EP4751370A1 - Steer-by-wire-lenkung sowie elektromotor - Google Patents

Steer-by-wire-lenkung sowie elektromotor

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EP4751370A1
EP4751370A1 EP24743317.0A EP24743317A EP4751370A1 EP 4751370 A1 EP4751370 A1 EP 4751370A1 EP 24743317 A EP24743317 A EP 24743317A EP 4751370 A1 EP4751370 A1 EP 4751370A1
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steering
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Abstract

Vorgeschlagen wird eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Elektromotor zur mittelbaren oder unmittelbaren Verlagerung einer Lenkstange, wobei der Elektromotor als High-Cogging-Torque Motor gebildet ist und eine elektrische Maschine mit einer vorgegebenen Anzahl an Phasen und einen damit in Wirkverbindung stehenden Inverter mit Zwischenkreiskondensator aufweist, wobei der Inverter als ein Inverter mit integriertem Hochsetzsteller gebildet ist. Ferner wird ein Elektromotor mit einem Inverter mit integriertem Hochsetzsteller bereitgestellt.

Description

Steer-by-Wire-Lenkunq sowie Elektromotor
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Ansteuerung von Elektromotoren für Lenksysteme von Fahrzeugen, insbesondere der Hinterachslenkungen mit Steer-by- Wire-Technologie.
Eine Möglichkeit, eine Steer-by-wire Lenkung zu betreiben, die z.B. als eine Hinterachslenkung mit hohem Wirkungsgrad ausgebildet ist, ist die Verwendung eines Aktuators mit einem Spindeltrieb mit geringer oder ohne Selbsthemmung. Um die Verlagerung einer als Spindel ausgebildeten Lenkstange aufgrund von im Fahrwerk wirkenden Kräften innerhalb des Aktuators im abgeschalteten oder stromlosen Zustand zu minimieren oder auszuschließen, kann als Antriebsmotor ein Elektromotor mit einem hohen Rastmoment verwendet werden. Dieser kann als High-Cogging-Torque Motor (HCTM) bezeichnet werden und ist beispielsweise in der DE 10 2019 204 913 A1 beschrieben.
Aus der DE 10 2012 106 455 A1 ist des Weiteren eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug bekannt, aufweisend einen Elektromotor zur mittelbaren oder unmittelbaren Verlagerung einer Lenkstange, wobei der Elektromotor eine elektrische Maschine mit einer vorgegebenen Anzahl an Phasen und einen damit in Wirkverbindung stehenden Inverter mit Zwischenkreiskondensator aufweist.
Selbst im Fehlerfall, bei deaktiviertem Steuergerät und stromlosen Motorphasen, bewirkt das hohe Rastmoment, dass die Räder in Position gehalten werden und sich der eingestellte Radlenkwinkel nicht oder lediglich in tolerierbarem Maße ändert. Von außen wirkende, dynamische Kräfte (Querkräfte, Längskräfte) auf die Lenkung werden durch das Rastmoment des Elektromotors kompensiert und führen nicht oder lediglich in geringem Maße zu einer Positionsänderung der Lenkstange bzw. Spindel.
Ein Problem beim Betrieb eines Elektromotors mit hohem Rastmoment besteht darin, dass die Schwankungen des abgegebenen Drehmoments zu unerwünschten Effekten in Hinblick auf Geräusche und Vibrationen (Noise Vibration Harshness- NVH) führen. Daher wird eine spezielle Regelung für den Elektromotor verwendet, die das Ziel hat, das schwankende Rastmoment des Motors zu kompensieren und ein konstantes Ausgangsdrehmoment zu erzeugen. Diese Regelung wird als Anti-Cogging- Control oder auch Anti-Cogging-Regelung (ACC) bezeichnet. Um ein konstantes Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine zu erzielen, werden den dreiphasigen Motorströmen hochfrequente Stromanteile überlagert. Die Erzeugung dieser Ströme erfordert eine zusätzliche Spannungskomponente, die das Steuergerät bereitstellen muss. Die Höhe dieser zusätzlichen Spannungskomponente ist proportional abhängig von der Motorinduktivität (L), der Höhe des einzuprägenden Stroms (i), und der Frequenz (f). Die Frequenz der Ströme ergibt sich dabei als proportionale Größe zur Motordrehzahl, wodurch bei hohen Drehzahlen der Spannungsbedarf des Motors stark erhöht ist. Da die maximal zur Verfügung stehende Spannung des Steuergerätes durch das Bordnetz limitiert ist (e.g. 12V), sinkt die nutzbare Drehzahl des Motors, und der Betriebsbereich der elektrischen Maschine ist eingeschränkt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei geforderter axialer Verstellkraft des Aktuators bei einer Spindel mit hoher Gewindesteigung ein hohes Antriebsmoment an der Spindelmutter benötigt wird. Dies führt dazu, dass bei gleicher mechanischer Getriebeübersetzung auch der Antriebsmotor ein tendenziell höheres Antriebsmoment aufweisen muss als bei bestehenden Systemen. Solche Motoren werden auch als High-Torque Motoren bezeichnet. Ein Nachteil von High-Torque Motoren ist, dass diese designtechnisch oftmals eine schlechte Feldschwächbarkeit aufweisen. Das heißt, dass die Drehzahl-ZDrehmomentkennlinie des Motors bei zunehmenden Drehzahlen im Feldschwächebereich stark zurückgeht. Ein weiterer Drehzahlbereich bei konstanter Leistungsabgabe ist daher nicht gegeben. Die Ausgangsleistung des Motors sinkt bei hohen Drehzahlen stark ab.
