwischen dem Rotor und dem Stator dar, um den Elektromotor akustisch und haptisch unauffällig steuern zu können, und die diesbezüglich hohen marktseitigen Anforderungen zu erfüllen.
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Herkömmliche BLDC-Motorkonzepte weisen prinzipbedingt eine etwa trapezförmige Luftspaltinduktion auf, und können die gewünschten Kriterien lediglich bedingt erfüllen. Die Hochpoligkeit bedeutet einen Mehraufwand in der Montage der Rotormagneten, außerdem kann es im Randbereich der Rotormagnete aufgrund des limitierten Rotordurchmessers zu magnetischen Kurzschlüssen kommen, sodass das eingesetzte Magnetmaterial nicht optimal ausgenutzt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen besonders geeigneten Rückkopplungsantrieb für ein Lenksystem anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst sinusförmige Luftspaltinduktion zwischen dem Rotor und dem Stator realisiert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Lenksystem anzugeben.
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Hinsichtlich des Rückkopplungsantriebs wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Lenksystems mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Rückkopplungsantrieb angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Lenksystem übertragbar und umgekehrt.
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Der erfindungsgemäße elektromotorische Rückkopplungsantrieb ist für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für ein Steer-by-Wire-Lenksystem, vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Der Rückkopplungsantrieb weist hierbei einen hochpoligen, bürstenlosen, Elektromotor auf, welcher einen bewickelten Stator und einen Rotor aufweist.
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Der Rotor ist permanenterregt ausgeführt, und weist hierbei einen permanentmagnetischen Rotormagnet als Magnetflussquelle zur Drehmomenterzeugung auf. Der Rotormagnet weist hierbei eine Anzahl von Magnetpolen auf, welche nach Art einer Halbach-Anordnung (Halbach-Array, Halbachmagnetisierung) magnetisiert sind. Bei einer solchen Anordnung ist auf einer dem Stator zugewandten Seite der Anordnung das Magnetfeld verstärkt, während es auf der gegenüberliegenden (dem Stator abgewandten) Seite reduziert ist. Dabei ergibt sich bei entsprechender Orientierung der Permanentmagnete ein sinusförmiger Feldstärkeverlauf auf der dem Stator zugewandten Seite, wodurch insbesondere ein Rastmoment reduziert ist.
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Der nach Art einer Halbach-Anordnung magnetisierte Rotormagnet weist zusammenfassend an dessen dem Stator zugewandten Seite und entsprechend in einem zwischen dem Rotor und dem Stator gebildeten Luftspalt einen sinusförmigen magnetischen Feldstärkeverlauf bezüglich einer Radialrichtung, also senkrecht zur Motorachse, auf. Dies resultiert in einer sinusförmigen elektromotorischen Kraft (EMK) als Luftspaltinduktion entlang der Umfangsrichtung des Rotors. Insbesondere aufgrund der Magnetisierung ist dabei eine sinusförmige EMK ohne oder zumindest mit vergleichsweise wenigen und/oder schwach ausgebildeten Oberschwingungen realisiert. Aufgrund dessen treten eine vergleichsweise geringe Drehmomentwelligkeit auf, weshalb die Motoreffizienz vorteilhaft verbessert ist.
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Die Halbach-Magnetisierung des Rotormagneten wird beispielsweise mittels einzeln vorgefertigter, anisotroper Permanentmagnete in entsprechender Orientierung hergestellt. Alternativ zu dieser Ausführung mit mehreren anisotropen Permanentmagneten kann beispielsweise auch eine Halbachmagnetisierung mittels eines isotropen Ringmagneten realisiert sein, auf welchen die Halbach-Magnetisierung aufgeprägt ist.
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Der Rotormagnet ist hierbei in einem Rotorgehäuse angeordnet, welches drehfest mit einer Lagerschild gefügt ist. Das Lagerschild bildet hierbei vorzugsweise eine mechanische Schnittstelle des Rückkopplungsantriebs zu dem Lenksystem. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Rückkopplungsantrieb mittels des Lagerschilds an eine Lenksäule zur direkten Übertragung eines erzeugten Drehmoments koppelbar ist. Dadurch ist ein besonders geeigneter Rückkopplungsantrieb realisiert.
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Durch die Halbachmagnetisierung des Rotormagneten ist eine geringe Drehmomentwelligkeit im Motorbetrieb realisiert, welche sich aufgrund der sinusförmigen Luftspaltinduktion in Kombination mit der hohen Polanzahl vorteilhaft auf die Akustik des Rückkopplungsantriebs auswirkt.
