DE102023206416A1

DE102023206416A1 - Zweimotoren- antriebsanordnung

Info

Publication number: DE102023206416A1
Application number: DE102023206416.2A
Authority: DE
Inventors: Ari Al-Jaf; Christos Prevezianos; Russell Wilson-Jones
Original assignee: ZF Automotive UK Ltd
Current assignee: ZF Automotive UK Ltd
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2023-07-06
Publication date: 2024-02-15
Also published as: US20240055942A1; CN117595567A; GB202211647D0; GB2627170A

Abstract

Eine Zweimotoren-Antriebsanordnung umfasst ein Gehäuse, eine gegenüber dem Gehäuse drehbar gelagerte Welle, ein erstes Zahnrad, das mit der Welle verbunden und dazu ausgelegt ist, sich mit der Welle zu drehen, und einen ersten und einen zweiten Motor, die jeweils einen Abtrieb aufweisen, der ein jeweiliges Abtriebszahnrad antreibt, wobei die Abtriebszahnräder mit dem ersten Zahnrad in Eingriff stehen, wobei jeder Motor einen Permanentmagnetmotor umfasst, der die gleiche Anzahl von Polen und Statoren aufweist, sodass jeder Motor über eine komplette mechanische Umdrehung des Motors das gleiche Muster von Rastmoment erzeugt, und dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenlage des ersten Motors relativ zu der des zweiten Motors festgelegt ist, wodurch beim Drehen der Welle die Wirkung des von dem ersten Motor auf die Welle aufgebrachten Rastmoments zumindest teilweise durch die Wirkung des von dem zweiten Motor auf die Welle aufgebrachten Rastmoments aufgehoben wird.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Zweimotoren-Antriebsanordnung, die insbesondere, aber nicht ausschließlich, für den Einsatz in einer Handradaktuatoranordnung eines Fahrzeugs geeignet ist.
Elektromotoren sind weit verbreitet und in Kraftfahrzeuganwendungen zunehmend üblich. Beispielsweise ist bekannt, ein elektrisch unterstütztes Lenksystem bereitzustellen, bei dem eine Elektromotorvorrichtung ein Unterstützungsmoment auf einen Teil eines Lenksystems aufbringt, um dem Fahrer das Drehen der Fahrzeugräder zu erleichtern. Die Größe des Unterstützungsmoments wird nach einem Regelalgorithmus bestimmt, der als Eingabe einen oder mehrere Parameter, wie etwa das von dem Fahrer durch Drehen des Lenkrads auf die Lenksäule aufgebrachte Drehmoment, die Fahrzeuggeschwindigkeit etc. empfängt.
Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von Elektromotoren in Kraftfahrzeuganwendungen sind Steer-by-Wire-Systeme. Im normalen Gebrauch verfügen diese Systeme über keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Handrad, welches der Fahrer ergreift, und den gelenkten Rädern, da die Bewegung des Handrads durch den Fahrer von einem Sensor erfasst und der Motor im Ansprechen auf die Sensorausgabe dazu gesteuert wird, eine die Laufräder lenkende Kraft zu erzeugen. Diese Systeme sind auf Sensoren angewiesen, um Nutzereingabedaten an einem Lenkrad an Steuereinheiten weiterzuleiten, die Nutzereingabedaten mit anderen Informationen, wie etwa Fahrzeuggeschwindigkeit und Gierrate, integrieren, um Steuersignale an einen Primärmotor bereitzustellen, der physisch ein Lenkgestänge des Fahrzeugs betätigt. Die Steuereinheiten dienen auch dazu, unerwünschte Rückmeldungen von den Vorderrädern herauszufiltern, und stellen ein Antwortsignal an einen sekundären Elektromotor am Lenkrad bereit. Der Sekundärmotor stellt dem Fahrer als Reaktion auf spezifische Nutzereingaben am Lenkrad den entsprechenden Widerstand und die entsprechende Rückmeldung bereit, um das Gefühl eines herkömmlichen Lenksystems nachzuahmen.
Bei einem Steer-by-Wire-System kann eine Fehlfunktion oder ein Ausfall eines Teils der zweiten Anordnung zur Unlenkbarkeit des Fahrzeugs führen. Folglich ist es wünschenswert, die zweite Anordnung mit einer Struktur zu versehen, die die zumindest vorübergehend einen ausfallsicheren Betrieb bereitstellt. Die US 2006/0042858 A1 offenbart eine Lenkvorrichtung mit einer Lenkanordnung, die einen Handradaktuator umfasst. Der Handradaktuator umfasst eine Lenkwelle zum Tragen eines Lenkrads, einen Getriebemechanismus und zwei Motoren, die jeweils zum Bereitstellen eines Drehmoments an die Lenkwelle vorgesehen sind.
Die GB 2579374 A offenbart eine Lenksäulenanordnung zur Verwendung mit einem Steer-by-Wire-Handradaktuator. Diese Anordnung verwendet ein ähnliches Zweimotoren-Antriebssystem, das einen ersten und einen zweiten Motor umfasst, die jeweils einen Abtrieb aufweisen, der ein jeweiliges Abtriebszahnrad antreibt. Jedes Abtriebszahnrad treibt ein erstes Zahnrad an, das mit einer Welle des Lenkrads verbunden und dazu ausgelegt ist, sich mit dieser zu drehen, um dem Fahrer ein Gefühl für die Straße zu vermitteln. Das Zweimotoren-Antriebssystem wird dazu verwendet, Zahnradklappern zu verringern, indem beide Motoren gleichzeitig dazu angetrieben werden, entgegengesetzte Drehmomente auf die Lenkwelle aufzubringen. Dass zwei Motoren vorhanden sind, sorgt auch für eine gewisse Redundanz in dem System.
Bei diesen Anwendungen kommen aufgrund ihrer eindrucksvollen Drehmomentdichte und ihren dynamischen Reaktionszeiten in der Regel Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) zum Einsatz. PMSMs werden aufgrund von Kosten- und Verbauungsbeschränkungen üblicherweise mit einem genuteten Stator konstruiert, wobei ein Rotor, der hartmagnetisches Material umfasst, wie ein Satz von Permanentmagneten wirkt. Die Permanentmagnete können daher einen Teil des Rotors bilden, und der Stator umfasst weichmagnetisches Material, die von Spulen aus Draht umgeben sind, wobei auch die umgekehrte Konfiguration möglich ist.
Ein wesentliches Problem bei einem derartigen Motor ist die Drehmomentwelligkeit. Die Drehmomentwelligkeit beschreibt eine periodische Varianz des Abtriebsdrehmoments eines Motors beim Drehen des Rotors. Ein weiteres Problem bei einem derartigen Motor ist das Rastmoment, das erheblich zur Drehmomentwelligkeit beitragen kann. Ein Rastmoment entsteht durch die schwankende Wechselwirkung zwischen hart- und weichmagnetischen Materialien während eines jeden Motorzyklus. Diese schwankende Wechselwirkung ergibt sich aus der mit der genuteten Struktur des Stators zusammenhängenden Variation des Luftspaltes zwischen dem Rotor und dem Stator.
Das Rastmoment führt zu unerwünschten Schwankungen des Abtriebsdrehmoments und da dieser Effekt nur von der Relativbewegung des Rotors und des Stators abhängig ist, kann er Probleme bei der Bewegung sowohl von bestromten als auch von unbestromten Motoren verursachen. Das Rastmoment ist besonders bei Steer-by-Wire-Handradaktuatoren zu beobachten, bei denen das Trägheitsmoment des Motors aufgrund der niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten nicht in der Lage ist, Drehmomentschwankungen auszugleichen.