Wird für eine Steer-by-wire Lenkung ein High-Torque-Motor mit hohem Rastmoment und Anti-Cogging-Regelung (ACC) verwendet, summieren sich beide Nachteile und der Betriebsbereich der Maschine ist stark eingeschränkt. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, diesen Nachteilen entgegenzuwirken.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Vorgeschlagen wird eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Elektromotor zur mittelbaren oder unmittelbaren Verlagerung einer Lenkstange, wobei der Elektromotor als High-Cogging-Torque Motor gebildet ist und eine elektrische Maschine mit einer vorgegebenen Anzahl an Phasen und einen damit in Wirkverbindung stehenden Inverter mit Zwischenkreiskondensator aufweist, wobei der Inverter als ein Inverter mit integriertem Hochsetzsteller gebildet ist.
Durch die vorgeschlagene Ausführung der Steer-by-wire-Lenkung mit einem HCT- Motor kann durch das Rastmoment eine Bewegung der Lenkstange bei deaktiviertem Steuergerät verhindert werden. Durch die Kombination mit einem Inverter mit integriertem Hochsetzsteller kann die Systemspannung an der elektrischen Maschine ohne zusätzliche Bauteile (DC/DC-Wandler) erhöht und dem ansonsten entstehenden Nachteil einer stark abfallenden Ausgangsleistung bei hohen Drehzahlen des HCT-Motors mit ACC-Funktion entgegengewirkt werden.
In einer Ausführung ist der Inverter mit integriertem Hochsetzsteller derart gebildet, dass ein Abgriff einer Batteriespannung zwischen einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators des Inverters und einem gemeinsamen Spannungsabgriff der Phasen der elektrischen Maschine des Elektromotors erfolgt.
In einer Ausführung ist die elektrische Maschine eine dreiphasige elektrische Maschine, und die drei Phasen sind als Stern-Topologie verschaltet.
In einer Ausführung ist die Steer-by-wire Lenkung als eine Hinterachslenkung gebildet, welche zusätzlich zur Vorderachslenkung in einem Kraftfahrzeug vorhanden ist.
Ferner ist ein Elektromotor zur Anwendung in einer Steer-by-wire Lenkung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei der Elektromotor als High-Cogging-Torque Motor gebildet ist und eine elektrische Maschine und einen damit in Wirkverbindung stehenden Inverter mit Zwischenkreiskondensator aufweist, wobei der Inverter als ein Inverter mit integriertem Hochsetzsteller gebildet ist. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Hinterachse mit Steer-by- wire-Lenkung eines Kraftfahrzeugs.
Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung im Elektromotor gemäß dem Stand der Technik.
Figur 3 zeigt eine Schaltungsanordnung im Elektromotor mit einem Inverter mit integriertem Hochsetzsteller zur Anwendung bei einem HCT-Motor einer Steer-by-Wire-Lenkung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt Diagramme von Motorarbeitsbereichen bei Verwendung unterschiedlicher Elektromotoren und Inverter.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine Fahrzeugachse in Draufsicht gezeigt, hier dargestellt als eine Hinterachse mit einem Hilfsrahmen 2, der an einem Fahrzeugaufbau befestigt ist bzw. diesen bildet und mit der Karosserie eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Hinterachse beschränkt. Die Räder 5 und 6 sind mittels Lenkern 3, 4 als Teil einer Radaufhängung an dem Hilfsrahmen 2 angelenkt. An dem Hilfsrahmen 2 ist ein Aktuator 10 einer Steer-by-Wire-Lenkung 12 angeordnet. Der Aktuator 10 ist mit seinem Gehäuse 22 an dem Hilfsrahmen 2 befestigt. Der Aktuator 10 weist in der vorliegenden Ausführung eine als Spindel ausgebildete durchgehende Lenkstange 24 auf, welche durch das Gehäuse 22 des Aktuators 10 hindurchgeführt ist. Der Antriebsmotor in Form eines Elektromotors 29 ist achsparallel zur Lenkstange 24 angeordnet, kann aber auch in anderer Art und Weise, z.B. als Hohlwellenmotor, ausgeführt sein. An den Enden der Lenkstange 24 sind Spurstangen 23, 25 über Gelenkverbindungen 27, 28 angelenkt, welche mit dem von dem Aktuator 10 abgewandten Ende jeweils mit einem Radträger 7 der Räder 5 und 6 gelenkig verbunden sind. Die axiale Verlagerung der Lenkstange 24 erfolgt aufgrund eines Rotations- / Translationswandlers, welcher z.B. als ein Bewegungsgewinde eines Spindeltriebs ausgeführt sein kann. Bei Drehbewegung des Elektromotors 29 wird eine ortsfest im Gehäuse 22 drehbar gelagerte Spindelmutter mittels eines Antriebsriemens schlupffrei in Drehbewegung um ihre Längsachse versetzt. Die Spindelmutter weist ein Innengewinde auf, welches mit dem Außengewinde einer Spindel (= Lenkstange 24) in Eingriff ist und bildet ein Bewegungsgewinde aus. Je nach Drehrichtung der Spindelmutter erfolgt eine lineare Verlagerung der gegen Verdrehung um ihre Längsachse gesicherten Lenkstange 24 in die eine oder andere Richtung entlang ihrer Längsachse in Abhängigkeit der Drehrichtung des Elektromotors 29. Die Längsachsen von Spindelmutter und Spindel verlaufen zumindest parallel und fallen idealerweise zusammen. Es ist offensichtlich, dass bei einer axialen Verlagerung, also einer Verlagerung der Lenkstange 24 entlang der Längsachse in die eine oder andere Richtung, eine Veränderung des Radlenkwinkels 8, 9 erfolgt, weil die Spurstangen 23, 25 eine Zwangsverbindung zwischen Rad 5, 6 bzw. Radträger 7 und dem Aktuator 10 darstellen. Zur Lenkung der Räder 5, 6 sind diese um deren Hochachse drehbar über den Radträger 7 an der Radaufhängung 3, 4 angelenkt. Der Aktuator 10 ist mit anderen Worten eine Vorrichtung, welche ein Betreiben der Lenkung 12 ermöglicht.
Für das vorgeschlagene Lenksystem, welches als eine Steer-by-Wire-Lenkung 12 gebildet ist, wird ein Elektromotor 29 mit einem hohen Rastmoment verwendet, auch kurz als HCT-Motor bezeichnet, welcher zusätzlich mit einer Anti-Cogging-Regelung (ACC) versehen ist. Das Rastmoment wird dazu verwendet, um im Stillstand der Lenkung und auch im Fehlerfall (z.B. bei einer Unterbrechung der Energiezufuhr) den Elektromotor 29 auch bei externen Kräften auf die Lenkstange 24 im Stillstand zu halten, so dass sich der eingestellte Radlenkwinkel möglichst nicht ändert. Dabei wird die Höhe des Rastmoments des Elektromotors 29 abhängig vom Gesamtsystem, also Kraftfahrzeug, Getriebe, Elektromotor 29 und den zugehörigen Komponenten, so ausgelegt, dass im Stillstand des Elektromotors 29 eine Bewegung des Systems (Verlagerung der Lenkstange 24) durch externe Kräfte möglichst unterdrückt werden kann, d.h. möglichst keine Rotorbewegung auftritt. Eine Änderung des eingestellten Radlenkwinkels wird somit minimiert bzw. im Rahmen zulässiger Toleranzen verhindert.
Das Rastmoment eines Elektromotors 29 ist das Moment, das benötigt wird, um die Wechselwirkung bzw. Anziehungskräfte zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den Statornuten (Eisenkern der Motorwicklung) zu überwinden. Das Rastmoment wird im Englischen als cogging torque bezeichnet.
Im Automobilbereich verwendete Elektromotoren 29 sind mit einer Energiequelle (in den Figuren nicht gezeigt) elektrisch verbunden, um die elektrische Maschine des Elektromotors 29 anzutreiben. Dies gilt auch für Steer-by-Wire-Lenkungen 12. Teil eines jeden Elektromotors 29 ist ferner ein Inverter, also ein DC/AC-Wechselrichter, der dazu dient, den von der Energiequelle (z.B. einem Akkumulator) an den Elektromotor 29 ausgegebenen Gleichstrom (DC) in einen von der elektrischen Maschine verwendbaren Wechselstrom (AC) zu wandeln. Die elektrische Maschine ist als eine PMSM (permanenterregte Synchronmaschine) mit hohem Rastmoment gebildet, kurz als HCT-Motor (HCTM = high cogging torque motor) bezeichnet. Üblicherweise ist außerdem ein Zwischenkreiskondensator ZK, auch als DC-Link bezeichnet, zwischen Energiequelle und Leistungselektronik, also dem Inverter, vorgesehen und mit dem Inverter elektrisch in Wirkverbindung.
In Figur 2 ist ein dreiphasiger Inverter 30 dargestellt, wie er gemäß dem Stand der Technik in Elektromotoren 29 im Fahrzeugbereich verwendet wird. Zusätzlich können noch weitere Wechselrichter oder Schaltungen vorgesehen und mit dem Inverter 30 verschaltet sein, um diverse Anforderungen zu erfüllen. Es können beispielsweise Hochsetzsteller oder DC/DC-Wandler vorgesehen sein und mit dem Inverter 30 in Wirkverbindung stehen. Erfindungsgemäß wird in einer Steer-by-Wire-Lenkung 12 der klassische Inverter 30 durch einen Inverter 31 mit integriertem Hochsetzsteller ersetzt, wie z.B. in der DE 10 2011 079 904 A1 offenbart. Die Schaltungstopologie des Antriebs aus Elektromotor 29, Inverter 31 mit integriertem Hochsetzsteller und Zwischenkreis (-kondensator) ZK für eine erfindungsgemäße Steer-by-Wire-Lenkung ist in Figur 3 dargestellt. Vorteilhaft sind die drei Phasen des Elektromotors 29 als Stern-Topologie verschaltet, also mit einem Mitte labgriff, der für alle Phasen als gemeinsamer Spannungsabgriff UM dient. Die Besonderheit eines Inverters 31 mit integriertem Hochsetzsteller ist, dass der Spannungsabgriff der Batteriespannung Ubat (der DC-Energiequelle) nicht an den beiden Anschlüssen des Kondensators (Zwischenkreiskondensators ZK) erfolgt, wie bei einem bisher verwendeten Inverter 30, siehe Figur 2. Vielmehr erfolgt der Abgriff von Ubat zwischen einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators ZK und der elektrischen Maschine, genauer einem gemeinsamen Spannungsabgriff UM der Phasen der elektrischen Maschine, wie in Figur 3 dargestellt. Durch diese Schaltungsanordnung wird ein klassischer Inverter 30 (Motorumrichter) mit einem elektronischen Hochsetzsteller (Boost-Converter) in einer einzigen Schaltungsanordnung kombiniert. Somit erfolgt das Aufladen des Zwischenkreiskondensators ZK über die Spulen der elektrischen Maschine, die dann als Hochsetzsteller dienen. Durch diese Antriebstopologie kann die nutzbare Motorspannung ohne zusätzliche Komponenten wie zwischengeschaltete, separate Hochsetzsteller erhöht werden.
Diese Schaltungstopologie wird erfindungsgemäß in einem HCT-Motor einer Steer- by-Wire-Lenkung verwendet. Durch die Möglichkeit, die Systemspannung an der elektrischen Maschine zu erhöhen, können der Drehzahlbereich des Elektromotors 29 stark erweitert und die sonst auftretenden Nachteile beim Betrieb des HCT-Motors kompensiert werden. Dabei kann die Erhöhung der zur Verfügung stehenden Systemspannung dazu genutzt werden, auch im hohen Drehzahlbereich eine optimale Anti-Cogging-Regelung mit konstantem Ausgangsdrehmoment bereitzustellen und die elektrische Maschine im Feldschwächebereich über einen weiten Drehzahlbereich an der zulässigen Leistungsgrenze zu betreiben. In Figur 4 sind drei Diagramme gezeigt, welche exemplarisch die Motorarbeitsbereiche zeigen, wenn eine PMSM (Kurve K1 ) oder ein HCTM (Kurve K2), mit einem Inverter 30 gemäß dem Stand der Technik, wie in Figur 2 gezeigt, und eine HCTM mit einem Inverter 31 mit integriertem Hochsetzsteller (Kurve K3), wie in Figur 3 gezeigt, verwendet wird. Dabei ist über die X-Achse die Drehzahl n der elektrischen Maschine dargestellt. Das oberste Diagramm zeigt auf der Y-Achse das Drehmoment T, das mittlere Diagramm die Spannung U, und das unterste Diagramm die Leistung P der elektrischen Maschine.
