DE10343194A1 - Alternative Antriebskraftanordnung mit einem Elektromotor mit mehreren Ankern - Google Patents

Alternative Antriebskraftanordnung mit einem Elektromotor mit mehreren Ankern Download PDF

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Abstract

Ein System zum Übertragen von Antriebsdrehmoment zu Rädern an einem Fahrzeug umfaßt einen Elektromotor mit der Fähigkeit, drehbare Achswellen unabhängig voneinander anzutreiben. Ein Beispiel umfaßt einen einzelnen Stator mit einem ersten Anker, der zu einer ersten Achswelle gehört, und einem zweiten Anker, der zu einer zweiten Achswelle gehört. Ein Steuergerät steuert unabhängig voneinander die Energiezufuhr zu den Ankern, um die gewünschte Raddrehzahl bzw. das gewünschte Antriebsdrehmoment an jedem der Räder zu erzielen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft allgemein Elektromotoren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elektromotoranordnung in einer Antriebsbaugruppe eines Fahrzeugs.
  • Herkömmliche Kraftfahrzeuge wurden durch einen Verbrennungsmotor angetrieben, der für einen oder mehrere Sätze von Rädern ein Antriebsdrehmoment bereitstellt, um das Fahrzeug in der gewünschten Weise anzutreiben. Neuere Trends gehen dahin, andere Quellen für Antriebskraft anstelle von oder in Ergänzung zu dem Verbrennungsmotor einzubauen. Ein solches Beispiel ist ein Elektrohybridfahrzeug, das die Kraft eines Verbrennungsmotors oder die Kraft eines Elektromotors nutzt. Ein Nachteil solcher alternativen Antriebsanordnungen liegt darin, daß die möglichen Vorteile durch die Fähigkeit zum Einbau solcher Systeme in ein Fahrzeug beschränkt sind. Bauformen mit alternativen Energiequellen sind normalerweise stark abhängig von den aktuellen Konfigurationen der Fahrzeugkomponenten. Ein begrenztes Platzangebot und die Bauformen der Komponenten stellen für eine effektive Integration alternativer Antriebsanordnungen ein ernstes Problem dar.
  • Es besteht ein Bedarf an alternativen Anordnungen ergänzender oder alternativer Antriebsvorrichtungen in Fahrzeugen, so daß eine entsprechende Steuerung im Rahmen der begrenzten Möglichkeiten zum Einbau in ein Fahrzeug bewerkstelligt werden kann. Diese Erfindung deckt diesen Bedarf und stellt eine einzigartige Anordnung zum Übertragen eines Antriebsdrehmoments zu einem oder mehreren Rädern eines Fahrzeugs bereit.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Allgemein gesagt handelt es sich bei dieser Erfindung um eine Achsbaugruppe mit einem Elektromotor mit mehr als einem Anker, so daß mehr als eine Motordrehzahl zur Verfügung steht, um unabhängig voneinander Drehmoment zu unabhängig voneinander drehbaren Achswellen zu übertragen.
  • Ein Beispiel einer gemäß dieser Erfindung konstruierten Achsbaugruppe umfaßt eine erste Achswelle. Eine zweite Achswelle ist so gelagert, daß sie sich unabhängig von der ersten Achswelle dreht. Ein Elektromotor umfaßt einen Stator, einen ersten Anker und einen zweiten Anker. Jeder Anker ist einer der Achswellen zugeordnet. Ein Steuergerät steuert die Energiezufuhr zu den Ankern, um unabhängig voneinander die gewünschte Drehung der ersten bzw. zweiten Achswelle herbeizuführen.
  • Eine gemäß dieser Erfindung konstruierte Elektromotorbaugruppe stellt zu einer mechanischen Differentialbaugruppe analoge Merkmale bereit.
  • Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsform offensichtlich. Die der ausführlichen Beschreibung beigefigten Zeichnungen lassen sich kurz wie folgt beschreiben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines gemäß dieser Erfindung konstruierten Systems.
  • 2 ist eine schematische Darstellung von ausgewählten Abschnitten einer alternativen Ausführungsform.
  • 3 ist eine schematische Darstellung von ausgewählten Abschnitten einer weiteren alternativen Ausführungsform.