Eine Möglichkeit, die Auswirkungen des Rastmoments in einem einzelnen Motor abzuschwächen, besteht darin, die Statornut oder die Anzahl der Permanentmagnetpole so zu wählen, dass die Anzahl der Statornuten geteilt durch die Anzahl der Rotorpole eine nicht ganzzahlige Zahl ist. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Teil der Nuten nicht mit den Magnetkanten fluchtet, wodurch das Rastmoment verringert wird. Dieses Verfahren verringert das Rastmoment erheblich, geht jedoch auf Kosten eines geringeren Drehmomentvermögens bei einem gegebenen Strom.
Ein weiteres Verfahren zur Verringerung des Rastmoments und damit auch der Drehmomentwelligkeit eines einzelnen Motors besteht darin, den Rotor gegenüber dem Stator oder umgekehrt den Stator gegenüber dem Rotor abzuschrägen. Die Übergänge zwischen den Statornuten und den Permanentmagnetkanten sind daher nicht parallel, was zu sanfteren Übergängen während der Drehung führt.
Die Drehmomentwelligkeit wird häufig analysiert und als eine Fourierreihe ausgedrückt. Der Schrägungswinkel wird häufig so gewählt, dass die dominante Harmonische des Rastmoments aufgehoben wird. Bei einem Motor ohne Fertigungsfehler ist dies in der Regel das Rastmoment, das sich ergibt aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der magnetischen Pole des Rotors und der Anzahl der Statorzähne. Bei einem Motor mit 8 Rotorpolen und 12 Statorzähnen variiert das Rastmoment beispielsweise 24 Mal pro Umdrehung des Rotors. Das Auswählen eines Schrägungswinkels von 15 Grad (360/24) glättet die grundsätzliche Variation des Drehmoments, die aus der Kombination von Rotorpolen und Statorzähnen resultiert.
Dieser Ansatz verringert zwar das Rastmoment und damit die Drehmomentwelligkeit erheblich, verringert jedoch auch die Leistungsfähigkeit des Motors. Mit diesem Ansatz wird außerdem nur die Drehmomentwelligkeit behoben, die aus der Kombination von Polen und Nuten innerhalb des Motors herrührt und nicht diejenige, die aus den bei bestromtem Motor vorhandenen Strömen resultiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit herkömmlichen Motoranordnungen verbundenen Probleme zu mindern und gleichzeitig eine Reihe verschiedener Motortopologien, die sowohl mit als auch ohne Schrägstellen verwendet werden können, zu ermöglichen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Zweimotoren-Antriebsanordnung ein Gehäuse, eine gegenüber dem Gehäuse drehbar gelagerte Welle, ein erstes Zahnrad, das mit der Welle verbunden und dazu ausgelegt ist, sich mit der Welle zu drehen, und einen ersten und einen zweiten Motor, die jeweils einen Abtrieb aufweisen, der ein jeweiliges Abtriebszahnrad antreibt, wobei die Abtriebszahnräder mit dem ersten Zahnrad in Eingriff stehen, wobei jeder Motor einen Permanentmagnetmotor umfasst, der die gleiche Anzahl von Polen und Statoren aufweist, sodass jeder Motor über eine komplette mechanische Umdrehung des Motors das gleiche Muster von Rastmoment erzeugt, und dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenlage des ersten Motors relativ zu der des zweiten Motors festgelegt ist, wodurch beim Drehen der Welle die Wirkung des von dem ersten Motor auf die Welle aufgebrachten Rastmoments zumindest teilweise durch die Wirkung des von dem zweiten Motor auf die Welle aufgebrachten Rastmoments aufgehoben wird.
Unter relativer Phasenlage der beiden Motoren ist zu verstehen, dass die beiden Motoren bei jeder beliebigen Lage der Welle ungleiche mechanische Winkel aufweisen. Beispielsweise können die Statoren relativ zueinander um eine von Null verschiedene Anzahl mechanischer Winkelgrade versetzt sein, oder die Rotoren sind um eine von Null verschiedene Gradzahl gegeneinander versetzt, oder sowohl der Rotor als auch die Statoren sind um eine von Null verschiedene Gradzahl gegeneinander versetzt. Wenn also der erste Motor in einer mechanischen Winkelstellung von Null Grad steht, steht der zweite Rotor in einer mechanischen Winkelstellung von ungleich Null Grad. Anders betrachtet: Wenn die Motoren ein Muster der Drehmomentwelligkeit und des Rastmoments aufweisen, das über den gesamten Winkelbereich von 0 bis 360 Grad, den der Rotor relativ zu dem Stator einnehmen kann, variiert, können die beiden Motoren phasenausgerichtet sein, wenn die Muster aufeinander ausgerichtet sind, und eine relative Phasendifferenz, einen Phasenversatz, aufweisen, wenn die Muster fehlausgerichtet sind. Der Betrag, um den die Muster fehlausgerichtet sind, kann als Winkel in Grad oder Radiant ausgedrückt werden.
Die Anordnung kann ein gemeinsames Gehäuse für beide Motoren umfassen. Der Versatz zwischen den Statoren oder Rotoren oder beiden kann erreicht werden, indem die Statoren der beiden Motoren in dem Gehäuse mit einer geeigneten Ausrichtung fixiert werden. Die Ausrichtungen der beiden Motoren können so gewählt werden, dass eine relative Phasendifferenz zwischen den Motoren entsteht. Auf diese Weise können die beiden Motoren im Wesentlichen ähnlich sein und die gleiche Winkelbeziehung zwischen jedem der Rotoren und deren jeweiligen Abtriebszahnrädern aufweisen. Somit können die beiden Rotoren so mit der Welle verbunden sein, dass sie die gleiche elektrische Winkellage haben (d.h. wenn sich das erste Zahnrad in einer ersten Ebene dreht und ein Nordpol des ersten Rotors in der ersten Ebene ausgerichtet ist, ist ein entsprechender Nordpol des zweiten Rotors ebenfalls in der ersten Ebene ausgerichtet).
Alternativ können die Motoren an dem Gehäuse so fixiert sein, dass die beiden Statoren ohne relative Phasendifferenz ausgerichtet sind und die Rotoren mit einer relativen Phasendifferenz ungleich Null in das Zahnrad eingreifen. Auf diese Weise weist jeder der Motoren eine unterschiedliche Winkelbeziehung zwischen jedem der Rotoren und deren jeweiligen Abtriebszahnrädern auf.
Vorzugsweise weisen der Rotor und der Stator jedes der beiden Motoren eine identische Topologie auf. Darunter wird verstanden, dass sie die gleiche Anzahl von Rotormagneten oder Polen und die gleiche Anzahl von Statormagneten oder Polen aufweisen. Dies ist vorteilhaft, um die Stückliste für die Montage zu reduzieren und die Auslegung der Steuer- und Ansteuerschaltungen für die beiden Motoren zu vereinfachen.
Die Zweimotoren-Antriebsanordnung kann Teil einer Handradaktuatoranordnung für ein Fahrzeug sein, bei der die Welle ein Befestigungsteil umfasst, wodurch sie an einem Lenkrad oder einer Gelenkgabel fixiert werden kann.
Die relative Phasenlage zwischen den Motoren kann während der Auslegung der Zweimotoren-Anordnung in Abhängigkeit von der Motortopologie gewählt werden. Der Phasenversatz kann in Abhängigkeit von den folgenden Motorparametern gewählt werden:

Anzahl der Rotorpole, d.h. die Anzahl der Magnete in dem Motor;
Anzahl der Zyklen einer bestimmten Wellenform pro mechanischer Umdrehung; Schrägungswinkel des Motors;
Bei schrittweise geschrägtem Motor der Schrägungswinkel pro Schritt der Magnete.

Bei einer Anordnung eines Motors, bei dem die Permanentmagnete am Rotor befestigt sind, kann der Phasenversatz des Motors anhand der folgenden Gleichungen bestimmt werden: $N_{p e r i o d} = N_{p} Q / H C F {Q, N p}$
Wobei:

N_p die Anzahl von Pole ist
Q die Anzahl der Statornuten ist
N_period die Anzahl der sich wiederholenden Rastzyklen in einem mechanischen Zyklus ist;

_sk

_s

ϑ_ss der Schrägungswinkel pro Schritt ist,
N_s die Anzahl der Rotorscheiben oder der Schrägversatz ist, und
ϑ_sk der Gesamt-Schrägversatz für den gesamten Rotor ist.

Aus den obigen Gleichungen lässt sich ableiten, dass: $Mech . Grad pro Rastzyklus = 360 / N_{period}$
Und daraus kann bestimmt werden, dass die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Motoren = Mech. Grad pro Rastzyklus / 2 ist
** (ϑ_ss=ϑ_sk/N_s) (N_s kann als Anzahl der Statoren oder der Motoren, die gemeinsam auf den gleichen Abtrieb wirken, bezeichnet werden) und (ϑ_ss kann als Verschiebungswinkel zwischen den Statoren verwendet werden)
** ϑ_sk=(2/Np) * (2π/Q)
Wenn beide Motoren Permanentmagnetmotoren umfassen, in denen der Rotor sechs Permanentmagnete aufweist und der Stator 9 Spulenwicklungen aufweist, die üblicherweise als drei Sätze von Phasen A, B und C angeordnet sind - ein so genannter 9:6-Motor -, kann die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Motoren auf 10 Grad mechanisch pro Rastzyklus eingestellt werden, was 20 Grad mechanisch entspricht, da: $N_{period} = N_{p} Q / H C F {Q, N p} = 9 * 6 / 3 = 18$
Mech. Grad pro Rastzyklus = 360 / N_period = 360/18 = 20° Mech. Grad Erforderliche Statorverschiebung = Mech. Grad pro Rastzyklus / 2= 20/2 = 10° Mech. erforderlich $ϑ_{s k} = ϑ_{s k} = (2 / N_{p}) * (2 π / Q) = 2 * 360 / (9 * 6) = 20^{\circ} mech .$
$ϑ_{s s} = ϑ s k / N s = 20^{\circ} / 2 = 10^{\circ} Mech .$
$ϑ_{s s} = Verschienbungswinkel zwischen den Statoren$
Wenn der Motor ein 12:8-Motor mit 12 Statorwicklungen ist, die üblicherweise als vier Sätze von Phasen A, B und C angeordnet sind, und der Rotor 8 Permanentmagnete aufweist, kann der Versatz zwischen den Motoren auf 7,5 Grad mechanisch pro Rastzyklus eingestellt werden, was 15 Grad mechanisch entspricht, da: $N_{p e r i o d} = N_{p} Q / H C F {Q, N_{p}} = 12 * 8 / 4 = 24$
Mechanische Grad pro Rastzyklus = 360 / N_period = 360/24 = 15° mechanische Grad Erforderliche Statorverschiebung = Mechanische Grad pro Rastzyklus / 2 = 15/2 = 7,5° mechanisch erforderlich $ϑ_{s k} = ϑ_{s k} = (2 / N_{p}) * (2 π / Q) = 2 * 360 / (12 * 8) = 15^{\circ} mechanisch .$
$ϑ_{s s} = ϑ_{s k} / N_{s} = 15^{\circ} / 2 = {7,5}^{\circ} mech .$
$ϑ_{s s} = Verschiebungswinkel zwischen den Statoren$
Wenn der Motor ein 12:10-Motor mit 12 Statorwicklungen ist, die üblicherweise als vier Sätze von Phasen A, B und C angeordnet sind, und der Rotor 10 Permanentmagnete aufweist, kann der Versatz zwischen den Motoren auf 3 Grad mechanisch pro Rastzyklus eingestellt werden, was 6 Grad mechanisch entspricht, da:

N_period= N_pQ/HCF{Q,N_p} = 12*10/ 2 = 60, Welligkeit der 60ten mechanischen Ordnung Mechanische Grad pro Rastzyklus = 360 / N_period = 360/60 = 6° Mechanische Grad Erforderliche Statorverschiebung = Mechanische Grad pro Rastzyklus / 2 = 6/2 = 3° Mechanisch erforderlich

ϑ_{s k} = ϑ_{s k} = (2 / N_{p}) * (2 π / Q) = 2 * 360 / (12 * 10) = 6 ° mechanisch

ϑ_{s s} = ϑ_{s k} / N_{s} = 6 ° / 2 = 3 ° Mechanisch

ϑ_{s s} = Verschiebungswinkel zwischen den Statoren

Die obigen Phasenverschiebungen stellen eine signifikante Verringerung des an der Abtriebswelle vorhandenen Gesamtrastmoments bereit, da sich das von jedem Motor erzeugte Rastmoment teilweise aufhebt.
Zusätzlich zu dem Rastmoment, das vorhanden ist, wenn die Welle zu einem Zeitpunkt gedreht wird, zu dem beide Motoren unbestromt sind, kann die relative Phase der beiden Motoren so eingestellt werden, dass die Drehmomentwelligkeit, die auftritt, wenn Strom durch die Motorwicklungen des ersten Motors fließt und durch den ersten Motor auf die Welle wirkt, zumindest teilweise durch die Wirkung des Stroms, der durch den anderen Motor fließt, aufgehoben wird.
Es ist bekannt, dass bei einem Dreiphasenmotor die dominante Komponente der Drehmomentwelligkeit immer sechster elektrischer Ordnung ist und durch den folgenden Ausdruck definiert ist:

Mech. Ordnung der Drehmomentwelligkeit = 6 * N_p/2
Mech. Grad pro T_ripplecycle= 360 / N_period
Erforderliche Statorverschiebung = Mechanische Grad pro Rastzyklus / 2

Durch Anwenden dieser Gleichungen ist der Phasenversatz der beiden Motoren, um die Wirkung der Drehmomentwelligkeit bestmöglich aufzuheben, wie folgt:
Wenn man einen 9:6-Motor als Beispiel nimmt: $\begin{array}{l} Mech . Ordnung der Drehmomentwelligkeit = 6 * 6 / 2 = 18 \\ = 18 te mechanische Ordnung \end{array}$

Mech. Grad. pro T_ripplecycle = 360 / T_ripplecycle mech = 360 / 18 = 20° Mech.
Erforderliche Statorverschiebung = Mechanische Grad pro T_ripplecycle / 2 = 20 / 2 = 10° Mechanisch

Wenn man einen 12:8-Motor als Beispiel nimmt: $\begin{array}{l} Mechanische Ordnung der Drehmomentwelligkeit = 6 * 8 / 2 = 24 \\ = 24 te mechanische Ordnung \end{array}$
Mech. Grad. pro T_ripplecycle = 360 / T_ripplecycle mech = 360 / 24 = 15° Mechanisch Erforderliche Statorverschiebung = Mechanische Grad pro T_ripplecycle / 2 = 15 / 2 = 7.5° Mechanisch
Wenn man einen 12:10-Motor als Beispiel nimmt: $\begin{array}{l} Mech . Ordnung der Drehmomentwelligkeit = 6 * 10 / 2 = 30 \\ = 30 te mechanische Ordnung \end{array}$
Mech. Grad. pro T_ripplecycle = 360 / T_ripplecycle mech = 360 /30 = 12° Mechanisch Erforderliche Statorverschiebung = Mechanische Grad pro T_ripplecycle / 2 = 12 / 2 = 6° Mechanisch
Die Anmelderin hat erkannt, dass bei einigen Motortopologien die optimalen Winkel zum Unterdrücken des Rastmoments und zum Unterdrücken der Drehmomentwelligkeit des Motors nicht gleich sind. Gleichwohl hat die Anmelderin erkannt, dass es möglich ist, durch einen geeigneten Phasenversatz ein optimiertes Maß an Unterdrückung einer oder mehrerer Harmonischer, die aufgrund des Rastmoments oder der Drehmomentwelligkeit vorhanden sind, zu erreichen, und das Optimum hängt davon ab, welche Harmonische bei einer gegebenen Anwendung der Zweimotoren-Antriebsanordnung am störendsten ist.
Im Falle der 9:6-Motortopologie beträgt die optimale Verschiebung zum Reduzieren des Rastmoments und der Drehmomentwelligkeit aufgrund von Motorströmen 10 Grad. Somit ist das Bereitstellen von zwei Motoren dieser Anordnung mit einem Phasenversatz von 10 Grad eine am meisten bevorzugte Umsetzung der Erfindung.
Die Anmelderin hat außerdem erkannt, dass der gleiche Vorteil der Phasendifferenzen zwischen den Motoren aufgrund der periodischen Natur der Harmonischen, die infolge des Rastmoments und der Drehmomentwelligkeit vorhanden sind, bei mehreren unterschiedlichen Phasendifferenzen erreichbar ist.
Dementsprechend wird für einen 9:6-Motor bevorzugt, die Phasendifferenz zwischen den Motoren auf 10 Grad plus M*20 Grad, wobei M ein ganzzahliger Wert oder Null ist, d.h. auf eine Phasendifferenz von 10, 30, 50, 70....etc. Grad einzustellen.
Die Phasendifferenz kann so gewählt werden, dass die Unterdrückung einer bestimmten Harmonischen, z.B. der Harmonischen der 18ten Ordnung oder der 36ten Ordnung, optimiert wird.
Vorzugsweise umfasst das erste Zahnrad eine Schneckenverzahnung und jedes der Abtriebszahnräder umfasst eine Schnecke.
Vorzugsweise sind die Drehachsen der beiden Schnecken zueinander geneigt, und die Drehachsen der beiden Schnecken verlaufen vorzugsweise ferner senkrecht zu den Drehachsen des ersten Zahnrads.
Dadurch verringert sich die Gesamtgröße der Anordnung, was ihren Einbau innerhalb eines relativ begrenzten Raumes im Fahrzeug erleichtert.
Vorzugsweise sind die Motoren innerhalb des Gehäuses angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Motoren abgesehen von ihrer Ausrichtung im Wesentlichen identisch. Außerdem sind vorzugsweise auch die Abtriebszahnräder im Wesentlichen identisch, sodass die Drehmomentvervielfachung von den Motoren auf die Welle gleich ist.
Lediglich beispielhaft wird nachstehend eine bestimmte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in eine Handradaktuatoranordnung für ein Fahrzeug integriert ist, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

die 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Handradaktuatoranordnung für ein Fahrzeug zeigt, die eine Zweimotoren-Antriebsvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst;
die 2 einen Teil der Zweimotoren-Antriebsvorrichtung zeigt, wobei das Getriebegehäuse entfernt wurde, um die Zahnräder und die Verbindung des Motors mit den Zahnrädern besser zu zeigen;
die 3 eine Querschnittsansicht jedes der beiden Motoren der Vorrichtung der 1 ist, welche die Lage der Magnete, der Statorzähne und der elektrischen Anschlüsse der Phasenwicklungen zeigt, wobei aufgrund des Versatzes der beiden Statoren eine relative Phasenlage von 10 Grad zwischen den Motoren vorhanden ist;
die 4 eine Querschnittsansicht jedes der beiden Motoren der Vorrichtung der 1 ist, welche die Lage der Magnete, der Statorzähne und der elektrischen Anschlüsse der Phasenwicklungen so zeigt, dass aufgrund des Versatzes der beiden Rotoren eine relative Phasenlage von 10 Grad zwischen den Motoren besteht;
die 5 eine Querschnittsansicht einer noch weiteren alternativen Anordnung jedes der beiden Motoren der Vorrichtung der 1 ist, welche die Lage der Magnete, der Statorzähne und der elektrischen Anschlüsse der Phasenwicklungen zeigt, wobei aufgrund des Versatzes sowohl der Rotoren als auch der beiden Statoren eine relative Phasenlage von 10 Grad zwischen den Motoren vorhanden ist;
die 6 für jede mögliche Phasendifferenz zwischen der Ausrichtung der Motoren die Drehmomentwelligkeit an der Welle zeigt, wenn die Motoren als Generatoren wirken;
die 7 eine der die 2 entsprechende Ansicht ist, bei der das Motorgehäuse und der Stator entfernt wurden, um den Phasenversatz zwischen den beiden Motorrotoren zu zeigen, wenn diese, wie in der 4 gezeigt, mit einem Versatz der Motorrotoren angeordnet sind; und
die 8 eine alternative Anordnung der Schnecke zeigt, bei der - im Gegensatz zu der Anordnung in der 2, bei welcher die Motoren in entgegengesetzter Richtung betrieben werden - die beiden Motoren in der gleichen Richtung angetrieben werden können, um die Position der Welle zu steuern.
die 9 eine Querschnittsansicht eines jeden von zwei alternativen Motoren der Vorrichtung der 1 ist, welche die Lage der Magnete, der Statorzähne und der elektrischen Anschlüsse der Phasenwicklungen zeigt, wobei hier jeder der Motoren ein 12:8 Motor ist und aufgrund eines Versatzes der beiden Statoren eine relative Phasenlage von 7,5 Grad zwischen den Motoren vorhanden ist;
die 10 eine Querschnittsansicht eines jeden von zwei weiteren alternativen Motoren der Vorrichtung der 1 ist, welche die Lage der Magnete, der Statorzähne und der elektrischen Anschlüsse der Phasenwicklungen zeigt, wobei hier jeder der Motoren ein 12:10 Motor ist und aufgrund eines Versatzes der beiden Statoren eine relative Phasenlage von 3 Grad zwischen den Motoren vorhanden ist;