Es ist zu sehen, dass bei einer Verwendung von Standard-Invertern 30 mit klassischer PMSM (Kurve K1 ), bei der keine Anti-Cogging-Regelung (ACC) notwendig ist, die Maschine im Feldschwächebereich (ab Drehzahl n2) eine konstante Leistung abgibt und die Maschine somit bis zu hohen Drehzahlen betrieben werden kann.
Ein HCTM als High-Torque Motor mit aktiver ACC erzeugt im Grundstellbereich (bis Drehzahl n1 ) ein höheres Drehmoment (Kurve K2 und K3). Im Feldschwächebereich (ab Drehzahl n1 ) mit Betrieb an einem Standard-Inverter 30 (Kurve K2) sinkt das erzeugbare Drehmoment durch den erhöhten Spannungsbedarf der ACC und der limitierten Feldschwächbarkeit von High-Torque-Motoren stark ab, wodurch auch die abgegebene Leistung bis zur Drehzahl n3 bis auf Null absinkt. Der Drehzahlbetriebsbereich der Maschine ist stark eingeschränkt.
Verwendet man einen HCTM mit einem Inverter 31 mit integriertem Hochsetzsteller (Kurve K3) kann durch die erhöhte bereitgestellte Systemspannung die elektrische Maschine über einen weiteren Drehzahlbereich (bis Drehzahl n4 gegenüber HCTM mit Standard-Inverter n3) betrieben werden. Dabei kann der HCTM im mittleren Drehzahlbereich (ab Drehzahl n1 ), wie bei der PMSM, mit konstanter maximaler Leistung betrieben werden.
Anwendung findet ein beschriebener Elektromotor 29, der als HCTM mit Inverter 31 mit integriertem Hochsetzsteller gebildet ist, in einer Steer-by-Wire-Lenkung 12, welche z.B. in einem Aktuator mit elektrischem Antrieb, vorteilhaft in einer elektrischen Hinterachslenkung, vorgesehen ist, welche zusätzlich zu einer Vorderachslenkung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines PKW, vorgesehen ist. Vorgeschlagen wird also eine Steer-by-Wire-Lenkung 12 mit einem HCTM als Antriebsmotor, wie eingangs beschrieben, bei welcher der HCTM mit einem Elektromotor, bei dem der Inverter als ein Inverter 31 mit integriertem Hochsetzsteller gebildet ist, betrieben wird.
Bezuqszeichenliste
Hilfsrahmen, Fahrzeugaufbau , 4 Lenker , 6 Rad
Radträger , 9 Radlenkwinkel
10 Aktuator
12 Lenkung, Steer-by-wire-Lenkung 2 Gehäuse 3, 25 Spurstange 4 Lenkstange
27, 28 Gelenkverbindungen
29 Elektromotor
30 Inverter
31 Inverter mit integriertem Hochsetzsteller
UM gemeinsamer Spannungsabgriff
Ubat Batteriespannung

Claims

Patentansprüche
1. Steer-by-wire-Lenkung (12) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Elektromotor (29) zur mittelbaren oder unmittelbaren Verlagerung einer Lenkstange (24), wobei der Elektromotor (29) als High-Cogging-Torque Motor gebildet ist und eine elektrische Maschine mit einer vorgegebenen Anzahl an Phasen und einen damit in Wirkverbindung stehenden Inverter mit Zwischenkreiskondensator (ZK) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter als ein Inverter (31 ) mit integriertem Hochsetzsteller gebildet ist.
2. Steer-by-wire-Lenkung (12) nach Anspruch 1 , wobei der Inverter (31) mit integriertem Hochsetzsteller derart gebildet ist, dass ein Abgriff einer Batteriespannung (Ubat) zwischen einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators (ZK) des Inverters und einem gemeinsamen Spannungsabgriff (UM) der Phasen der elektrischen Maschine des Elektromotors (29) erfolgt.
3. Steer-by-wire-Lenkung (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Maschine eine dreiphasige elektrische Maschine ist, und die drei Phasen als Stern-Topologie verschaltet sind.
4. Steer-by-wire-Lenkung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als eine Hinterachslenkung gebildet ist, welche zusätzlich zur Vorderachslenkung in einem Kraftfahrzeug vorhanden ist.
5. Elektromotor (29) zur Anwendung in einer Steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeugs, wobei der Elektromotor (29) als High-Cogging-Torque Motor gebildet ist und eine elektrische Maschine und einen damit in Wirkverbindung stehenden Inverter (31 ) mit Zwischenkreiskondensator (ZK) aufweist, wobei der Inverter (31 ) als ein Inverter (31 ) mit integriertem Hochsetzsteller gebildet ist.
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