WO2004071793A1 - Aktive fahrzeug-radaufhängung mit einem linearmotor - Google Patents

Aktive fahrzeug-radaufhängung mit einem linearmotor Download PDF

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WO2004071793A1
WO2004071793A1 PCT/EP2004/000792 EP2004000792W WO2004071793A1 WO 2004071793 A1 WO2004071793 A1 WO 2004071793A1 EP 2004000792 W EP2004000792 W EP 2004000792W WO 2004071793 A1 WO2004071793 A1 WO 2004071793A1
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WO
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coils
linear motor
phase
coil
permanent magnets
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PCT/EP2004/000792
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Inventor
Klaus Zindler
Hans Kocherscheidt
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke
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Publication date
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    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
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    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G17/00—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load
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    • B60G17/0157—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements characterised by the action on a particular type of suspension unit non-fluid unit, e.g. electric motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F6/00—Magnetic springs; Fluid magnetic springs, i.e. magnetic spring combined with a fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60G2202/00—Indexing codes relating to the type of spring, damper or actuator
    • B60G2202/40—Type of actuator
    • B60G2202/43—Mechanical actuator

Definitions

  • the invention relates to a particularly active wheel suspension of a vehicle with an electric linear motor supported between the vehicle body and ultimately a wheel.
  • an electric linear motor supported between the vehicle body and ultimately a wheel.
  • a so-called active vehicle wheel suspension offers a variety of freedom with regard to the design and control of a vehicle chassis.
  • the hydraulic shock absorber provided on each vehicle wheel in conventional vehicle wheel suspensions is replaced by an active actuator; however, the actuators used must be able to exert high peak forces, which are the case with passenger cars are in the range of a few kilo Newtons.
  • the actuators used must be able to exert high peak forces, which are the case with passenger cars are in the range of a few kilo Newtons.
  • the object of the present invention is to show an improved active wheel suspension or an improved electric linear motor for an active wheel suspension of a vehicle, in particular a passenger car, with regard to its performance data and its energy requirement.
  • the solution to this problem is characterized in that the electric linear motor works as a permanently excited synchronous motor, the centrally arranged rotor of which is constructed from disc-shaped permanent magnets which are arranged one above the other in the direction of the longitudinal axis of the linear motor, and spacer disks located in between, while the opposite Rotor shorter stator has stacked electrical coils arranged in the direction of the longitudinal axis, which are controlled in the form of a three-phase operation, a second set of three successive coils being connected to a first set of three successive coils each associated with an electrical phase connects each to a phase associated coils, the winding direction of rotation of each coil of an electrical phase associated with the second set is opposite to that of the coil associated with the same electrical phase of the first set, u nd wherein the axial length of the individual coils is
  • the proposed linear motor consists essentially of a hollow cylindrical stator 1 and a rod-shaped rotor 2, which is arranged in the interior of the stator 1 and by applying electromagnetic forces in the direction of the longitudinal axis 9 of the linear motor or rotor 2, which is the same as the cylinder axis of the supporting structure for the stator 1 forming hollow cylindrical stator tube 1a is displaceable.
  • the linear motor proposed here thus works according to the principle of action of a permanently excited synchronous motor.
  • the rod-shaped rotor 2 is constructed from disc-shaped elements 3 and 4 which are stacked alternately on one another in the direction of the longitudinal axis 9.
  • the elements identified by reference number 3 are permanent magnets, for which reference number 3 is also used below, and which are each axially magnetized. This means that one end face of the permanent each represents a magnetic north pole N and the other end face corresponds to a magnetic south pole S.
  • the disk-shaped elements 4 are spacer disks (likewise reference number 4), in which the magnetic flux from the permanent magnets 3 is guided.
  • the spacers 4 are preferably made of iron.
  • the arrangement of the permanent magnets 3 is such that two magnetic poles of the same name (north pole N and south pole S) lie opposite each other on both sides of a spacer 4.
  • the stator tube 1a which is preferably made of iron, takes on the task of guiding the magnetic flux from the exit points mentioned to the entry points mentioned.
