DE202021004166U1 - Electromotive feedback drive for a steering system - Google Patents
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Abstract
Elektromotorischer Rückkopplungsantrieb (2) für ein Lenksystem, aufweisend einen bürstenlosen Elektromotor (4) mit einem bewickelten Stator (8) und mit einem Rotor (10),
- wobei der Rotor (10) einen permanentmagnetischen Rotormagnet (26) aufweist,
- wobei der Rotormagnet (26) eine Anzahl von Magnetpolen aufweist, welche nach Art einer Halbach-Anordnung magnetisiert sind, und
- wobei der Rotormagnet (26) in einem Rotorgehäuse (24) angeordnet ist, welches drehfest mit einer Lagerschildplatte (6) gefügt ist.
Electromotive feedback drive (2) for a steering system, having a brushless electric motor (4) with a wound stator (8) and with a rotor (10),
- wherein the rotor (10) has a permanent magnetic rotor magnet (26),
- wherein the rotor magnet (26) has a number of magnetic poles which are magnetized in the manner of a Halbach arrangement, and
- Wherein the rotor magnet (26) is arranged in a rotor housing (24) which is non-rotatably joined to an end shield plate (6).
Description
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.The invention relates to an electromotive feedback drive for a steering system, having a brushless electric motor with a wound stator and with a permanently excited rotor. The invention also relates to a steering system with such a feedback drive.
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.In a modern motor vehicle, electric motors are used in a variety of ways as drives for different control elements. Electric motors are used, for example, as power windows, sunroofs or seat adjustment drives, as steering drives (EPS, Electrical Power Steering), as cooler fan drives or as gear actuators. Such electric motors can also be used in so-called force feedback drives for a steer-by-wire steering system.
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.Steer-by-wire is understood here and below in particular as a steering concept in which a manual steering command from a vehicle user is transmitted from a sensor (in particular the steering wheel) via a control unit exclusively electrically to an electromechanical actuator that executes the steering command. In other words, with such a steering system there is no mechanical connection between the steering wheel and a steering gear or the steered vehicle wheels.
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. In the case of steer-by-wire steering systems, there is therefore no direct mechanical feedback for the vehicle user with regard to the steering command. This lack of haptic feedback can reduce driving safety and steerability, since the vehicle user cannot reliably grasp the current driving situation.
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.Steer-by-wire steering systems therefore regularly have a separate control actuator as a feedback drive in order to physically transmit the load torque as a reaction of the steered wheels as a haptic feedback signal to the vehicle user, and also to build up a braking torque if necessary, which simulates steering dynamics and steering stops. The feedback signal thus gives the vehicle user a feedback moment that corresponds to the real reaction moment, so that he gets the impression of conventional steering.
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.The feedback drive can be arranged as a direct drive (ie without an additional gear) on the steering column of the steering system. With such a direct drive, high functional demands are placed on the feedback drive. For example, the feedback drive should have a high actuating torque in a small installation space and a sufficiently high degree of efficiency for thermal stability, as well as low torque ripple for good acoustics. Furthermore, a low detent torque and good controllability with high positioning accuracy are desired.
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.One type of motor that can adequately meet all the criteria is a high-pole, brushless DC electric motor (BLDC motor), which is designed, for example, as an internal or external rotor. A particular challenge here is the air gap induction between the rotor and the stator, which is as sinusoidal as possible, in order to be able to control the electric motor acoustically and haptically inconspicuously and to meet the high market requirements in this regard.
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.In principle, conventional BLDC motor concepts have an approximately trapezoidal air gap induction and can only meet the desired criteria to a limited extent. The high number of poles means additional work when assembling the rotor magnets. In addition, magnetic short circuits can occur in the edge area of the rotor magnets due to the limited rotor diameter, so that the magnet material used cannot be optimally utilized.
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.The object of the invention is to specify a particularly suitable feedback drive for a steering system. In particular, an air gap induction that is as sinusoidal as possible should be realized between the rotor and the stator. The invention is also based on the object of specifying a particularly suitable steering system.
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.With regard to the feedback drive, the object is achieved with the features of claim 1 and with regard to the steering system with the features of
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.The electromotive feedback drive according to the invention is intended for a steering system of a motor vehicle, in particular for a steer-by-wire steering system, and is suitable and set up for it. In this case, the feedback drive has a high-pole, brushless electric motor, which has a wound stator and a rotor.
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.The rotor is designed to be permanently excited and has a permanent magnet Rotor magnet as a magnetic flux source for torque generation. In this case, the rotor magnet has a number of magnetic poles which are magnetized in the manner of a Halbach arrangement (halbach array, Halbach magnetization). In such an arrangement, the magnetic field is strengthened on a side of the arrangement facing the stator, while it is reduced on the opposite side (facing away from the stator). With a corresponding orientation of the permanent magnets, this results in a sinusoidal field strength profile on the side facing the stator, as a result of which a cogging torque in particular is reduced.