  • 4 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem gemäß dieser Erfindung konstruierten System.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 1 ist in einer teilweise im Querschnitt gezeigten Ansicht ein Fahrzeugachsenantriebssystem 20 zum Übertragen von Antriebsdrehmoment zu den Rädern 22 und 24 schematisch dargestellt. Das System 20 umfaßt eine zu dem Rad 22 gehörige erste Achswelle 26 und eine zu dem Rad 24 gehörige zweite Achswelle 28. Die Achswellen 26 und 28 können in einem Fahrzeug auf eine ausgewählte, herkömmliche Weise gelagert sein, so daß die Achswellen unabhängig voneinander drehbar sind. Eine unabhängige Aufhängungskonfiguration wird bevorzugt, so daß die (nachfolgend beschriebene) Antriebsbaugruppe am Fahrzeugchassis befestigt werden kann, womit ungefederte Masse reduziert wird.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht unterschiedliche Drehzahlen zwischen den Rädern 22 und 24, um zum Beispiel den Bedingungen beim Abbiegen und anderen Fahrbedingungen gerecht zu werden.
  • Ein Elektromotor 30 überträgt wahlweise Antriebsdrehmoment zu den Achswellen 26 und 28, um die gewünschte Drehung der Räder 22 und 24 herbeizuführen. Der Elektromotor 30 kann als Hauptquelle von Antriebsdrehmoment für die Achswellen verwendet werden. Alternativ kann der Elektromotor 30 zur Ergänzung der normalerweise von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) über eine herkömmliche Antriebswellenanordnung (nicht dargestellt) bereitgestellten Antriebskraft verwendet werden. Demnach kann der Elektromotor 30 jederzeit, zu ausgewählten Zeiten, die Hauptquelle für Antriebsdrehmoment sein oder kann eine zusätzliche Quelle für Antriebsdrehmoment sein, je nach der speziellen Fahrzeugkonfiguration.
  • Der Elektromotor 30 umfaßt einen Stator 32, der auf eine insgesamt herkömmliche Weise konfiguriert ist. Ein erster Anker 34 ist so gelagert, daß er sich relativ zu dem Stator 32 dreht. Ein zweiter Anker 36 ist so gelagert, daß er sich unabhängig von dem ersten Anker 34 relativ zu dem Stator 32 dreht und auf Wunsch relativ zu dem Anker 34. Der Stator 32 und die Anker 34 und 36 umfassen bekannte Komponenten, so daß die bekannte Elektromotortechnologie nach Bedarf die gewünschten relativen Drehungen bereitstellt. Der Stator 32 ist vorzugsweise so gelagert, daß er in einer festen Position relativ zu dem Fahrzeugrahmen (nicht dargestellt) bleibt.
  • Ein Steuergerät 40 steuert unabhängig voneinander die Energiezufuhr zu den Ankern 34 und 36, um jeweils die gewünschte Drehung zu erzielen. Eine erste Kommutator- und Bürstenanordnung 42 läßt das Steuergerät 40 die Bewegung bzw. Funktionsweise des ersten Ankers steuern. Eine zweite Kommutator- und Bürstenanordnung 44 läßt das Steuergerät 40 unabhängig voneinander den Anker 36 steuern. Je nach den speziellen Fahrbedingungen und dem Drehmomentbedarf an den Rädern 22 und 24 verursacht das Steuergerät 40 eine entsprechende Reaktion an den Ankern 34 und 36, um das benötigte Antriebsdrehmoment und die benötigte Drehzahl an den Rädern zu erzielen.
  • Zum Beispiel kann sich das Rad 22 beim Abbiegen schneller drehen müssen als das Rad 24. Das Steuergerät 40, das entsprechende Informationen wie zum Beispiel den Radschnitt erhält, ist vorzugsweise so programmiert, daß es auf ein Szenario dadurch reagiert, daß es den Anker 34 in eine schnellere Drehung versetzt als den Anker 36. Unter den meisten Fahrbedingungen wird das Steuergerät 40 versuchen, die Anker 34 und 36 mit derselben Drehzahl drehen zu lassen. Wenn es zu einem unerwünschten Schlupf zwischen den Rädern 22 und 24 kommt, ist das Steuergerät 40 vorzugsweise so programmiert, daß es auf eine solche Situation dadurch reagiert, das es die Anker 34 und 36 in Drehung versetzt, so daß das entsprechende Antriebsdrehmoment zwischen den Rädern 22 und 24 verteilt wird.
  • Die Elektromotorbaugruppe 30 hat die Möglichkeit, analog zu einer mechanischen Differentialanordnung zu arbeiten. Die unabhängigen Anker 34 und 36 erlauben eine unabhängige Drehung der Räder 22 und 24 oder auf Wunsch das Sperren der Räder, damit sie sich gemeinsam drehen.