Ein Steer-by-Wire-Handradaktuator 1 umfasst ein äußeres, längliches Metallgehäuse 2, das einen länglichen Hohlraum umschließt. Eine Welle 3, mit der ein (nicht dargestelltes) Lenkrad verbunden ist, durchsetzt ein Ende des Metallgehäuses 2 und das Ende der Welle ist radial in (nicht dargestellten) Lagern, die an einem Ende des Gehäuses 2 angeordnet sind, gelagert.
Wie am besten in der 2 zu sehen ist, ist ein Getrieberad 4 am Ende der Welle 3 befestigt und dreht sich mit der Welle 3. Die Welle ist in der 2 nicht dargestellt, die Drehachse der Welle ist jedoch durch eine gestrichelte Linie 5, die senkrecht durch das Getrieberad 4 verläuft, gekennzeichnet. Der Rand des Zahnrades 4 ist als eine Schneckenverzahnung ausgebildet, die mit jeder von zwei identischen, auf gegenüberliegenden Seiten der Längsachse 5 der Welle 3 angeordneten Schnecken 6, 7 kämmt. Jede Schnecke 6, 7 ist mit der Abtriebswelle 8, 9 eines jeweiligen Elektromotors 10, 11 verbunden. Jede Schnecke 6, 7 ist mit einem entsprechenden Anzeiger 61, 71 versehen, der ein Mittel zum mechanischen Ausrichten jedes Rotors mit den Schneckenzähnen darstellt. In diesem Beispiel sind die Anzeiger 61, 71 abgeflachte Abschnitte von Fügeflächen jeder der Schnecken 6, 7.
Die Achsen der Abtriebswellen 8, 9 der beiden Motoren 10, 11 sind senkrecht zur Drehachse der Welle 3 angeordnet, und wie am besten in den 2 und 4 zu sehen ist, können die Achsen der beiden Motoren auch zueinander geneigt sein, um die Gesamtgröße der Anordnung zu reduzieren. Wie am besten in der 1 zu sehen ist, sind die Motoren 10, 11 in einem sich quer erstreckenden zweiteiligen Fortsatz des Gehäuses 2 aufgenommen.
Die Motoren 10, 11 werden von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) dahingehend gesteuert, dass sie bei niedrigen, von dem Lenkrad auf die Welle 3 aufgebrachten Eingangsdrehmomenten in entgegengesetzte Richtungen auf das Getrieberad 4 wirken, um ein Flankenspiel zu beseitigen. Bei höheren, von dem Lenkrad auf die Welle 3 aufgebrachten Eingangsdrehmomenten wirken die Motoren 10, 11 in der gleichen Richtung auf das Zahnrad, um die Drehung der Welle 3 zu unterstützen.
Durch den Einsatz von zwei separaten Motoren 10, 11, die in einem ersten Betriebsmodus dazu steuerbar sind, Drehmoment in entgegengesetzte Richtungen auf das Getrieberad 4 aufzubringen, entfällt die Notwendigkeit, das Flankenspiel mit Präzisionskomponenten zu steuern. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von zwei separaten Motoren 10, 11, die in einem zweiten Betriebsmodus dazu steuerbar sind, ein Drehmoment in der gleichen Richtung auf das Getrieberad 4 aufzubringen, dass die Motoren und die Verzahnungskomponenten für die Hälfte des erforderlichen gesamten Nenndrehmoments des Systems ausgelegt werden können, wodurch die Größe und die Kosten der Anordnung reduziert werden.
Wie ebenfalls offensichtlich wird, kann der Einsatz der beiden Motoren bei entsprechender Ausrichtung dazu beitragen, eine unerwünschte Drehmomentwelligkeit und ein unerwünschtes Rastmoment deutlich unter die Niveaus, die bei Einsatz eines einzigen Motors gleicher Bauart erreichbar sind, und unter das Niveau, das bei einer Zweimotoren-Anordnung unter Verwendung einer herkömmlichen Motorausrichtung erreichbar ist, zu reduzieren.
Die Anordnung der beiden Motoren 10, 11, die Welle 3, die Schnecken 6, 7 und das Getrieberad 4 bilden zusammen eine Zweimotoren-Elektroanordnung.
Wie in den 3, 4, 5 und 7 dargestellt, umfasst der erste Motor 10 einen ersten Rotor 20, einen ersten Stator 30 und eine erste Abtriebswelle 8, die an einem ersten Ende der ersten Abtriebswelle 8 drehbar mit dem ersten Rotor 20 gekoppelt ist. Der erste Motor 10 umfasst ferner ein erstes (dargestelltes) Gehäuse, das den ersten Rotor 20 und den ersten Stator 30 zumindest teilweise umschließt. Das erste Gehäuse 40 ist an einem Gehäuse befestigt, das starr zu dem länglichen Metallgehäuse 2 gelagert oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
Der Motor weist in diesem Beispiel neun Statorzähne 31 auf, und der Rotor trägt sechs Permanentmagnete. Jeder Magnet ist mit N für einen Nordpol und S für einen Südpol gekennzeichnet und die Nord- und Südpole wechseln sich um den Rotor herum ab. Jeder Statorzahn 31 ist mit einem elektrischen Leiter 32 umwickelt, sodass ein durch die Wicklungen um einen Zahn fließender Strom, ein Magnetfeld in den Zähnen induziert. Die Spulen 32 sind so angeschlossen, dass sie drei Motorphasen bilden, die in den Figuren mit A, B und C bezeichnet sind. Der Motor 10 wird von einem Wechselrichter angetrieben, der in bekannter Weise Stromverläufe an jede der drei Phasen des Motors anlegt. Wenn diese Ansteuerströme an die Phasen angelegt werden, kann die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem am Stator 30 erzeugten Magnetfeld und dem Feld der Permanentmagnete des Rotors dazu genutzt werden, den Rotor 20 in Drehung zu versetzen und ein Drehmoment des Motors 10 zu erzeugen. Dieses wird über die Schnecke 6 auf das Getrieberad 4 und damit auf die Welle 3 übertragen.
Analog umfasst der zweite Motor 11 einen zweiten Rotor 120, einen zweiten Stator 130 und eine zweite Abtriebswelle 9, die an einem ersten Ende drehbar mit dem zweiten Rotor 120 gekoppelt ist. Der zweite Motor 11 umfasst ferner ein Gehäuse, wie es in der 1 dargestellt ist. Dieses Gehäuse ist ebenfalls an dem Getriebegehäuse 12 befestigt, das starr zu dem länglichen Metallgehäuse 2 gelagert oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
Der zweite Motor 11 weist einen Rotor 120, einen Stator 130 und Spulen auf, die zu denjenigen des ersten Motors identisch sind. Der zweite Motor 11 weist in diesem Beispiel neun Statorzähne 131 auf, und der Rotor trägt sechs Permanentmagnete. Jeder Magnet ist mit N für einen Nordpol und S für einen Südpol gekennzeichnet, und die Nord- und Südpole wechseln sich um den Rotor herum ab. Jeder Statorzahn 131 ist mit einem elektrischen Leiter 132 umwickelt, sodass ein durch die Wicklungen um einen Zahn fließender Strom, ein Magnetfeld in den Zähnen induziert. Die Spulen sind so angeschlossen, dass sie drei Motorphasen bilden, die in den Figuren mit A, B und C bezeichnet sind. Der zweite Motor wird von einem zweiten Wechselrichter angetrieben, der in bekannter Weise Stromverläufe an jede der drei Phasen des Motors anlegt. Wenn diese Ansteuerströme an die Phasen angelegt werden, kann die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem zweiten Rotor 120 und dem an dem zweiten Stator 130 erzeugten Magnetfeld dazu genutzt werden, den Rotor in Drehung zu versetzen und ein Drehmoment des Motors zu erzeugen. Dieses wird über die Schnecke 7 auf das Getrieberad 4 und damit auf die Welle 3 übertragen.
Der erste Motor 10 und der zweite Motor 11 können, wie in der 1 gezeigt, auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Schneckenrades 30 angeordnet sein. Es können auch andere Positionen verwendet werden, das Anordnen auf einander gegenüberliegenden Seiten, stellt jedoch eine kompakte Anordnung bereit und sorgt für zweckmäßige Anschlußmöglichkeiten der Motorphasen an die Ansteuerschaltung. Eine alternative Anordnung ist in der 7 dargestellt, in der die beiden Motoren 10, 11 so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt, aber zu beiden Seiten der Welle 3 versetzt sind.
Die Statoren der beiden Motoren 10, 11 können in diesem Beispiel so ausgerichtet sein, dass sie miteinander in Phase sind, in dieser ersten Ausführungsform sind sie jedoch, wie in 3 dargestellt, mit einer Phasendifferenz zwischen den beiden ausgerichtet. Mit Phasendifferenz ist gemeint, dass die identischen Muster des Rastmoments von den beiden Motoren bei der Drehung der Welle 3 versetzt sind. Dies wird in der Anordnung der 3 durch sorgfältige Auswahl der Winkelposition der Statoren der beiden Motoren 10, 11 relativ zu dem Getriebegehäuse 12 erreicht. Beim Einsetzen jedes Motors in das Getriebegehäuse wird außerdem darauf geachtet - beispielsweise durch Bezugnahme auf ein mechanisches Merkmal an der Schnecke -, dass die beiden Rotoren perfekt ausgerichtet sind und keine Phasendifferenz zwischen ihnen besteht. Das bedeutet, dass bei jeder beliebigen Position der Welle 3 die mechanischen Positionen der beiden Motoren um einen Betrag versetzt sind, der durch die mechanische Phasendifferenz zwischen den beiden Motorstatoren bestimmt wird.
In dieser Ausführungsform sind die beiden Statoren 20, 120 so ausgerichtet, dass zwischen ihnen ein Phasenversatz von 10 Grad besteht. Die Anmelderin hat erkannt, dass der Phasenversatz sich aufgrund der additiven Wirkung der auf das Getrieberad 4 wirkenden Rastmomente und Drehmomentwelligkeiten von den beiden Motoren erheblich auf das an der Welle 3 auftretende Gesamtrastmoment auswirkt. Die 6 zeigt, wie die an der Welle 3 gemessene Drehmomentwelligkeit mit dem Versatz der Motorstatoren zwischen 0 und 360 Grad variiert. 0 Grad ist die herkömmliche Ausrichtung von zwei Motoren in einem Zweimotoren-Handradaktuator, da sie eine gleiche Steuerung der beiden Motoren ermöglicht und das Anordnen und die Ausrichtung der Anschlüsse der Motorphasen an die Steuerschaltung vereinfacht. Es ist ersichtlich, dass das Vorsehen eines Versatzes von 10 Grad die Gesamtdrehmomentwelligkeit an der Welle 3 deutlich verringert hat, wobei das entsprechende Rastmoment einer ähnlichen Wellenform folgt.
Die 9 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die beiden Motoren 10, 11 jeweils 12:8-Motoren sind (der Rotor umfasst 8 Permanentmagnete, während der Stator 12 Nuten umfasst). Diese Figur veranschaulicht die Lage der Permanentmagnete, der Statorzähne 31, 131 und der elektrischen Anschlüsse der Phasenwicklungen 32, 132. Zwischen den beiden Motoren 10, 11 besteht aufgrund des Versatzes der beiden Statoren 30, 130 eine relative Phasendifferenz von 7,5 Grad.
Die 10 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die beiden Motoren 10, 11 jeweils 12:10-Motoren sind (der Rotor umfasst 10 Permanentmagnete, während der Stator 12 Nuten umfasst). Diese Figur veranschaulicht die Lage der Permanentmagnete, der Statorzähne 31, 131 und der elektrischen Anschlüsse der Phasenwicklungen 32, 132. Zwischen den beiden Motoren 10, 11 besteht aufgrund des Versatzes der beiden Statoren 30, 130 eine relative Phasendifferenz von 3 Grad.
Mit Phasendifferenz ist gemeint, dass die identischen Muster des Rastmoments von den beiden Motoren 10, 11 bei der Drehung der Welle 3 versetzt sind. Dies wird in den Anordnungen der 9 und 10 durch sorgfältige Auswahl der Winkelposition der Statoren der beiden Motoren 10,11 relativ zu dem Getriebegehäuse 12 erreicht. Beim Einsetzen jedes Motors in das Getriebegehäuse wird außerdem darauf geachtet, dass die beiden Rotoren perfekt ausgerichtet sind und keine Phasendifferenz zwischen ihnen besteht. Das bedeutet, dass bei jeder beliebigen Position der Welle 3 die mechanischen Positionen der beiden Motoren um einen Betrag versetzt sind, der durch die mechanische Phasendifferenz zwischen den beiden Motorstatoren bestimmt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die Details der vorstehenden Ausführungsform beschränkt. Die Motoren können unterschiedliche Topologien aufweisen, und in jedem Fall kann eine andere relative Phasenlage des Motors verwendet werden, um die Verringerung des Rastmoments oder der Drehmomentwelligkeit zu optimieren.
In einer alternativen, in der 4 dargestellten Anordnung sind die Statoren nicht versetzt, sondern stattdessen wurden die Rotoren um 10 Grad versetzt. In einer weiteren, in der 5 dargestellten Alternative sind sowohl der Stator als auch die Rotoren versetzt, sodass sich zwischen den Motoren ein kombinierter Gesamtversatz von 10 Grad ergibt.
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 20060042858 A1 [0004]
GB 2579374 [0005]