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.In summary, the rotor magnet, magnetized in the manner of a Halbach arrangement, has a sinusoidal magnetic field strength profile with respect to a radial direction, i.e. perpendicular to the motor axis, on its side facing the stator and correspondingly in an air gap formed between the rotor and the stator. This results in a sinusoidal electromotive force (EMF) as air gap induction along the circumferential direction of the rotor. In particular, due to the magnetization, a sinusoidal EMF is realized without or at least with comparatively few and/or weakly developed harmonics. Because of this, the torque ripples are comparatively small, and therefore the motor efficiency is advantageously improved.
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.The Halbach magnetization of the rotor magnet is produced, for example, by means of individually prefabricated, anisotropic permanent magnets in the appropriate orientation. As an alternative to this embodiment with a plurality of anisotropic permanent magnets, a Halbach magnetization can also be realized by means of an isotropic ring magnet, on which the Halbach magnetization is impressed.
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.The rotor magnet is in this case arranged in a rotor housing which is joined to an end shield in a rotationally fixed manner. The end shield preferably forms a mechanical interface between the feedback drive and the steering system. For example, it is conceivable that the feedback drive can be coupled to a steering column by means of the end shield for the direct transmission of a generated torque. As a result, a particularly suitable feedback drive is implemented.
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.Due to the Halbach magnetization of the rotor magnet, a low torque ripple is realized in motor operation, which has an advantageous effect on the acoustics of the feedback drive due to the sinusoidal air gap induction in combination with the high number of poles.
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.The electric motor is preferably designed as a radial flux motor. Alternatively, the electric motor can also be designed as an axial flux motor, so that a different storage and assembly concept is possible and advantages with regard to the space requirement can be realized. An axial flux motor also has a higher torque density than a radial flux motor.
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.The motor torque acting on the rotor via the rotating field is proportional to the square of the diameter of the rotor. In other words, the engine torque increases as the rotor diameter increases. According to an advantageous embodiment, the electric motor is designed as an external rotor. In other words, the rotor is an external rotor, so that torque amplification can be realized through a larger rotor diameter. Consequently, the motor torque is greater in this way in comparison to an electric motor designed as an internal rotor with the electric motor of the same size.
Bei einer Ausführung als Innenläufer beziehungsweise Innenrotor wird der Rotordurchmesser möglichst maximiert, um die Drehmomentverstärkung zu erhöhen, da die magnetische Luftspaltinduktion relativ gering ist.When designed as an internal rotor or internal rotor, the rotor diameter is maximized as far as possible in order to increase the torque amplification, since the magnetic air gap induction is relatively low.
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.Individual magnets are preferably not used in the rotor magnet. The rotor magnet is expediently formed by means of magnet segments or, according to a suitable development, by means of a closed ring magnet (magnetic ring). In particular, the rotor magnet is designed as a one-piece, ie one-piece or monolithic, ring magnet. This results in a significantly reduced assembly effort compared to an individual magnet assembly. Furthermore, a tolerance-reduced, robust pole symmetry is made possible in comparison to individually assembled and sintered magnets.
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.In a preferred embodiment, the rotor magnet has between six (6) to fifty (50), more preferably between twenty (20) and fifty (50) magnetic poles. For example, the stator has twenty-four (24) stator teeth on which a rotary field winding is applied. The rotating field winding is, for example, two stator windings, each with twelve coils, which are each connected to form a star connection. In this case, the rotor or the rotor magnet has in particular twenty-eight (28) magnetic poles, which are arranged in a Halbach arrangement.
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.In an advantageous embodiment, the rotor magnet is made from a plastic-bonded, pressed magnet ring as a composite material. This has a magnetic powder in a Plastic matrix is embedded. As a result, a lower plastic content is possible than with plastic-bonded injection-moulded magnets, which means that higher magnetic properties can be achieved using the same magnet powder.
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.In an expedient embodiment, the rotor magnet is made from a neodymium-iron-boron (NdFeB) material. Preferably, at room temperature (20°C) the rotor magnet has a magnetic remanence between 0.2 T (Tesla) and 0.75 T, and a coercivity of magnetic polarization between 150 kA/m (kilo amperes per meter) and 1200 kA/m. m up.
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.The rotor magnetic flux source is, for example, an isotropic NdFeB Halbach array with a number of magnetic poles ranging from 6 to 50. The isotropic NdFeB Halbach array has a magnetic remanence between 0.65 T and 0.75 T at 20°C , and a magnetic coercive force between 450 kA/m and 550 kA/m, for example. In the case of a pressed magnetic ring, the magnetic coercive field strength is preferably between 700 kA/m and 770 kA/m. With such magnetic properties, a magnetic flux density in the air gap of the motor in the range from 0.8 T to 1.0 T is achieved. Compared with the magnet, the concentration factor of the air gap flux density (KFC) is in a range of 1.2 to 1.5.