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Der Elektromotor ist vorzugsweise als ein Radialflussmotor ausgeführt. Alternativ kann der Elektromotor auch als Axialflussmotor ausgeführt sein, so dass ein anderes Lager- und Montagekonzept ermöglicht sowie Vorteile hinsichtlich des Bauraumbedarfs realisierbar ist. Ein Axialflussmotor weist weiterhin eine höhere Drehmomentdichte als ein Radialflussmotor auf.
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Das mittels des Drehfelds auf den Rotor wirkende Motordrehmoment ist proportional zum Quadrat des Durchmessers des Rotors. Mit anderen Worten nimmt also das Motordrehmoment mit zunehmendem Rotordurchmesser zu. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist der Elektromotor als ein Außenläufer ausgebildet. Mit anderen Worten ist der Rotor ein Außenrotor, so dass eine Drehmomentverstärkung durch einen größeren Rotordurchmesser realisiert werden kann. Folglich ist auf diese Weise im Vergleich zu einem als Innenläufer ausgebildetem Elektromotor bei gleicher Baugröße des Elektromotors das Motordrehmoment größer.
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Bei einer Ausführung als Innenläufer beziehungsweise Innenrotor wird der Rotordurchmesser möglichst maximiert, um die Drehmomentverstärkung zu erhöhen, da die magnetische Luftspaltinduktion relativ gering ist.
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Bei dem Rotormagnet werden vorzugsweise keine Einzelmagnete verwendet. Der Rotormagnet ist zweckmäßigerweise mittels Magnetsegmenten oder gemäß einer geeigneten Weiterbildung mittels eines geschlossenen Ringmagneten (Magnetring) gebildet. Insbesondere ist der Rotormagnet hierbei als einteiliger, also einstückiger oder monolithischer, Ringmagnet ausgeführt. Dadurch ist ein deutlich reduzierter Montageaufwand gegenüber einer Einzelmagnetmontage realisiert. Des Weiteren ist eine toleranzreduzierte, robuste Polsymmetrie im Vergleich zu einzeln montierten und gesinterten Magneten ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Rotormagnet zwischen sechs (6) bis fünfzig (50), insbesondere zwischen zwanzig (20) und fünfzig (50), Magnetpole auf. Beispielsweise weist der Stator vierundzwanzig (24) Statorzähne auf, auf welche eine Drehfeldwicklung aufgebracht ist. Die Drehfeldwicklung ist beispielsweise zwei Statorwicklungen mit jeweils zwölf Spulen auf, welche jeweils zu einer Sternschaltung verschaltet sind. Der Rotor beziehungsweise der Rotormagnet weist hierbei insbesondere achtundzwanzig (28) Magnetpole auf, welche in einer Halbach-Anordnung angeordnet sind.
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Der Rotormagnet ist in einer vorteilhaften Ausbildung aus einem kunststoffgebundenen, gepressten Magnetring als Verbundwerkstoff hergestellt. Dieser weist ein Magnetpulver, das in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist. Dadurch ist ein geringerer Kunststoffanteil als bei kunststoffgebunden gespritzten Magneten möglich, wodurch höhere magnetische Eigenschaften bei Verwendung des gleichen Magnetpulvers erreicht werden.
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In einer zweckmäßigen Ausführung ist der Rotormagnet aus einem Neodym-Eisen-Bor-Material (NdFeB-Material) hergestellt. Vorzugsweise weist der Rotormagnet bei Raumtemperatur (20°C) eine magnetische Remanenz zwischen 0,2 T (Tesla) und 0,75 T, und eine Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation zwischen 150 kA/m (Kilo-Ampere pro Meter) und 1200 kA/m auf.
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Die Magnetflussquelle des Rotors ist beispielsweise ein isotropes NdFeB-Halbach-Array mit einer Anzahl von Magnetpolen im Bereich von 6 bis 50. Das isotrope NdFeB-Halbach-Array hat bei 20°C eine Magnetische Remanenz zwischen 0,65 T und 0,75 T, und eine Magnet-Koerzitivfeldstärke beispielsweise zwischen 450 kA/m und 550 kA/m. Bei einem gepressten Magnetring beträgt die Magnet-Koerzitivfeldstärke vorzugsweise zwischen 700 kA/m und 770 kA/m. Mit solchen magnetischen Eigenschaften wird eine magnetische Flussdichte im Luftspalt des Motors in einem Bereich von 0,8 T bis 1,0 T erreicht. Verglichen mit dem Magneten liegt der Konzentrationsfaktor der Luftspaltflussdichte (KFC) in einem Bereich von 1,2 bis 1,5.