  • In dem veranschaulichten Beispiel von 1 ist ein Abschnitt des ersten Ankers 34 um den Stator 32 herum angeordnet. Ein Abschnitt des Ankers 36 ist innerhalb des Stators 32 angeordnet. Eine weitere Anordnung ist in 2 schematisch dargestellt, wo beide Anker 34' und 36' zumindest teilweise innerhalb des Stators 32 angeordnet sind. Noch eine weitere Alternative ist in 3 dargestellt, wo die Anker 34'' und 36'' beide zumindest teilweise um den Stator 32 herum angeordnet sind.
  • In den veranschaulichten Beispielen von 1–3 wird ein gewisser axialer Abstand zwischen den Ankern beibehalten, um eine mögliche Interferenz zwischen den Magnetfeldern zu minimieren, die jeweils zu den mit dem Stator 32 in Wechselwirkung stehenden Ankern gehören. Der Fachmann, der diese Beschreibung kennt, wird feststellen, daß eine Vielzahl von Elektromotorkonfigurationen im Rahmen dieser Erfindung liegt.
  • Ein weiteres Merkmal des veranschaulichten Beispiels ist das Merkmal einer Feststellbremse. Eine Feststellvomchtung 50 umfaßt Einrückelemente 52 und 54, die wahlweise an entsprechenden Flächen 56 bzw. 58 an den Ankern 34 und 36 angreifen. Eine Bewegungsvorrichtung 60, wie zum Beispiel ein Elektromagnet, wird vorzugsweise durch das Steuergerät 40 gesteuert, um wahlweise für den Eingriff zwischen den Einrückelementen 52 und 54 und den entsprechenden Ankern zu sorgen. Indem die Einrückelemente mit den entsprechenden Flächen in Eingriff gebracht werden, können die Anker verriegelt werden, so daß keine relative Drehung zwischen den Ankern und dem Stator 32 mehr möglich ist. Weil der Stator 32 vorzugsweise in einer festen Position relativ zu dem Fahrzeugrahmen oder -chassis gelagert ist, werden die Räder 22 und 24 wirksam verriegelt, wodurch die Funktion einer Feststellbremse bereitgestellt wird.
  • Das veranschaulichte Beispiel von 1 umfaßt ein Gehäuse 64, in dem der Elektromotor 30 gelagert ist. Ein Abschnitt des veranschaulichten Gehäuses ist so konfiguriert, daß er eine Energie- oder Stromversorgung 66 wie zum Beispiel eine Batterie oder Brennstoffzelle enthält. In einem Beispiel ist die Energiequelle 66 in wirksamer Weise um den Motor 30 herum in dem Gehäuse 64 verteilt, um den Einbau und die Größe des Gehäuses 64 und damit die Baugruppe insgesamt zu minimieren. Herkömmliche Dichtungsanordnungen 68 verhindern das Eindringen von Verunreinigungen in das Gehäuse 64, wobei sich die Achswellen 26 und 28 immer noch drehen können.
  • Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß ein oder mehr Anker als regenerative Energiequelle zum Aufladen der Energieversorgung 66 verwendet werden können. Im Leerlauf oder beim Bremsen schaltet das Steuergerät 40 zum Beispiel einen oder mehrere der Anker in einen regenerativen Modus um, so daß der Anker zum Erzeugen von Strom verwendet wird, der dann der Energieversorgung 66 zugeführt wird, um zum Beispiel die Batterie oder Brennstoffzelle wieder aufzuladen. Der Fachmann, der etwas von Elektromotortechnologie versteht, wird angesichts dieser Beschreibung sehen, wie ein solches Merkmal zu implementieren ist.
  • Außerdem kann das Steuergerät 40 einen oder mehrere der Anker steuern, um nach Wunsch eine Bremskraft zu einem entsprechenden Rad zu übertragen. Demnach können die Anforderungen für mechanische Bremsen in einem Fahrzeug mit einem gemäß dieser Erfindung konstruierten System herabgesetzt werden, was weitere wirtschaftliche Vorteile bietet.
  • Soweit eine Untersetzung zwischen dem Ausgang der Anker 34 und 36 und den Rädern 22 und 24 erforderlich ist, können entsprechende Untersetzungsanordnungen (nicht dargestellt) als Bestandteil zum Beispiel der Achsbaugruppe oder der Radnabenbaugruppen eingebaut werden.
  • In 4 ist ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem gemäß dieser Erfindung konstruierten System schematisch dargestellt. Das Steuergerät 40 sammelt Informationen von mehreren Sensoren 70, 72, 74 und 76, die Angaben über den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs liefern. Beispielhafte Sensoren umfassen Raddrehzahlsensoren, Lenkwinkelsensoren und einen Sensor für die Fahrzeuggeschwindigkeit insgesamt. Das Steuergerät 40 ist vorzugsweise so programmiert, daß es die Informationen von den verschiedenen Sensoren empfängt und daraufhin den Elektromotor 30 steuert, um die gewünschte Drehmomentverteilung zwischen den Rädern 22 und 24 bereitzustellen.
  • In der Darstellung von 4 umfaßt das Fahrzeug mehr als eine Antriebsachse, so daß eine erste Achsbaugruppenanordnung 20A in Form eines Elektromotors einem Satz Räder zugeordnet ist und eine zweite Antriebsbaugruppe 20B in Form eines Elektromotors einem zweiten Satz Räder zugeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung ist das Steuergerät 40 vorzugsweise so programmiert, daß es nicht nur die gegenüberliegenden Räder des Satzes unabhängig voneinander steuert, sondern auch jeden Radsatz nach Bedarf unabhängig voneinander steuert, um den gewünschten Betrag der Drehmomentverteilung zu erreichen.
  • Die erfindungsgemäße Baugruppe bietet die Möglichkeit zum Einbau einer alternativen Energiequelle zum Antrieb der Räder eines Fahrzeugs. Außerdem ist die erfindungsgemäße Baugruppe in der Lage, anstelle einer mechanischen Differentialanordnung, einer Energiequelle für das Antriebsdrehmoment und einer Vorrichtung zum Aufbringen der Bremskraft zu arbeiten. Darüberhinaus erlaubt die erfindungsgemäße Baugruppe eine bessere Integration alternativer Antriebsanordnungen in ein Fahrzeug im Rahmen der typischen Einschränkungen hinsichtlich des Einbaus, weil sie nicht zwangsläufig auf alle erforderlichen Merkmale einer herkömmlichen Antriebsstrangbaugruppe angewiesen ist.
  • Die vorstehende Beschreibung ist an sich eher beispielhaft als einschränkend. Für den Fachmann werden Variationen und Modifikationen der offenbarten Beispiele offensichtlich, die nicht zwangsläufig vom Kern dieser Erfindung abweichen. Der Umfang des dieser Erfindung gewährten Rechtsschutzes läßt sich nur durch das Studium der nun folgenden Ansprüche bestimmen.

Claims (20)

  1. Achsbaugruppe, die folgendes umfaßt: eine erste Achswelle; eine zweite Achswelle, die so gelagert ist, daß sie sich unabhängig von der ersten Achswelle dreht; einen Elektromotor mit einem Stator und einem zu der ersten Achswelle gehörigen ersten Anker und einem zu der zweiten Achswelle gehörigen zweiten Anker; und ein Steuergerät, das die Bewegung des ersten Ankers unabhängig von der Bewegung des zweiten Ankers steuert, um eine gewünschte Drehung der ersten bzw. zweiten Achswelle zu erreichen.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät die Energiezufuhr zu jedem Anker steuert, um den jeweiligen Anker je nach der gewünschten Drehung der entsprechenden Achswelle in Drehung zu versetzen.
  3. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät die Anker so steuert, daß sie wahlweise eine Bremskraft ausbringen, die der Drehung der entsprechenden Achswelle entgegenwirkt.
  4. Baugruppe nach Anspruch 3, die eine Energiequelle umfaßt und bei der mindestens einer der Anker wahlweise Strom erzeugt, um die Energiequelle beim Ausbringen der Bremskraft aufzuladen.
  5. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Stator im allgemeinen zylindrisch ist, der erste Anker zumindest teilweise innerhalb des Stators angeordnet ist und der zweite Anker zumindest teilweise um eine Außenseite des Stators herum angeordnet ist.
  6. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Anker jeweils zumindest teilweise um eine Außenseite des Stators herum angeordnet sind und die Anker axial voneinander beabstandet sind.
  7. Baugruppe nach Anspruch 1, die einen dem ersten Anker zugeordneten ersten Kommutator und einen dem zweiten Anker zugeordneten zweiten Kommutator umfaßt und bei der das Steuergerät mit jedem Kommutator in Verbindung steht, um die Anker unabhängig voneinander zu steuern.