Claims

Zweimotoren-Antriebsanordnung umfasst ein Gehäuse, eine gegenüber dem Gehäuse drehbar gelagerte Welle, ein erstes Zahnrad, das mit der Welle verbunden und dazu ausgelegt ist, sich mit der Welle zu drehen, und einen ersten und einen zweiten Motor, die jeweils einen Abtrieb aufweisen, der ein jeweiliges Abtriebszahnrad antreibt, wobei die Abtriebszahnräder mit dem ersten Zahnrad in Eingriff stehen, wobei jeder Motor einen Permanentmagnetmotor umfasst, der die gleiche Anzahl von Polen und Statoren aufweist, sodass jeder Motor über eine komplette mechanische Umdrehung des Motors das gleiche Muster von Rastmoment erzeugt, und dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenlage des ersten Motors relativ zu der des zweiten Motors festgelegt ist, wodurch beim Drehen der Welle die Wirkung des von dem ersten Motor auf die Welle aufgebrachten Rastmoments zumindest teilweise durch die Wirkung des von dem zweiten Motor auf die Welle aufgebrachten Rastmoments aufgehoben wird.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach Anspruch 1, die ein gemeinsames Gehäuse für beide Motoren umfasst und bei der die relative Phasenlage der beiden Motoren zumindest teilweise dadurch eingestellt wird, dass die Statoren der beiden Motoren unter unterschiedlichen Winkelausrichtungen in das Gehäuse fixiert werden.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach Anspruch 2, bei der die Statoren über die Wellen der jeweiligen Abtriebszahnräder so an dem ersten Zahnrad fixiert sind, dass sie immer in Phase zueinander sind.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach Anspruch 1, die ein gemeinsames Gehäuse für beide Motoren umfasst und bei der die Statoren über die Wellen der jeweiligen Abtriebszahnräder so an dem ersten Zahnrad fixiert sind, dass sie immer um einen festgelegten Betrag, der durch die erforderliche relative Phasenlage der Motoren bestimmt wird, zueinander phasenverschoben sind.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Rotor und der Stator jedes der beiden Motoren identisch sind.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Teil einer Handradaktuatoranordnung für ein Fahrzeug umfasst, wobei die Welle ein Befestigungsteil umfasst, mit dem sie an einem Lenkrad oder einer Gelenkgabel befestigt werden kann.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der relative Phasenversatz zwischen den Motoren in Abhängigkeit von den folgenden Motorparametern eingestellt wird: Anzahl der Rotorpole, d.h. die Anzahl der Magnete in dem Motor; Anzahl der Zyklen einer bestimmten Wellenform pro mechanischer Umdrehung; Schrägungswinkel des Motors; und bei schrittweise geschrägtem Motor der Schrägungswinkel pro Schritt der Magnete.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der beide Motoren Permanentmagnetmotoren umfassen, in denen der Rotor sechs Permanentmagnete aufweist und der Stator neun Spulenwicklungen aufweist und die relative Phasenlage zwischen den beiden Motoren 10 Grad mechanisch plus M*20 Grad mechanisch beträgt, wobei M Null oder ein positiver ganzzahliger Wert ist.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der beide Motoren Permanentmagnetmotoren umfassen, in denen der Rotor acht Permanentmagnete aufweist und der Stator 12 Spulenwicklungen aufweist und die relative Phasenlage zwischen den beiden Motoren 7.5 Grad mechanisch plus M*15 Grad mechanisch beträgt, wobei M Null oder ein positiver ganzzahliger Wert ist.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der beide Motoren Permanentmagnetmotoren umfassen, in denen der Rotor zehn Permanentmagnete aufweist und der Stator zwölf Spulenwicklungen aufweist und die relative Phasenlage zwischen den beiden Motoren 3 Grad mechanisch plus M*6 Grad mechanisch beträgt, wobei M Null oder ein positiver ganzzahliger Wert ist.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher der Phasenversatz zwischen den Motoren so eingestellt wird, dass die Unterdrückung einer bestimmten Harmonischen optimiert wird.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Zahnrad eine Schneckenverzahnung umfasst und jedes der Abtriebszahnräder eine Schnecke umfasst.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach Anspruch 12, bei der die Drehachsen der beiden Schnecken zueinander geneigt sind und die Drehachsen der beiden Schnecken senkrecht zu den Drehachsen des ersten Zahnrads verlaufen.
Zweimotoren-Antriebsanordnung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei der die Abtriebszahnräder ebenfalls im Wesentlichen identisch sind, sodass die Drehmomentvervielfachung von den Motoren auf die Welle gleich ist.