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Der Rotormagnet kann auch als ein gespritzter Magnet ausgeführt sein. Bei anisotrop gespritzten Magneten entfällt hierbei eine Aufmagnetisierung, wobei derartige Magneten eine besonders flexible Adaptionsfähigkeit an unterschiedliche Anwendungen aufweisen. Beispielsweise besteht der Rotor aus Spritzgussteilen, von denen die Magnetflussquelle ein anisotropes NdFeB-Halbach-Array im Spritzgussverfahren (engl.: Injection Molding, IM) mit einer Anzahl von Magnetpolen im Bereich von 6 bis 50 ist. Der magnetische Teil und der nichtmagnetische Teil werden hierbei durch die sogenannte Mehrkomponenten-Spritzgusstechnik zusammen gespritzt. Das anisotrope IM-NdFeB-Halbach-Array hat bei 20°C eine Magnetische Remanenz zwischen 0,65 T und 0,75 T, und eine Magnet-Koerzitivfeldstärke beispielsweise zwischen 450 kA/m und 550 kA/m. Ein gespritzter IM-NdFeB-Magnetring weist vorzugsweise eine Magnet-Koerzitivfeldstärke zwischen 1100 kA/m und 1200 kA/m auf.
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Alternativ zum NdFeB-Magnetmaterial kann auch ein Ferritmagnet zum Einsatz kommen. Das spritzgegossene Ferrit-Halbach-Array hat bei 20°C eine Magnetische Remanenz zwischen 0,2 T und 0,32 T, und eine Magnet-Koerzitivfeldstärke zwischen 150 kA/m und 300 kA/m. Mit solchen magnetischen Eigenschaften wird eine magnetische Flussdichte im Luftspalt des Motors in einem Bereich von 0,3 T bis 0,5 T erreicht. Verglichen mit dem Magneten liegt der Konzentrationsfaktor der Luftspaltflussdichte in einem Bereich von 1,2 bis 1,5.
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Durch die Halbach-Anordnung weist der insbesondere als Außenrotor ausgeführte Rotor an der dem Stator gegenüberliegenden (Außen-)Seite eine reduzierte Feldstärke als Streufluss auf. Vorzugsweise ist zur Reduzierung dieses Streuflusses ein zusätzliches (Rotor-)Joch vorgesehen. In einer geeigneten Weiterbildung ist hierbei eine außenumfangsseitige Jochmanschette auf den Rotormagneten aufgesetzt. Die Jochmanschette ist hierbei aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Diese Jochmanschette hat eine deutlich kleinere Dicke als bei Rotoren mit herkömmlichen Magneten ohne Halbach-Effekt. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Jochmanschette eine radiale Dicke kleiner 5 mm (Millimeter), insbesondere kleiner 2 mm, auf. Beispielsweise weist die Jochmanschette eine Dicke von etwa 1 mm (Millimeter) auf. Der Begriff „etwa“ bezeichnet bei einer Dickenangabe nachfolgend insbesondere einen gewissen Dickenbereich um den angegeben Dickenwerte, beispielsweise ± 0,5 mm. Beispielsweise ist eine Dicke von etwa 1 mm als (1,0 ± 0,5) mm, also als ein Dickenbereich zwischen 0,5 mm bis 1,5 mm, zu verstehen. Der Rotor zeichnet sich somit durch ein besonders geringes Rotorgewicht und eine reduzierte Rotorträgheit aus.
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Das erfindungsgemäße Lenkradsystem ist insbesondere als ein Steer-by-Wire-Lenkradsystem ausgeführt, und weist ein Lenkrad auf, welches mit einem vorstehend beschriebenen Rückkopplungsantrieb gekoppelt ist. Dadurch ist ein besonders geeignetes Lenkradsystem mit einer geringen Geräuschentwicklung realisiert.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung einen Rückkopplungsantrieb für ein Steer-by-Wire-Lenksystem, und
- 2 in einer Schnittansicht ausschnittsweise einen Elektromotor des Rückkopplungsantriebs.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt einen Rückkopplungsantrieb 2 für ein nicht näher gezeigtes Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs. Der Rückkopplungsantrieb 2 ist hierbei im Bereich eines Lenkrads angeordnet und erzeugt im Betrieb ein haptisches Rückkopplungssignal oder Rückkopplungsmoment für einen Fahrzeugnutzer.
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Der Rückkopplungsantrieb 2 weist einen hochpoligen bürstenlosen Elektromotor 4 auf, welcher mittels einer als Motorträger ausgeführten Lagerschildplatte 6 direkt an ein Lenkrad koppelbar ist.