  • a plurality of electrical coils U, -, V, -, W, - are arranged in succession on the inner wall of the stator tube 1 a, with three successive coils each being a so-called coils -Build a sentence.
  • Three successive coils Wi, U 2 and Vi are combined to form a first coil set 6, while three successive coils W ⁇ , Ui and V 2 form a second coil set 6 'adjacent to the first coil set 6.
  • a three-phase operation can be achieved with regard to the highest possible power density of the linear motor and to achieve a homogeneous course of the motor force, regardless of the position of the rotor 2 (in electrical engineering usually denoted by u, v, w) realize, the assignment of the individual coils to the three current phases (u, v, w) is already implicitly identified by the letters U, V and W.
  • the coils identified by the index “7” and the coils identified by the index “2” are to be distinguished from one another, specifically with regard to their winding sense. For example, let the electrical windings with the index "1" be wound clockwise and those with the index "2" counterclockwise.
  • the windings of the coils Wi, U 2 , and Vi of the first coil set 6 have a sense of rotation that corresponds to the sense of rotation of the windings of the coils W assigned to the same phase 2 U ⁇ , and V 2 of the second coil set 6 'is opposite or opposite.
  • the axial length of the individual coils should be substantially equal to the axial length of the spacers 4 and be substantially equal to half the axial length of the permanent magnets having a north pole and a south pole.
  • a vehicle wheel is preferably articulated at the free end of the rotor 2 (for example also with the interposition of a suitable wheel guide member).
  • corresponding forces or movements is an active influencing at least possible a relative movement between the wheel and the veh-veh. -Avembau in the linear motor by generating, if necessary, can also be on the 'relative Pos.tion directly be influenced.
  • the corresponding supply of the individual coils of a phase u or v or w can be realized in that for each phase u or v or w individually all coils marked with the index 1 are connected in series to form a separate wiring harness, which is figurative for the phase w is shown in the form of the wiring harness 7, and that all coils W marked with the index 2 are connected in series, which is shown here by the wiring harness 8.
  • the arrangement and power supply of the coils can thus be described again as follows:
  • the current flowing in the coil Ui has a phase delay of 120 ° with respect to the current flowing in the coil Wi.
  • the opposite direction of winding of the coils marked with the index "2" compared to that of the coils marked with the index "1” means that the direction of the current in the associated Reverses winding wires with respect to the orientation of the field of the permanent magnets.
  • stator 1 viewed in the longitudinal direction 9 be shorter than the rotor 2 and thus build the linear motor in a so-called short stator version, since this is the part of the linear motor in which electrical losses occur, namely the stator 1, essentially completely is being used.
  • this proposed design is therefore more economical due to a reduced power requirement in comparison to a long stator variant (cf. for example the DE 42 04 302 C2 mentioned at the beginning).
  • the amount of the maximum force that can be generated on the linear motor depends to a large extent on the magnetic material used for the permanent magnets 3.
  • rotor 2 of the proposed linear motor i.e. used for the permanent magnets 3, preferably a rare earth magnetic material (NdFeB). This is characterized by a high energy density.
  • the maximum forces that can be achieved with this magnetic material are approx. 10 times higher than those when using a conventional ferromagnetic material.
  • the nominal force of the linear motor ie the force that the linear motor can apply in continuous operation, is also determined by thermal limits.
  • the temperature of the electrical coil windings in continuous operation must not exceed a certain limit. It is therefore advisable to use a winding wire with the highest possible temperature resistance.
  • the casting resin used to fix the windings in the stator tube 1 a should be as high as possible Have thermal conductivity. This requirement is met, for example, by a casting resin with integrated metal particles as an added, good heat-conducting material.
  • a linear motor described so far is characterized in addition to the already mentioned advantage of a sufficiently high power density by a large number of other properties which predestine it for use in the context of active vehicle suspension.
  • the operating principle of a synchronous motor offers the important advantage that the motor force currently acting can be influenced in a simple manner by varying the current strength in the coils.
  • the force control of the linear motor is thus significantly simpler than in the functional principle of an induction motor proposed in EP 0 363 158 B1 mentioned at the beginning.
  • the fact that it is a permanently excited motor has the further advantage that electrical losses occur only in part of the linear motor, namely here in the stator.
  • electrical losses occur both in the stator and in the rotor, which results in a higher power loss of the corresponding actuator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine insbesondere aktive Fzg.-Radaufhängung mit einem zwischen dem Fahrzeug-Aufbau und einem Rad abgestützten elektrischen Linearmotor, der als permanenterregter Synchronmotor arbeitet und dessen zentral angeordneter Läufer (2) aus in Richtung der Linearmotor­Längsachse (9) übereinander angeordneten scheibenförmigen, in axialer Richtung magnetisierten Permanentmagneten (3) sowie dazwischen liegenden Distanzscheiben (4) aufgebaut ist, während der gegenüber dem Läufer (2) kürzere Stator (1) stapelförmig in Richtung der Längsachse (9) angeordnete elektrische Spulen (Ui, Vi, Wi) aufweist, die in Form eines Drei-Phasen-Betriebs angesteuert werden, wobei sich an einen ersten Satz (6) von drei aufeinander folgenden jeweils einer Phase zugeordneten Spulen (W1, U2, V1) ein zweiter Satz (6´)von drei aufein­ander folgenden jeweils einer Phase zugeordneten Spulen (W2, U1, V2) anschliesst, wobei der Wicklungs-Umlaufsinn jeder einer Phase zugeordneten Spule (W1, U2, V1) des zweiten Satzes (6´) demjenigen der der gleichen Phase zugeordneten Spule (W2, U1, V2) des ersten Satzes (6) entgegengerichtet ist, und wobei die axiale Länge der einzelnen Spulen (Ui, Vi, Wi) im wesentlichen gleich der axialen Länge der Distanz­scheiben (4) und im wesentlichen gleich der halben axialen Länge der Permanentmagneten (3) ist.

Description

Aktive Fahrzeug-Radaufhängung mit einem Linearmotor
Die Erfindung betrifft eine insbesondere aktive Radaufhängung eines Fahrzeugs mit einem zwischen dem Fahrzeug-Aufbau und letztlich einem Rad abgestützten elektrischen Linearmotor. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 42 04 302 C2 und der US 5,301 ,111 insbesondere auf die EP 0 363 158 B1 sowie auf die EP 0 875 982 A1 verwiesen.
Eine sog. aktive Fahrzeug-Radaufhängung bietet eine Vielzahl von Freiheiten hinsichtlich der Auslegung und Regelung eines Fahrzeug-Fahrwerks . in seiner Gesamtheit. Für die Realisierung einer auch sog. aktiven Fahrzeugfederung wird der bei üblichen Fzg. -Radaufhängungen an jedem Fzg.-Rad vorgesehene hydraulische Stoßdämpfer durch ein aktives Stellglied ersetzt, jedoch müssen dabei die eingesetzten Stellglieder in der Lage sein, hohe Spitzenkräfte aufzubringen, die bei Personenkraftwagen im Bereich einiger Kilo-Newton liegen. Ungünstigerweise steht zumeist nur ein begrenzter Bauraum zur Unterbringung der Stellglieder im Fahrzeug zur Verfügung. Hieraus resultiert die Forderung einer ausreichend hohen Leistungsdichte der eingesetzten Stellglieder oder Aktuatoren.
In den eingangs drei erstgenannten Schriften sind aktive Fzg.- Radaufhängungen beschrieben, bei denen ein sog. Linearmotor die Funktion des genannten aktiven Stellglieds übernimmt. Es handelt sich hierbei um einen elektromagnetischen Direktantrieb, bei dem im Gegensatz zu einem herkömmlichen elektrischen Rotationsmotpr die elektromagnetische Kraft nicht in eine Rotationsbewegung, sondern ohne ein zwischengeschaltetes Übersetzungsgetriebe unmittelbar in eine transiatorische, d.h. lineare Bewegung umgesetzt wird. Die häufig mit dem Einsatz eines Getriebes verbundenen Probleme eines hohen Getriebeverschleißes und des Auftretens einer Getriebelose sind mit dieser Technologie daher von vornherein auszuschließen. Vorteilhafterweise zeichnen sich Linearmotoren durch eine sehr schnelle Dynamik aus. In der Praxis werden jedoch noch keine Fahrzeuge mit einer derartigen aktiven Federung angeboten. Eine Ursache hierfür mag in der zu geringen Leistungsdichte der vorgeschlage- nen Funktionsprinzipien der Linearmotoren liegen. Ein weiterer wichtiger Grund mag in dem zu hohen Leistungsbedarf der vorgeschlagenen Linearmotor-Bauformen liegen.