  8. Baugruppe nach Anspruch 1, die eine Verriegelungsvorrichtung umfaßt, die wahlweise mindestens einen der Anker gegenüber dem Stator verriegelt, um eine relative Drehung zwischen dem Anker und dem Stator zu verhindern.
  9. Baugruppe nach Anspruch 8, wobei die Verriegelungsvorrichtung ein Einrückelement umfaßt, das den Anker mechanisch gegenüber dem Stator verriegelt, und eine Bewegungsvorrichtung, die das Einrückelement wahlweise in die mechanisch verriegelnde Stellung bringt.
  10. Baugruppe nach Anspruch 1, mit einem Gehäuse, in dem der Elektromotor gelagert ist, wobei das Gehäuse auf einem Fahrzeug gelagert ist und der Stator in dem Gehäuse gelagert ist, um relativ zu dem Gehäuse feststehend zu bleiben, und mit einer Energiequelle, die in dem Gehäuse gelagert ist.
  11. Steuersystem für einen Fahrzeugantrieb, wobei das System folgendes umfaßt: eine erste Achswelle; eine zweite Achswelle, die so gelagert ist, daß sie sich unabhängig von der ersten Achswelle dreht; mindestens einen Sensor, der Angaben über einen Fahrzustand des Fahrzeugs liefert; einen Elektromotor mit einem Stator, einem der ersten Achswelle zugeordneten ersten Anker und einem der zweiten Achswelle zugeordneten zweiten Anker; und ein Steuergerät, das die Bewegung des ersten Ankers unabhängig von der Bewegung des zweiten Ankers steuert, um eine gewünschte Drehung der ersten bzw. zweiten Achswelle zu erreichen, wobei das Steuergerät die Angaben von dem Sensor verwendet, wenn es bestimmt, wie die Anker zu steuern sind.
  12. System nach Anspruch 11, wobei das Steuergerät die Anker so steuert, daß sie wahlweise eine Bremskraft aufbringen, die der Drehung der entsprechenden Achswelle entgegenwirkt.
  13. System nach Anspruch 12, das eine Energiequelle umfaßt und bei dem mindestens einer der Anker wahlweise Strom erzeugt, um beim Aufbringen der Bremskraft die Energiequelle aufzuladen.
  14. System nach Anspruch 11, das mehrere Sensoren umfaßt, die mehrere Angaben zu dem Steuergerät übertragen, einschließlich einer Angabe des Lenkwinkels, einer Angabe der Raddrehzahl und einer Angabe der Fahrzeuggeschwindigkeit, und wobei das Steuergerät die Anker in Reaktion auf die Sensorangaben steuert.
  15. System nach Anspruch 11, bei dem der Stator relativ zu einem Rahmen des Fahrzeugs feststeht und das eine Verriegelungsvorrichtung umfaßt, die wahlweise mindestens einen der Anker gegenüber dem Stator verriegelt, um eine relative Drehung zwischen dem Anker und dem Stator zu verhindern.
  16. System nach Anspruch 15, bei dem die Verriegelungsvorrichtung ein Einrückelement umfaßt, das wahlweise an einer entsprechenden Fläche auf dem entsprechenden Anker angreift, um den Anker gegenüber dem Stator zu verriegeln, und eine Bewegungsvorrichtung, die das Einrückelement in Reaktion auf einen Befehl von dem Steuergerät wahlweise mit der entsprechenden Fläche in Eingriff bringt.
  17. Verfahren zum Steuern der Drehung von zwei auf einer Achse ausgerichteten Fahrzeugrädern, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Elektromotors mit einem Stator und zwei dem Stator zugeordneten Ankern, so daß sich ein erster Anker mit dem einen der Räder dreht und ein zweiter Anker sich mit dem anderen der Räder dreht; und Steuern der Anker unabhängig voneinander, um eine gewünschte Drehung jedes der Räder zu erreichen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Anker unabhängig voneinander angetrieben werden, um einen gewünschten Betrag an Antriebsdrehmoment zu jedem der Räder zu übertragen.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem mindestens einer der Anker wahlweise geschaltet wird, um in Reaktion auf die Drehung des entsprechenden Rades elektrische Energie zu erzeugen und die erzeugte Energie einer Energieversorgung in dem Fahrzeug zuzuführen.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem mindestens einer der Anker wahlweise gesteuert wird, um eine Bremskraft bereitzustellen, um eine Drehzahl des entsprechenden Rades zu steuern.
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