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Der Elektromotor 4 ist als ein Außenläufer ausgeführt, und weist als solcher einen radial innenseitigen Stator 8 und einen radial außenseitigen Rotor 10 auf. Der Stator 8 weist in diesem Ausführungsbeispiel vierundzwanzig radial nach außen gerichtete Statorzähne 12 auf, auf welche eine Drehfeldwicklung 14 gewickelt ist. Die Statorzähne 12 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen. Die Drehfeldwicklung 14 weist beispielsweise zwei parallele Wicklungssysteme oder Statorwicklungen mit je zwölf Einzelspulen auf, welche jeweils zu einer dreiphasigen Sternschaltung verschaltet sind. Der Stator 8 ist auf eine Spindel 16 aufgesetzt.
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Der permanent erregte Rotor 10 umgibt den Stators 8, und ist um eine durch die Spindel 16 gebildete Motorachse drehbar gelagert. Zur Lagerung des Rotors 10 weist der Rückkopplungsantrieb 2 zwei Wälzlager 18, 20 auf, welche von axial entgegengesetzten Seiten am Rotor 10 angreifen. Das Axialspiel des Rotors 10 zwischen den beiden Wälzlagern 18, 20 ist hierbei beispielsweise durch einen Federring 22 angefedert.
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Der Rotor 10 weist ein manschettenförmiges Rotorgehäuse 24 und einen ringförmigen Rotormagneten 26 auf. Das Rotorgehäuse 24 ist mittels sechs Befestigungsschrauben 28 drehfest mit dem Lagerschild 6 verbindbar. Die etwa ringförmige Lagerschildplatte 6 weist einen zentralen Lagersitz für das Wälzlager 20 auf, mittels welchem die Lagerschildplatte 6, und somit der Rotor 10 rotierbar an der Spindel 16 gelagert sind. Die Lagerschildplatte 6 ist hierbei als mechanische Schnittstelle zur direkten Kopplung des Rückkopplungsantriebs 2 mit dem Lenkrad ausgeführt.
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Der hohlzylindrische oder rohrförmige Rotormagnet 24 weist hierbei beispielsweise 6 bis 50 Magnetpole auf, welche nach Art einer Halbach-Anordnung magnetisiert sind. Der Ring- oder Rotormagnet 26 ist hierbei vorzugsweise einteilig, also einstückig oder monolithisch, aus einem kunststoffgebundenen, gepressten Verbundwerkstoff hergestellt, bei welchem ein Magnetpulver in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist.
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Der Rotormagnet 24 ist beispielsweise aus einem Neodym-Eisen-Bor-Material (NdFeB-Material) hergestellt. Vorzugsweise weist der Rotormagnet 24 bei Raumtemperatur (20°C) eine magnetische Remanenz zwischen 0,2 T (Tesla) und 0,75 T, und eine Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation zwischen 150 kA/m (Kilo-Ampere pro Meter) und 1200 kA/m auf.
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Der Rotormagnet 24 ist beispielsweise als ein isotropes NdFeB-Halbach-Array mit einer Anzahl von Magnetpolen im Bereich von 6 bis 50 ausgeführt. Das isotrope NdFeB-Halbach-Array hat bei 20°C eine Magnetische Remanenz zwischen 0,65 T und 0,75 T, und eine Magnet-Koerzitivfeldstärke zwischen 450 kA/m und 550 kA/m. Mit solchen magnetischen Eigenschaften wird eine magnetische Flussdichte im Luftspalt des Motors in einem Bereich von 0,8 T bis 1,0 T erreicht.
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In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für den Rückkopplungsantrieb 2 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist eine ferromagnetische Jochmanschette 30 auf den Außenumfang des Rotormagneten 24 aufgesetzt. Der Rotormagnet 26 weist hierbei beispielsweise eine radiale Dicke 32 von 4 mm auf, wobei die Jochmanschette 30 eine Dickte 34 von etwa 1 mm aufweist. Die zentrale Aussparung des Stators 8 zur Aufnahme der Spindel 16 weist hierbei beispielsweise einen Innenradius 36 von etwa 51 mm auf, wobei der Außenradius 38 des Elektromotors 4 beziehungsweise der Jochmanschette 30 etwa 99 mm beträgt.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Rückkopplungsantrieb
- 4
- Elektromotor
- 6
- Lagerschildplatte
- 8
- Stator
- 10
- Rotor
- 12
- Statorzahn
- 14
- Drehfeldwicklung
- 16
- Spindel
- 18
- Wälzlager
- 20
- Wälzlager
- 22
- Federring
- 24
- Rotorgehäuse
- 26
- Rotormagnet
- 28
- Befestigungsschraube
- 30
- Jochmanschette
- 32
- Dicke
- 34
- Dicke
- 36
- Innenradius
- 38
- Außenradius