Eine demgegenüber verbesserte aktive Radaufhängung bzw. einen für eine aktive Radaufhängung eines Fahrzeugs, insbesondere Personenkraftwagens im Hinblick auf seine Leistungsdaten und seinen Energiebedarf verbesserten elektrischen Linearmotor aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Linearmotor als permanenterregter Synchronmotor arbeitet, dessen zentral angeordneter Läufer aus in Richtung der Längsachse des Linearmotors übereinander angeordneten scheibenförmigen, in axialer Richtung magneti- sierten Permanentmagneten sowie dazwischen liegenden Distanzscheiben aufgebaut ist, während der gegenüber dem Läufer kürzere Stator stapelför- mig in Richtung der Längsachse angeordnete elektrische Spulen aufweist, die in Form eines Drei-Phasen-Betriebs angesteuert werden, wobei sich an einen ersten Satz von drei aufeinander folgenden jeweils einer elektrischen Phase zugeordneten Spulen ein zweiter Satz von drei aufeinander folgenden jeweils einer Phase zugeordneten Spulen anschließt, wobei der Wicklungs- Umlaufsinn jeder einer elektrischen Phase zugeordneten Spule des zweiten Satzes demjenigen der der gleichen elektrischen Phase zugeordneten Spule des ersten Satzes entgegengerichtet ist, und wobei die axiale Länge der einzelnen Spulen im wesentlichen gleich der axialen Länge der Distanzscheiben und im wesentlichen gleich der halben axialen Länge der einen Nordpol und einen Südpol aufweisenden Permanentmagneten ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. Am besten erläutern lässt sich die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Linearmotors, der als sog. aktives Stellglied ein wesentlicher Bestandteil einer aktiven Fahrzeug- Radaufhängung sein kann. Ein solches bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit im wesentlichen zylindrischem Aufbau, das sich durch eine möglichst hohe Leistungsdichte auszeichnet und somit für eine insbesondere aktive Fzg.- Radaufhängung besonders geeignet ist, ist stark abstrahiert in der beigefügten Prinzipskizze in einem Längsschnitt dargestellt.
Der vorgeschlagene Linearmotor besteht im wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Stator 1 und einen stabförmigen Läufer 2, der im Inneren des Stators 1 angeordnet ist und durch Aufbringen elektromagnetischer Kräfte in Richtung der Längsachse 9 des Linearmotors bzw. des Läufers 2, die gleich der Zylinderachse eines die Tragstruktur für den Stator 1 bildenden hohlzylindrischen Statorrohres 1a ist, verschiebbar ist. An der Innenwand des Statorrohes 1a sind eine Vielzahl von ebenfalls hohlzylindrischen elektrischen Spulen U,-, V,-, W,- (mit /=1 ,2) aufeinanderfolgend angeordnet, innerhalb derer der Läufer 2 geführt ist und die bei entsprechender elektri- scher Bestromung in Zusammenwirken mit den Magnetfeldern des Läufers 2 die besagten elektromagnetischen Kräfte, aufgrund derer der Läufer 2 wie gewünscht in Richtung der Längsachse 9 verschoben wird, hervorrufen. Der hier vorgeschlagene Linearmotor arbeitet somit nach dem Wirkprinzip eines permanenterregten Synchronmotors.
Hierfür ist - wie figürlich dargestellt - der stabförmige Läufer 2 aus in Richtung der Längsachse 9 abwechselnd aufeinander gestapelten scheibenförmigen Elementen 3 und 4 aufgebaut. Bei den mit der Bezugsziffer 3 gekennzeichneten Elementen handelt es sich um Permanentmagnete, für die im weiteren ebenfalls die Bezugsziffer 3 verwendet wird, und die jeweils axial magnetisiert sind. Das heißt, dass die eine Stirnfläche der Permanent- magnete jeweils einen magnetischen Nordpol N darstellt und die andere Stirnfläche einem magnetischen Südpol S entspricht. Bei den scheibenförmigen Elementen 4 handelt es sich um Distanzscheiben (ebenfalls Bezugsziffer 4), in denen der magnetische Fluss aus den Permanentmagneten 3 geführt wird. Die Distanzscheiben 4 bestehen vorzugsweise aus Eisen.
Wie ersichtlich ist die Anordnung der Permanentmagnete 3 so getroffen, dass jeweils zu beiden Seiten einer Distanzscheibe 4 zwei gleichnamige magnetische Pole (Nordpol N bzw. Südpol S) einander gegenüber liegen. Hierdurch wird erreicht, dass die magnetischen Feldlinien, von denen exemplarisch zwei dargestellt und mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet sind, aus denjenigen Distanzscheiben 4, an denen beiderseits magnetische Nordpole N angrenzen, in radialer Richtung (senkrecht zur Längsachse 9) austreten und in diejenigen Distanzscheiben 4, an denen beiderseits magnetische Südpole S angrenzen, in radialer Richtung wieder eintreten. Das Statorrohr 1a, welches vorzugsweise aus Eisen gefertigt ist, übernimmt hierbei die Aufgabe, den magnetischen Fluss von den genannten Austrittsstellen zu den genannten Eintrittsstellen zu führen.
Bereits kurz erwähnt wurde, dass an der Innenwand des Statorrohes 1 a eine Vielzahl von elektrischen Spulen U,-, V,-, W,- (mit /-1 ,2) aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei jeweils drei aufeinanderfolgende Spulen einen sog. Spulen-Satz bilden. Dabei sind drei aufeinanderfolgende Spulen Wi, U2 und V-i zu einem ersten Spulen-Satz 6 zusammengefasst, während drei aufeinanderfolgende Spulen W∑, Ui und V2 einen dem ersten Spulen-Satz 6 benachbarten zweiten Spulen-Satz 6' bilden.
Mit einer derartigen Gestaltung lässt sich im Hinblick auf eine möglichst hohe Leistungsdichte des Linearmotors und zur Erlangung eines homogenen Verlaufs der Motorkraft unabhängig von der Position des Läufers 2 ein Drei- Phasen-Betrieb (in der Elektrottechnik üblicherweise mit u, v, w bezeichnet) realisieren, wobei die Zuordnung der einzelnen Spulen zu den drei Strom- Phasen (u, v, w) implizit bereits durch die Buchstaben U, V und W gekennzeichnet ist. Weiterhin sind beim vorgeschlagenen Linearmotor die durch den Index „7" gekennzeichneten Spulen und die und durch den Index „2" gekennzeichneten Spulen voneinander zu unterscheiden, und zwar hinsichtlich ihres Wicklungssinnes. Beispielsweise seien die elektrischen Wicklungen mit dem Index „1" im Uhrzeigersinn gewickelt und diejenigen mit dem Index „2" gegen den Uhrzeigersinn. Damit sich also die durch die elektrischen Spulen hervorgerufenen elektromagnetischen Kräfte nicht gegenseitig aufheben, weisen die Wicklungen der Spulen Wi, U2, und V-i des ersten Spulen-Satzes 6 einen Umlaufsinn auf, der dem Umlaufsinn der Wicklungen der der jeweils gleichen Phase zugeordneten Spulen W2 Uη, und V2 des zweiten Spulen-Satzes 6' entgegengesetzt oder entgegengerichtet ist.
Damit ferner eine passende axiale Zuordnung zwischen den einzelnen Spulen Uh- V,, W, und den Permanentmagneten 3 sowie den Distanzscheiben 4 vorliegt und der Linearmotor hierdurch bestmöglich arbeiten kann, soll die axiale Länge der einzelnen Spulen im wesentlichen gleich der axialen Länge der Distanzscheiben 4 sein und diese im wesentlichen gleich der halben axialen Länge der einen Nordpol und einen Südpol aufweisenden Permanentmagneten sein.
Die Erzeugung einer Längskraft im Linearmotor lässt sich nach dem Prinzip von Lorenz erläutern. Dieses besagt, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter, welcher sich in einem Magnetfeld befindet, eine senkrecht gerichtete Kraft ausgeübt wird. Übertragen auf die in der beigefügten Figur dargestellten elektrischen Spulen bedeutet dies, dass auf die einzelnen stromdurchflossenen Wicklungsdrähte jeweils eine Kraft ausgeübt wird, die in Richtung der Längsachse 9 des Linearmotors verläuft. Bei geeigneter Ansteuerung der einzelnen Spulen U,-, V W,- (mit /=1 ,2) resultiert somit insgesamt eine längsgerichtete Kraft auf den Stator 1. Ist dieser fest, d.h. bei Integration des beschriebenen Linearmotors in einer Fzg. -Radaufhängung bspw. am Fzg.- Aufbau befestigt, so wird hierdurch umgekehrt eine translatorische Bewegung des Läufers 2 verursacht. Bevorzugt ist letztlich am freien Ende des Läufers 2 ein Fahrzeug-Rad (bspw. auch unter Zwischenschaltung eines geeigneten Radführungsgliedes) angelenkt. Somit ist durch Erzeugung entsprechender Kräfte bzw. Bewegungen im Linearmotor eine aktive Beeinflussung zumindest einer Relativbewegung zwischen dem Fzg-Rad und dem Fzg. -Aufbau möglich, ggf. kann auch auf die'Relativ-Pos.tion direkt Einfluss genommen werden.
Wichtig ist dabei eine geeignet angesteuerte elektrische Beaufschlagung der einzelnen Spulen und insbesondere eine Anpassung (Kommutierung) an die jeweils aktuelle Position des Läufers 2. Liegt eine Spule genau an der weiter oben bereits genannten Eintrittsstelle oder Austrittstelle der magnetischen Feldlinien des Läufers 2, so muss diese betroffene Spule maximal mit Strom gespeist werden. Bei der in der beigefügten Figur dargestellten Position des Läufers 2 sind dies alle Spulen Wh d.h. sämtliche Spulen, die mit der elektrischen Phase w angesteuert werden. Die anderen Spulen U V„ werden hingegen mit einer Phasenverschiebung von 120° bzw. 240° (d.h. mit den elektrischen Phasen u, v) angesteuert. Die entsprechende Speisung der einzelnen Spulen einer Phase u bzw. v bzw. w kann dadurch realisiert werden, dass für jede Phase u bzw. v bzw. w einzeln alle mit dem Index 1 gekennzeichneten Spulen zu einem eigenen Leitungsstrang in Reihe geschaltet werden, was figürlich für die Phase w in Form des Leitungsstrangs 7 dargestellt ist, und dass analog alle mit dem Index 2 gekennzeichneten Spulen W in Reihe geschaltet sind, was hier durch den Leitungsstrang 8 dargestellt ist.
Somit kann die Anordnung und Stromspeisung der Spulen nochmals wie folgt beschrieben werden: Es werden die Spulen Utl V,-, W ,- (mit /-1 ,2) im Drei-Phasen-Betrieb angesteuert, d.h. jeweils mit einer Verschiebung von 120° zwischen den einzelnen Phasen. So weist z.B. der in der Spule Ui fließende Strom einen Phasenverzug von 120° gegenüber dem in der Spule Wi fließenden Strom auf. Im Hinblick auf die Entstehung der Längskraft im Linearmotor ist weiterhin zu berücksichtigen, dass der entgegengesetzte Wicklungsumlaufsinn der mit dem Index "2" gekennzeichneten Spulen gegenüber dem der mit dem Index "1" gekennzeichneten Spulen dazu führt, dass sich die Richtung des Stromes in den zugehörigen Wicklungsdrähten in Bezug auf die Ausrichtung des Feldes der Permanentmagnete umkehrt. Dies spiegelt sich in einer Strom-Phasenverschiebung von 180° zwischen den mit dem Index "2" gekennzeichneten Spulen und den mit dem Index "1" gekennzeichneten Spulen wider. Mit der soweit beschriebenen und in der Figur dargestellten Anordnung der Spulen weist somit der jeweils in zwei benachbarten Spulen fließende Strom eine Phasenverschiebung von 60° auf. Die Hintereinanderschaltung dreier Spulen bildet dabei jeweils einen sog. Spulen-Satz 6 bzw 6'. Wichtig für die Funktionsweise des Linearmotors ist dabei die axiale Zuordnung der jeweiligen Spulen-Sätze 6, 6' zu den Permanentmagneten 3 und den Distanzscheiben 4 des Läufers 2. Wie in der Prinzipskizze dargestellt, sollte die Länge eines Spulen-Satzes 6 bzw. 6' genau so gewählt werden, dass sie mit der axialen Länge der Hintereinanderschaltung jeweils eines Permanentmagneten 3 und einer Distanzscheibe 4 übereinstimmt. Hierdurch wird eine axiale Zuordnung der Spulen zum Läufer erreicht, bei der sich die durch die elektrischen Spulen hervorgerufenen elektromagnetischen Kräfte nicht gegenseitig aufheben: Liegt z.B. eine Spule genau an einer Austrittsstelle der magnetischen Feldlinien 5 aus dem Läufer 2 - bei der in der Prinzipskizze dargestellten Läuferposition sind dies alle Spulen mit der Bezeichnung Wi - so weist der in diesen Spulen Wi fließende Strom eine Phasenverschiebung von genau 180° gegenüber dem Strom auf, welcher in den an den Eintrittsstellen des Stromes liegenden Spulen, nämlich den Spulen mit der Bezeichnung W2 fließt. Vorgeschlagen wird weiterhin, den Stator 1 in Längsrichtung 9 betrachtet kürzer als den Läufer 2 auszubilden und den Linearmotor somit in einer sog. Kurzstatorausführung zu bauen, da hiermit derjenige Teil des Linearmotors, in dem elektrische Verluste auftreten, nämlich der Stator 1 , im wesentlichen vollständig genutzt wird. Im Hinblick auf den Leistungsbedarf des in eine Radaufhängung integrierten Stellglieds in Form des erfindungsgemäßen Linearmotors ist diese vorgeschlagene Bauform aufgrund eines verringerten Leistungsbedarfs somit im Vergleich zu einer Langstatorvariante (vgl. bspw. die eingangs genannte DE 42 04 302 C2) günstiger.
Die Höhe der am Linearmotor maximal erzeugbaren Kraft hängt in entscheidendem Maße vom für die Permanentmagneten 3 verwendeten Magnetmaterial ab. Um mit dem Linearmotor unter Berücksichtigung der bereits oben erwähnten Bauraumbeschränkung die für den Einsatz in einem Fzg.- Fahrwerk notwendigen hohen Maximalkräfte aufbringen zu können, wird im Läufer 2 des vorgeschlagenen Linearmotors, d.h. für die Permanentmagnete 3, bevorzugt ein Magnetmaterial aus seltenen Erden (NdFeB) eingesetzt. Dieses zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte aus. Die mit diesem Magnetmaterial erzielbaren Maximalkräfte sind ca. 10 mal so hoch wie diejenigen bei Verwendung eines herkömmlichen ferromagnetischen Materials.
Die Nennkraft des Linearmotors, d.h. die Kraft, die der Linearmotor im Dauerbetrieb aufbringen kann, wird darüber hinaus durch thermische Grenzen bestimmt. Dabei darf die Temperatur der elektrischen Spulen- Wicklungen im Dauerbetrieb einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigen. Es empfiehlt sich daher, einen Wickeldraht mit möglichst hoher Temperaturfestigkeit zu verwenden. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Abfuhr der in den Wicklungen durch Ohmsche Verluste entstehenden Wärme zur Außenseite des Statorrohres 1a sollte das zur Fixierung der Wicklungen im Statorrohr 1 a eingesetzte Gießharz eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Diese Forderung erfüllt bspw. ein Gießharz mit integrierten Metallpartikeln als zugesetztem, gut wärmeleitendem Material.
Ein soweit beschriebener Linearmotor zeichnet sich neben dem bereits erwähnten Vorteil einer ausreichend hohen Leistungsdichte durch eine Vielzahl weiterer Eigenschaften aus, welche ihn für den Einsatz im Rahmen einer aktiven Fahrzeug-Federung prädestinieren. So bietet das Wirkprinzip eines Synchronmotors den wichtigen Vorteil, dass sich die aktuell wirkende Motorkraft in einfacher Weise durch Variation der Stromstärke in den Spulen beeinflussen lässt. Die Kraftregelung des Linearmotors ist somit deutlich einfacher als bei dem in der eingangs genannten EP 0 363 158 B1 vorgeschlagenen Funktionsprinzip eines Induktionsmotors. Die Tatsache, dass es sich um einen permanenterregten Motor handelt, bringt weiterhin den Vorteil mit sich, dass nur in einem Teil des Linearmotors, nämlich hier im Stator, elektrische Verluste auftreten. Beim in der bereits genannten EP 0 363 158 B1 vorgeschlagenen Linearmotorprinzip treten hingegen sowohl im Stator als auch im Läufer elektrische Verluste auf, was eine höhere Verlustleistung des entsprechenden Stellglieds zur Folge hat.
Durch die vorgeschlagene Unterteilung des Läufers 2 in eine große Zahl von Permanentmagneten 3 (und somit eine große Zahl von Polteilungen) lässt sich eine Motorkraft realisieren, die nahezu unabhängig von der Position des Läufers 2 ist. Für den Einsatz im Rahmen einer aktiven Fzg. -Federung oder Fzg. -Radaufhängung bedeutet dies, dass die in das Fahrwerk des Fahr- zeugs eingeleitete Kraft unabhängig von der aktuellen Einfederung des jeweiligen Rades ist. Im Gegensatz dazu weist bspw. die in der eingangs genannten US 5,301 ,111 beschriebene aktive Federung eine starke Abhängigkeit der elektromagnetischen Kraft von der aktuellen Einfederung des Rades auf, wobei ferner noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1 . Radaufhängung, insbesondere aktive Radaufhängung, eines Fahrzeugs mit einem zwischen dem Fahrzeug-Aufbau und letztlich einem Rad abgestützten elektrischen Linearmotor, der als permanenterregter Synchronmotor arbeitet und dessen zentral angeordneter Läufer (2) aus in Richtung der Längsachse (9) des Linearmotors übereinander angeordneten scheibenförmigen, in axialer Richtung magneti- sierten Permanentmagneten (3) sowie dazwischen liegenden Distanzscheiben (4) aufgebaut ist, während der gegenüber dem Läufer (2) kürzere Stator (1) stapeiförmig in Richtung der Längsachse (9) angeordnete elektrische Spulen (U,-, Vh- W aufweist, die in Form eines Drei-Phasen-Betriebs angesteuert werden, wobei sich an einen ersten Satz (6) von drei aufeinander folgenden jeweils einer elektrischen
Phase zugeordneten Spulen (Wi, U2, V1;) ein zweiter Satz (6') von drei aufeinander folgenden jeweils einer Phase zugeordneten Spulen (W2, Ui, V2)) anschließt, wobei der Wicklungs-Umlaufsinn jeder einer elektrischen Phase zugeordneten Spule (W2, U-i, V2l) des zweiten Satzes (6') demjenigen der der gleichen elektrischen Phase zugeordneten Spule (Wi, U2, Vi,) des ersten Satzes (6) entgegengerichtet ist, und wobei die axiale Länge der einzelnen Spulen {U,-, V,-, Wi) im wesentlichen gleich der axialen Länge der Distanzscheiben (4) und im wesentlichen gleich der halben axialen Länge der einen Nordpol und einen Südpol aufweisenden Permanentmagneten (3) ist
2. Radaufhängung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten (3) aus einem Magnetmaterial aus seltenen Erden (NdFeB) bestehen.
3. Radaufhängung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der den Stator (1 ) bildenden und in einem Stator-Rohr (1 a) angeordneten elektrischen Spulen in einem Gießharz eingebettet sind, das im Hinblick auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit ein gut wärmeleitendes Material enthält.
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