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.The rotor magnet can also be designed as an injection molded magnet. In the case of anisotropically sprayed magnets, there is no need for magnetization, with such magnets having a particularly flexible ability to adapt to different applications. For example, the rotor consists of injection molded parts, of which the magnetic flux source is an anisotropic injection molded NdFeB Halbach array (IM) with a number of magnetic poles ranging from 6 to 50. The magnetic part and the non-magnetic part are injected together using the so-called multi-component injection molding technique. At 20°C, the anisotropic IM-NdFeB Halbach array has a magnetic remanence between 0.65 T and 0.75 T, and a magnetic coercive field strength, for example, between 450 kA/m and 550 kA/m. An injection-molded IM-NdFeB magnet ring preferably has a magnet coercivity between 1100 kA/m and 1200 kA/m.
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.A ferrite magnet can also be used as an alternative to the NdFeB magnet material. The injection molded ferrite Halbach array has a magnetic remanence between 0.2 T and 0.32 T at 20°C, and a magnet coercivity between 150 kA/m and 300 kA/m. With such magnetic properties, a magnetic flux density in the air gap of the motor in the range from 0.3 T to 0.5 T is achieved. Compared with the magnet, the concentration factor of the air gap flux density is in a range of 1.2 to 1.5.
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.Due to the Halbach arrangement, the rotor, which is designed in particular as an external rotor, has a reduced field strength as leakage flux on the (outside) side opposite the stator. An additional (rotor) yoke is preferably provided to reduce this leakage flux. In a suitable further development, a yoke collar on the outer circumference is placed on the rotor magnet. The yoke collar is made from a ferromagnetic material. This yoke sleeve has a significantly smaller thickness than rotors with conventional magnets without the Halbach effect. In a preferred embodiment, the yoke sleeve has a radial thickness of less than 5 mm (millimeters), in particular less than 2 mm. For example, the yoke cuff has a thickness of about 1 mm (millimeter). In the following, the term “approximately” when specifying a thickness designates in particular a certain thickness range around the specified thickness values, for example ±0.5 mm. For example, a thickness of about 1 mm is to be understood as (1.0±0.5) mm, ie as a thickness range between 0.5 mm and 1.5 mm. The rotor is thus characterized by a particularly low rotor weight and reduced rotor inertia.
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.The steering wheel system according to the invention is designed in particular as a steer-by-wire steering wheel system and has a steering wheel which is coupled to a feedback drive as described above. As a result, a particularly suitable steering wheel system with low noise development is realized.
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.
-
1 a perspective exploded view of a feedback drive for a steer-by-wire steering system, and -
2 in a sectional view, a detail of an electric motor of the feedback drive.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.
Die
Der Rückkopplungsantrieb 2 weist einen hochpoligen bürstenlosen Elektromotor 4 auf, welcher mittels einer als Motorträger ausgeführten Lagerschildplatte 6 direkt an ein Lenkrad koppelbar ist.The feedback drive 2 has a high-pole, brushless
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.The
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.The permanently
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.The
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.The hollow-cylindrical or
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.The
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.The
In der
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.The invention is not limited to the exemplary embodiments described above. On the contrary, other variants of the invention can also be derived from this by a person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all of the individual features described in connection with the exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways without departing from the subject matter of the invention.
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- Rückkopplungsantriebfeedback drive
- 44
- Elektromotorelectric motor
- 66
- Lagerschildplatteend shield plate
- 88th
- Statorstator
- 1010
- Rotorrotor
- 1212
- Statorzahnstator tooth
- 1414
- Drehfeldwicklungrotating field winding
- 1616
- Spindelspindle
- 1818
- Wälzlagerroller bearing
- 2020
- Wälzlagerroller bearing
- 2222
- Federringspring washer
- 2424
- Rotorgehäuserotor case
- 2626
- Rotormagnetrotor magnet
- 2828
- Befestigungsschraubemounting screw
- 3030
- Jochmanschetteyoke cuff
- 3232
- Dickethickness
- 3434
- Dickethickness
- 3636
- Innenradiusinner radius
- 3838
- Außenradiusouter radius
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Applications Claiming Priority (1)
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DE202021004166.4U DE202021004166U1 (en) | 2021-09-03 | 2021-09-03 | Electromotive feedback drive for a steering system |
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DE202021004166U1 true DE202021004166U1 (en) | 2022-12-15 |
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DE202021004166.4U Active DE202021004166U1 (en) | 2021-09-03 | 2021-09-03 | Electromotive feedback drive for a steering system |
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-
2021
- 2021-09-03 DE DE202021004166.4U patent/DE202021004166U1/en active Active
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R207 | Utility model specification | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: LOTUS TECH INNOVATION CENTRE GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: BROSE FAHRZEUGTEILE SE & CO. KOMMANDITGESELLSCHAFT, WUERZBURG, 97076 WUERZBURG, DE Owner name: BROSE FAHRZEUGTEILE SE & CO. KOMMANDITGESELLSC, DE Free format text: FORMER OWNER: BROSE FAHRZEUGTEILE SE & CO. KOMMANDITGESELLSCHAFT, WUERZBURG, 97076 WUERZBURG, DE |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |