WO2012019690A2 - Antriebseinheit für ein fahrzeugrad, fahrzeugrad sowie verfahren zum antrieb eines fahrzeugrades - Google Patents

Antriebseinheit für ein fahrzeugrad, fahrzeugrad sowie verfahren zum antrieb eines fahrzeugrades Download PDF

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wheel
vehicle wheel
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Gerd Stöhr
Sven Martin
Holger Amecke
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a drive unit for a vehicle wheel, a vehicle wheel and a method for driving a vehicle wheel.
  • Hub drives are known as a variant of a (decentralized) vehicle drive for a long time.
  • wheel hub drives is essentially a mechanical drive force generating drive unit in a vehicle, in particular in a rim of the
  • DE 693 09 066 T2 shows an electric motor / wheel unit comprising a hollow shaft with an end provided with a first opening and a second end provided with a second opening, wherein the first opening supply conductor from outside the motor / wheel unit can record.
  • the electric motor / wheel unit comprises a coaxial with the shaft and fixed to the shaft stator, wherein the stator has a hollow portion and windings.
  • the electric motor / wheel unit comprises a coaxial with the stator and rotatably mounted around the stator rotor and a conversion means for converting an electrical input voltage and an electrical input current into an electrical output voltage and an electrical output current, wherein the
  • Output current is a variable alternating current.
  • the conversion means comprises a
  • Power electronics with input terminals for receiving the electrical
  • the recorded in the first opening of the hollow shaft conductor may be relatively small in diameter, even in the case in which the engine is to generate a relatively large torque.
  • DE 44 04 926 A1 discloses an electric drive system for a DC-powered vehicle with a drive electric motor having a stator provided with conductors and a rotor provided with permanent magnets.
  • the electrical Drive system responsive to a rotational movement of the rotor sensor and an electronic drive device which responds to an output signal of the sensor and the current conductor is supplied with a pulse-shaped voltage signal.
  • Speed measuring device for generating a speed signal corresponding to the rotor rotation speed. Further, the drive means comprises a voltage control device, which is dependent on the speed signal voltage and
  • Pulse generating means which generates a pulse signal for the current conductors whose amplitude and phase angle is variable relative to the position of the rotor in response to the voltage and winding control signal.
  • a stator for an electric machine which comprises a stator and a stator outer part, wherein the stator carrier comprises at least one meandering channel.
  • the meandering channel in this case a fluid is feasible.
  • DE 10 2006 008 241 A1 discloses a generator-electric motor combination, in particular an electric transmission, with a first rotor of an input shaft and a second rotor of an output shaft, each with permanent magnets in the circumferential direction
  • the generator-electric motor combination has at least one stator, on whose, the permanent magnet facing, circumferential side alternately grooves for receiving at least one stator winding and stator teeth are formed, the circumferential tooth surfaces facing the permanent.
  • the drive unit here comprises an electric machine with a stator and a rotor, a central shaft, at least one first wheel bearing and at least one braking device.
  • the electric machine can be operated here in a motor or generator operation.
  • the stator is arranged coaxially with the central shaft and fixed on this. As a result, the stator is thus mechanically connected to the central shaft and not rotatably mounted. Further, the rotor is coaxial with the central shaft and rotatably supported by the at least first wheel bearing around the stator.
  • Coaxial here means that a central longitudinal axis of the central shaft is equal to a central longitudinal axis of the stator and a central longitudinal axis of the rotor.
  • the central longitudinal axis of the central shaft is simultaneously an axis of rotation of the rotor and thus a mechanically connected to the rotor vehicle wheel.
  • the stator is arranged inside the rotor.
  • the electric machine may be referred to as an external rotor type electric machine.
  • the rotor has a rotor housing. Here are at a first section of the
  • the means for generating a magnetic field generate a so-called rotor field.
  • the means for generating a magnetic field can in this case be designed as permanent magnets, preferably as permanent magnets based on rare earths.
  • p denotes a pole pair number.
  • a pole pair number should be chosen as high as possible.
  • a number of pole pairs may be in a range between 10 and 20, preferably a number of pole pairs 15. This advantageously makes it possible to achieve a small rotor field return within the rotor housing.
  • By means of the means for generating a magnetic field in this case is preferably to produce a trapezoidal rotor field with steep edges as possible.
  • the stator may alternately have grooves and stator teeth on an outer side of the stator facing the first section of the rotor housing.
  • so-called stator windings can be arranged in the slots. If a current flows through the stator windings, then a magnetic field, the so-called stator field, is generated by the stator windings.
  • a current flow through the stator windings is controlled such that a stator field rotating relative to the central longitudinal axis is generated. Since the stator field interacts with the rotor field, this can cause a rotation of the rotor.
  • a flooding of the magnetic circuit belonging to the rotor-side flux-return material (rotor housing) can also be taken into account to saturation.
  • a number of strands of the stator windings here is to choose high. Further, various types of windings of the stator windings can be selected, and preferably, the winding type of the stator windings is a wave winding. This advantageously allows a short conductor length in the so-called winding head and thus low ohmic losses.
  • the number of strands of the stator windings is 6 to 12 strands, preferably 8 strands.
  • a second section of the rotor housing is designed as a braking surface cooperating with the braking device (rotor-side braking surface).
  • the braking device can be designed, for example, as a disc brake or drum brake.
  • the braking device is directly or indirectly mechanically connected to the central shaft, that is not rotatably mounted on the central shaft.
  • a stator-side braking surface e.g. a brake shoe, pressed against the rotor-side braking surface. The resulting friction forces generate
  • kinetic energy of the rotor is essentially converted by an induction into electrical energy.
  • the electrical energy may be e.g. be used to charge a storage unit (accumulator, battery), which is known as so-called Rekuperations horr.
  • the electric machine is designed as a DC machine.
  • the first and second sections of the rotor housing are mechanically interconnected by means of a third section.
  • the third portion prevents or reduces heat transfer between the second and first portions.
  • the third section prevents or reduces heat conduction between the second and first sections.
  • the third portion may be formed at least partially of a material having a predetermined, in particular low, thermal conductivity.
  • the third section may have a predetermined, in particular large, outer surface, by means of which heat can be released via heat convection to a flowing fluid, in particular air.
  • the third section may be made of a material having a predetermined, in particular high, emission coefficients, for example, an emission coefficient greater than 0.5, be formed. This allows a heat dissipation of the third section via a
  • the drive unit according to the invention thus enables a compact arrangement of a braking device and a DC machine in external rotor design, wherein a
  • Heat energy to the rotor-side means for generating a magnetic field is prevented or reduced. Because properties, especially of permanent magnets, strong
  • this advantageously avoids or reduces a change in the characteristics of the rotor field (field strength, course) which has a negative effect on operation of the drive unit due to heat transfer.
  • a rim in particular a wheel flange or a rim or an outer ring of the rim, can be fastened to the rotor housing.
  • the rim is mechanically coupled to the rotor.
  • stator has sections for fluid-based cooling.
  • stator elements for cooling by means of cooling water or a
  • the stator for this purpose may, for example, have a stator outer part, the above-mentioned grooves and stator teeth being formed on an outer side of the stator outer part.
  • the stator can have a so-called stator carrier, wherein the stator carrier is arranged inside the stator outer part.
  • cooling channels can be formed within the stator carrier.
  • the cooling channels are formed as meandering cooling channels.
  • the stator can be formed of a Statorthereau mode tell and a Statoramiinnenteil, which are welded together by a weld.
  • the meandering cooling channels can be formed by meandering grooves on the inside of Statorangoau modeteils, each meandering groove is covered by the outside of the Stator mecanicteils.
  • the other embodiments of a stator disclosed in DE 10 2005 052 783 A1 can also be part of the invention.
  • this advantageously makes it possible to allow a higher cooling capacity of the stator and, as described below, also of the rotor.
  • a sheet or the sheets and the stator windings of the stator can be cooled.
  • a higher field strength of the stator field can be achieved, whereby a maximum drive torque or braking torque is increased.
  • at least a portion of an outer surface of the fluid-based cooling portion is parallel to an outer surface of the second portion of the
  • Rotor housing arranged at a predetermined distance to this. Does the stator-side part of an outer surface of the fluid-based cooling section in a
  • Cross-section perpendicular to the central longitudinal axis for example, a (part) circular course with a first radius, so may have an outer surface of the rotor-side second portion of the rotor housing in the same cross-section a (partially) circular course with a second radius, wherein the second radius is greater than the first radius by the predetermined distance.
  • part of an outer surface of the fluid-based cooling section may be in a plane perpendicular to the central one
  • Longitudinal axis is located, be arranged.
  • a rotor-side outer surface of the second portion of the rotor housing in a plane which is perpendicular to the central longitudinal axis may be arranged, wherein the planes are arranged spaced apart from each other at the predetermined distance.
  • the predetermined distance here is to be chosen as small as possible, but it must allow a safe rotation of the rotor around the stator.
  • a part of the outer surface of the rotor-side second portion of the rotor housing as a material having a high emission coefficient, for example, an emission coefficient greater than 0.5 be formed.
  • the outer surface can be painted black or black anodized.
  • the rotor is additionally mounted rotatably about the stator by means of a second wheel bearing, wherein the second wheel bearing is arranged along a central axis of the central shaft offset from the first wheel bearing.
  • a means for sealing in particular a sealing ring, the
  • Sealing a housing comprised of the rotor housing adjacent to the second wheel bearing may be arranged on the central shaft.
  • the sealing ring can be centered by the second, additional wheel bearing.
  • the second wheel bearing is arranged offset along the central longitudinal axis relative to the first wheel bearing. For example, the first wheel bearing on a Radau hybridseite and the second wheel bearing on a
  • Radinnenseite be arranged on the central shaft. This results in an advantageous manner that a rotor housing a lying between the first and the second wheel bearing interior sealed against e.g. Can include moisture and dirt.
  • the central shaft is designed as a hollow shaft, wherein the hollow shaft comprises means for supplying a cooling fluid and / or means for supplying electrical lines.
  • a supply of supply means in particular of e.g. a cooling liquid and / or electrical energy, for the drive unit according to the invention can take place through the central hollow shaft and thus better protected against external influences.
  • an outer side of the stator facing the first section of the rotor housing alternately has grooves and stator teeth, wherein a total area formed by the tooth surfaces covered by the respective means for generating a magnetic field remains constant independently of a rotor rotation angle or changes only by a predetermined amount ,
  • the predetermined amount here is small, in particular less than 5% of a maximum total area. This results in an advantageous manner, a reduction of cogging torque during operation of the
  • Magnetic field in the circumferential direction of the rotor one or more times from the sum of a groove width and a tooth width.
  • the magnetic spacing between the means for generating a magnetic field adjacent in the circumferential direction of the rotor is one or more times the sum of the groove width and the tooth width.
  • a magnet distance is the simple of the sum of the groove width and the tooth width.
  • a magnetic gap is smaller than a width of the magnetic field generating means, for example, a width of the magnetic field generating means may be four times the sum of the groove width and the tooth width.
  • a winding head is to be dimensioned as small as possible.
  • a high air gap diameter ie a diameter of the circular cross-section, the central longitudinal axis facing surface of the means for producing a
  • Magnetic field serves to achieve the highest possible torque. For this purpose, it is necessary to dimension a wall thickness of the rotor low.
  • the stator forms a cavity, wherein elements for controlling and / or supplying energy to the DC machine are arranged in this cavity.
  • the cavity may also be part of an interior of the rotor enclosed by the rotor housing.
  • the drive unit may comprise at least one means for detecting the rotor field, in particular for detecting a field strength and / or polarity of the rotor field.
  • a means for detecting the rotor field is arranged in each groove of the stator. In this way, for example, the control element can determine whether a north or south pole of the rotor-side means for generating a magnetic field is at the current time via a line.
  • the element for controlling the commutation associated with the respective strand such as a so-called H-bridge, conductive or non-conductive switch.
  • the control element may not switch the commutation element associated with a strand, if the means for generating a magnetic field located above the respective strand moves out of a region above a stator tooth due to rotation.
  • the next strand for example, in the is arranged next next groove, associated element to be switched to be commutated.
  • an energy I 2 x L / 2 stored in the inductance during non-conducting switching of a strand may become conductive both into another, at this time
  • the switch-on time that is to say the instant of conduction switching
  • the switch-off time that is to say the instant of non-conduction switching
  • the aim here is to have a preferably rectangular or trapezoidal profile, which is preferably adapted to a profile of the rotor field. If, by means of the element for controlling, a current profile in the respective strings is controlled in such a way, a high level can advantageously be achieved
  • Torque density can be achieved, as e.g. with sine fields and / or currents is not possible.
  • the drive unit may comprise a so-called DC-DC converter, which converts an output voltage of the drive or traction battery to a desired voltage of the drive unit.
  • a separate DC-DC converter can be used for each wheel driven by means of a drive unit according to the invention. This results in the greatest possible flexibility in generating dynamic driving effects for the means of multiple drive units in an advantageous manner
  • FIG. 1 is a first perspective view of the wheel shown in Fig. 1,
  • FIG. 3 is a second perspective view of the wheel shown in Fig. 1,
  • Fig. 4 is a third perspective view of the wheel 1 shown in Fig. 1 without
  • FIG. 5 is a perspective view of a rotor
  • Fig. 6 is a perspective view of a stator
  • Fig. 7 is a schematic block diagram of a control of the invention
  • a cross section of a wheel 1 according to the invention is shown.
  • the wheel 1 is shown here without a tire.
  • the wheel 1 consists of a rim 2 and a drive unit 3 arranged within the wheel 1.
  • the rim 2 in this case has a rim hub 4, a rim not shown, and an outer ring, also not shown.
  • Drive unit 3 is in this case arranged in a hollow or inner space enclosed by the outer ring.
  • the rim 2 is in this case mechanically rigidly coupled to a rotor 7 of the drive unit 3.
  • the rotor 7 is in this case arranged rotatably on a central shaft 9 by means of a first ball bearing 8.
  • the first ball bearing 8 is arranged on the outer side of the wheel 9 on the central shaft.
  • the central shaft 9 serves in this case for fastening the wheel 1, for example on a wheel suspension of a vehicle, not shown.
  • a central longitudinal axis 10 in this case forms a central axis of rotation of the wheel 1 and the rotor 7.
  • the drive unit 3 in this case constructed rotationally symmetrical to the central longitudinal axis 10, wherein a center of gravity on the central longitudinal axis 10 is located. Radinnen textbook, the central shaft 9 shown in Fig. 2 openings 45 of fluid lines, not shown, whose function
  • the drive unit can be supplied with energy.
  • a stator 12 is mechanically rigidly arranged on the central shaft 9.
  • the stator 12 in this case comprises a stator support 13.
  • the stator has boundary cooling channels 14, which are arranged as close as possible to a stator winding 15.
  • the stator 12 has the stator winding 15 and stator teeth 16 shown in FIG. 4, the stator winding 15 being arranged in a groove 46 (see FIG. 4) between the stator teeth 16.
  • the fluid lines serve to supply and discharge a fluid to the cooling channels 14.
  • the fluid lines may for example have an L-shaped profile.
  • a first leg of the L-shaped course runs e.g. parallel to the central longitudinal axis 10, this first
  • a second leg of the L-shaped fluid channel extends perpendicular to the central longitudinal axis 10 within the stator support 13 from the central shaft 9 toward the cooling channels 14.
  • the first ball bearing 8 has a fixedly arranged on the central shaft inner ring 19 and a cross-sectionally T-shaped outer ring 20.
  • the outer ring has a transverse bar parallel to the central longitudinal axis 10 and a foot perpendicular to the central longitudinal axis 10. At a Radau point where the foot of the outer ring 20 of the rotor 7 is mechanically rigidly attached.
  • the stator 12 forms with the outer ring 20 and the rotor 7, a cavity 17, which is e.g. is tight against moisture or dirt. Within this cavity 17 are shown schematically elements 18 for control, such as control units, and
  • Elements 18 for supplying power to the DC machine for example
  • DC converter arranged. These are mechanically fixed to the stator 12, for example to the stator 13, connected.
  • channels 57 are shown through the lines through openings or terminals 1 1 introduced into the stator 12 for power supply to e.g. In Fig. 3 illustrated elements 18 can be performed for control and power supply.
  • the rotor 7 consists of a rotor housing 21, which in turn consists of a first
  • Section 22 of the rotor housing 21 and a second portion 23 of the rotor housing 21 is made.
  • the first portion 22 is in this case formed substantially L-shaped, wherein a Radau touchmen arranged leg 24 of the first part 22 of the rotor housing 21 in
  • a Rad committee rocker leg 25 of the first portion 22 of the rotor housing 21 is parallel to the central longitudinal axis 10 and is spaced at a predetermined distance therefrom.
  • the wheel peripheral side leg 25 in this case has on an inner side of the wheel peripheral side leg 25th
  • Rotor housing on a third portion 28 which connects the first portion 22 and the second portion 23 with each other.
  • This third section 28 is formed as a corrugated pipe and has an S-shaped profile in cross section.
  • Fig. 1 it is shown that the third portion is integrally formed with the first portion 22 and mechanically connected by a screw 29 with the second portion 23.
  • the third section 28 may be formed as a separate component from the first and second sections 22, 23.
  • the second section 23 of the rotor housing 21 has in cross section a first L-shaped part and a second L-shaped part connected thereto.
  • a first leg 30 of the first part in this case runs perpendicular to the central longitudinal axis 10, wherein a
  • a first leg 34 of the second part closes at one of the wheel outside facing the end of the second
  • Leg 31 of the first part and extends perpendicular to the central longitudinal axis 10 toward this.
  • the second leg 35 is fixedly connected to an outer ring 40 of a second ball bearing 41.
  • An inner ring 42 of the second ball bearing 41 is fixedly arranged on the central shaft 9, wherein the second ball bearing 41 with a predetermined distance along the central longitudinal axis 10 from a Radau builtseite 33 toward a Radinnenseite 32 from the first ball bearing 8 is spaced.
  • a sealing ring 43 is arranged adjacent to the second ball bearing 41 on the central shaft 9, wherein the sealing ring 43 a of the first ball bearing 8, the first, second and third sections 21, 28, 23 and the second ball bearing 41 enclosed interior close tightly against moisture and dirt.
  • the stator 12 is arranged.
  • a wheel cover 37 is arranged, which is mechanically rigidly connected to the central shaft 9, that is rotationally fixed, is.
  • the second leg 31 of the first part of the second portion 23, the first leg 34 and the second leg 35 of the second part of the second portion 23 and the wheel cover 37 in this case include a cavity 38 a.
  • a drum brake 39 is arranged in this cavity 38 .
  • the drum brake 39 has a brake shoe, not shown, which is pressed during braking on a central shaft 9 facing surface of the second leg 31 of the first part of the second portion 23.
  • the third section 28 is formed of a material with low thermal conductivity. Due to the S-shaped profile, the third section 28 also has a large surface for the release of heat energy by means of heat convection. In this case, the third section 28 emits a large part of the heat energy in air.
  • the third portion not only serves to prevent heat transfer, but also has to transmit a force or moment from the first portion 22 to the second portion 23 (drive) or from the second portion 23 to the first portion (brakes). This formation of the third section 28 as a corrugated tube with an S-shaped cross-section allows advantageously a secure mechanical coupling of the first and second sections 22, 23 and a secure transmission of desired
  • an outer surface of a part of the stator support 13 having the boundary cooling channels 14 is arranged parallel to a part of the wheel peripheral side surface of the second leg 31 of the first part of the second portion 23 and with a
  • the outer surface or the surfaces runs parallel to the central longitudinal axis 9.
  • An outer surface of a further stator part 44 of the stator 13, which is thermally coupled to the part of the stator support 13 having the boundary cooling channels 14, is parallel to a surface of the first leg 30 of the first part of the second section 23 facing the outer wheel side 33 arranged and spaced at a predetermined distance from the outside of the wheel 33 facing surface of the first leg 30.
  • the outer surface and the surface are perpendicular to the parallel longitudinal axis.
  • the predetermined distances in this case must allow a safe rotation of the rotor 7 to the stator 3, but should be chosen as small as possible for this.
  • heat convection can take place from the second section 23 to sections of the stator 3 which are cooled directly by the cooling channels or by means of thermal coupling. This allows for improved cooling and dissipation of heat energy resulting from braking energy.
  • FIG. 2 is a first perspective view of the wheel 1 shown in Fig. 1 is shown.
  • the openings 45 of the central shaft 9 for fluid lines on a wheel inner side 32 are shown.
  • the stator 3, the rotor 7, the first portion 22, the second portion 23, the third portion 28, the screw 29, the wheel inner side 32, the wheel outer side 33 and the wheel cover 37 are denoted by reference numerals.
  • Fig. 3 is a second perspective view of the wheel 1 shown in Fig. 1 is shown.
  • the rim hub 4 and the elements 18 for controlling and Power supply shown.
  • Wheel cover 37 denoted by reference numeral.
  • FIG. 4 shows a third perspective view of the wheel 1 shown in FIG. 1 without a rotor.
  • the stator teeth 16 and the grooves 46 formed between the stator teeth 16 are shown.
  • the stator 3 the central shaft 9, the outer ring 20 of the first ball bearing 8 (see Fig. 1), the elements 18 for control and power supply, the inner wheel side 32 and
  • FIGS. 1 to 4 show that all elements of the
  • Wheel hub drive according to the invention can be arranged as compact as possible within a housing enclosed by the rotor housing 21 and wheel cover 37 cavity.
  • the wheel hub drive does not have any elements protruding from this cavity, e.g. could collide with a curb when parking.
  • FIG. 5 shows a perspective view of a rotor 7.
  • a rotor housing 21 with a first section 22 and a third section 28 is illustrated.
  • Next permanent magnets 26 are shown.
  • the permanent magnets have a width B1 in the circumferential direction of the rotor 7, which is a multiple of the sum of a groove width and a tooth width in
  • Circumferential direction amounts. Further, a distance A1 between the adjacent in the circumferential direction of the rotor 7 permanent magnet 26 is the simple of the sum of the groove width and the tooth width. Also referred to, a width B2 of the permanent magnets 26 is shown perpendicular to the circumferential direction of the rotor 7.
  • Fig. 6 is a perspective view of a stator 12.
  • a stator 12 Here are in particular a stator 12.
  • stator 13 has the daunting cooling channels 14.
  • a further cooling channel 59 is formed by the stator carrier 13 and a stator part 58 arranged between the stator carrier 13 and the stator windings 15.
  • Cooling channel 58 formed on a wheel inside end of the stator 13 and the stator 58. 7 shows a schematic block diagram of a control of the wheel hub drive according to the invention. Here, two so-called H-circuits 47 are shown, the legs each consist of two series-connected MOSFET 48, wherein the
  • MOSFETs 48 in turn freewheeling diodes 49 are connected in parallel.
  • the connecting part of the two legs is connected in each case between the MOSFETs 48 and forms a strand 50 of the stator winding 15 (see FIG. 1).
  • a wheel-side arranged computing unit 51 controls a likewise arranged on the wheel side DC-DC converter 52. This converts a
  • Commutation computer 56 evaluates output signals of a Hall sensor 55, which detects a strength and field direction of a rotor field over the respective strand 50. In response to this output signals, the commutation computer 56 controls the MOSFET 48, thereby controlling a current flow through the strings 50.
  • a Hall sensor 55 is shown. In this case, it can be calculated from a rotational speed, which is detected, for example, by means of a rotational speed sensor, not shown, and a geometry of the rotor and stator, in which period of time the rotor field detected by the Hall sensor moves over the following strand 50. Thus, depending on this information, a current flow through the strand 50 not equipped with a Hall sensor 55 can be controlled.
  • Cooling channels 44 further stator
  • Rotor housing 52 DC converter, first section 53 Vehicle battery, second section 54 DC link capacitor

Abstract

Antriebseinheit (3) für eine Fahrzeugrad (1), wobei die Antriebseinheit (3) eine Elektromaschine mit einem Stator (12) und einem Rotor (7), eine zentrale Welle (9), mindestens ein erstes Radlager (8) und mindestens eine Bremsvorrichtung umfasst, wobei der Stator (12) koaxial zur zentralen Welle (9) angeordnet und auf dieser befestigt ist, wobei der Rotor (7) koaxial zur zentralen Welle (9) und mittels des mindestens ersten Radlagers (8) um den Stator (12) herum drehbar gelagert ist, wobei der Rotor (8) ein Rotorgehäuse (21) aufweist, wobei an einem ersten Abschnitt (22) des Rotorgehäuses (21) in Umfangsrichtung des Rotors (7) 2p Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit jeweils wechselnder Polarität angeordnet sind, wobei ein zweiter Abschnitt (23) des Rotorgehäuses (21) als mit der Bremsvorrichtung zusammenwirkende Bremsfläche ausgebildet ist, wobei die Elektromaschine eine Gleichstrommaschine ist und der erste und zweite Abschnitt (22, 23) des Rotorgehäuses (21) mittels eines dritten Abschnitts (28) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei der dritte Abschnitt (28) eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten und dem ersten Abschnitt (22, 23) verhindert oder reduziert, sowie Fahrzeugrad (1) sowie Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeugrades (1).

Description

Beschreibung
Antriebseinheit für ein Fahrzeugrad, Fahrzeugrad sowie Verfahren zum Antrieb eines
Fahrzeugrades
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Fahrzeugrad, ein Fahrzeugrad sowie ein Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeugrades.
Radnabenantriebe sind als eine Variante eines (dezentralen) Fahrzeugantriebs seit längerem bekannt. Bei Radnabenantrieben ist im Wesentlichen eine die mechanische Antriebskraft erzeugende Antriebseinheit in ein Fahrzeugrad, insbesondere in eine Felge des
Fahrzeugrades, integriert.
So zeigt die DE 693 09 066 T2 eine Elektromotor/Rad-Einheit, die eine Hohlwelle mit einem mit einer ersten Öffnung versehenen Ende und einem zweiten mit einer zweiten Öffnung versehenen Ende umfasst, wobei die erste Öffnung Versorgungsleiter von außerhalb der Motor/Rad-Einheit aufnehmen kann. Weiter umfasst die Elektromotor/Rad-Einheit einen mit der Welle koaxialen und an der Welle befestigten Stator, wobei der Stator eine Hohlpartie und Wicklungen aufweist. Weiter umfasst die Elektromotor/Rad-Einheit einen mit dem Stator koaxialen und drehbar um den Stator montierten Rotor sowie ein Umsetzmittel zum Umsetzen einer elektrischen Eingangsspannung und eines elektrischen Eingangsstromes in eine elektrische Ausgangsspannung und einen elektrischen Ausgangsstrom, wobei der
Ausgangsstrom ein variabler Wechselstrom ist. Hierbei umfasst das Umsetzmittel eine
Leistungselektronik mit Eingangsanschlüssen zum Aufnehmen des elektrischen
Eingangsstroms und mit Ausgangsanschlüssen zur Erzeugung des variablen elektrischen Wechselstroms, wodurch in Betrieb der variable Wechselstrom die Wicklungen des Stators speist. Weiter ist Leistungselektronik in der Hohlpartie montiert. Weiter sind die
Versorgungsleiter derart direkt mit den Eingangsanschlüssen der in der Hohlpartie
angeordneten Leistungselektronik verbunden, dass die in der ersten Öffnung der Hohlwelle aufgenommenen Leiter von relativ geringem Durchmesser sein können, selbst in dem Fall, in dem der Motor ein relativ großes Drehmoment erzeugen soll.
Die DE 44 04 926 A1 offenbart ein elektrisches Antriebssystem für ein gleichstrombetriebenes Fahrzeug mit einem Antriebs-Elektromotor, der einen mit Stromleitern versehenen Stator und einen mit Dauermagneten versehenen Läufer aufweist. Weiter weist das elektrische Antriebssystem einen auf eine Drehbewegung des Läufers reagierenden Sensor und eine elektronische Ansteuereinrichtung auf, die auf ein Ausgangssignal des Sensors reagiert und die Stromleiter mit einem impulsförmigen Spannungssignal beaufschlagt. Hierbei weist die
Ansteuereinrichtung eine auf das Ausgangssignal des Sensors reagierende
Drehzahlmesseinrichtung zum Erzeugen eines der Läufer-Umdrehungsgeschwindigkeit entsprechenden Drehzahlsignals auf. Weiter weist die Ansteuereinrichtung eine Spannungs- Steuereinrichtung auf, die ein vom Drehzahlsignal abhängiges Spannungs- und
Wickelsteuersignal erzeugt. Weiter weist die Ansteuereinrichtung eine
Impulserzeugungseinrichtung auf, die ein Impulssignal für die Stromleiter erzeugt, dessen Amplitude und Phasenwinkel relativ zur Stellung des Läufers in Abhängigkeit vom Spannungsund Wickelsteuersignal variabel ist.
Hinsichtlich einer Ausgestaltung von elektrischen Maschinen, insbesondere
Außenläufermaschinen, offenbart die DE 10 2005 052 783 A1 einen Stator für eine elektrische Maschine, der einen Statorträger und einen Statoraußenteil umfasst, wobei der Statorträger mindestens einen mäandrierenden Kanal umfasst. In dem mäandrierenden Kanal ist hierbei ein Fluid führbar.
Die DE 10 2006 008 241 A1 offenbart eine Generator-Elektromotor-Kombination, insbesondere ein elektrisches Getriebe, mit einem ersten Rotor einer Eingangswelle und einem zweiten Rotor einer Ausgangswelle, die jeweils in Umfangsrichtung Permanentmagnete mit jeweils
wechselnder Polarität aufweisen. Weiter weist die Generator-Elektromotor-Kombination zumindest einen Stator auf, an dessen, den Permanentmagneten zugewandter, Umfangsseite abwechselnd Nuten zur Aufnahme zumindest einer Statorwicklung und Statorzähne ausgebildet sind, deren umfangsseitige Zahnflächen den Permanenten zugewandt sind. Weiter bleibt bei einer Rotordrehung eine von den, vom jeweiligen Permanentmagneten überdeckten
Zahnflächen ausgebildete Gesamtfläche unabhängig von einem Rotordrehwinkel im
Wesentlichen konstant.
Es stellt sich das technische Problem, eine Antriebseinheit für ein Fahrzeugrad, ein
Fahrzeugrad sowie ein Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeugrades zu schaffen, die
hinsichtlich einer Robustheit, einer Masse, einer Bauraumanforderung, eines
Konstruktionsaufwandes und hinsichtlich Leistungsparametern (Dauerantriebsmomente, Bremsmomente) optimiert sind.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 , 9 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Vorgeschlagen wird eine Antriebseinheit für ein Fahrzeugrad. Die Antriebseinheit umfasst hierbei eine Elektromaschine mit einem Stator und einem Rotor, eine zentrale Welle, mindestens ein erstes Radlager und mindestens eine Bremsvorrichtung. Die Elektromaschine ist hierbei in einem motorischen oder generatorischen Betrieb betreibbar. Der Stator ist koaxial zur zentralen Welle angeordnet und auf dieser befestigt. Hierdurch ist der Stator also mechanisch mit der zentralen Welle verbunden und nicht drehbar gelagert. Weiter ist der Rotor koaxial zur zentralen Welle und mittels des mindestens ersten Radlagers um den Stator herum drehbar gelagert. Koaxial bedeutet hierbei, dass eine zentrale Längsachse der zentralen Welle gleich einer zentralen Längsachse des Stators und einer zentralen Längsachse des Rotors ist. Hierbei ist die zentrale Längsachse der zentralen Welle gleichzeitig eine Rotationsachse des Rotors und somit eines mit dem Rotor mechanisch verbundenen Fahrzeugrades.
Der Stator ist hierbei innerhalb des Rotors angeordnet. Somit kann die Elektromaschine als eine Elektromaschine in Außenläuferbauweise bezeichnet werden.
Der Rotor weist ein Rotorgehäuse auf. Hierbei sind an einem ersten Abschnitt des
Rotorgehäuses in Umfangsrichtung des Rotors 2p Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit jeweils wechselnder Polarität angeordnet. Die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes erzeugen hierbei ein so genanntes Rotorfeld. Die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes können hierbei als Permanentmagnete, vorzugsweise als Permanentmagnete auf Seltene- Erden-Basis, ausgebildet sein. Hierbei bezeichnet p eine Polpaarzahl. Eine Polpaarzahl ist hierbei möglichst hoch zu wählen. Insbesondere kann eine Polpaarzahl in einem Bereich zwischen 10 und 20 liegen, vorzugsweise beträgt eine Polpaarzahl 15. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise ein geringer Rotorfeldrückschluss innerhalb des Rotorgehäuses erreichbar. Mittels der Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds ist hierbei vorzugsweise ein trapezförmiges Rotorfeld mit möglichst steilen Flanken zu erzeugen.
Der Stator kann an einer dem ersten Abschnitt des Rotorgehäuses zugewandten Außenseite des Stators abwechselnd Nuten und Statorzähne aufweisen. Hierbei können in den Nuten so genannte Statorwicklungen angeordnet sein. Fließt ein Strom durch die Statorwicklungen, so wird hierdurch von den Statorwicklungen ein magnetisches Feld, das so genannte Statorfeld, erzeugt. Im motorischen Betrieb wird ein Stromfluss durch die Statorwicklungen derart gesteuert, dass ein relativ zur zentralen Längsachse rotierendes Statorfeld erzeugt wird. Da das Statorfeld mit dem Rotorfeld wechselwirkt, kann hierdurch eine Rotation des Rotors bewirkt werden. Hierbei ist eine Anordnung und Ausbildung der rotorseitigen Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes, der Anordnung und Auslegung der Statorwicklungen und die Steuerung des Stromflusses (Stromrichtung, Stromstärke) derart zu wählen, dass im motorischen Betrieb zur Zeit eines Stromflusses eine möglichst hohe Induktion in einem Luftspalt zwischen Stator und Rotor erreicht wird. Hierbei kann auch eine bis in eine Sättigung getriebene Durchflutung des zu dem magnetischen Kreis gehörenden rotorseitigen Rückschlussmaterials (Rotorgehäuse) in Kauf genommen werden.
Eine Anzahl von Strängen der Statorwicklungen ist hierbei hoch zu wählen. Weiter können verschiedene Arten von Wicklungen der Statorwicklungen gewählt werden, vorzugsweise ist die Wicklungsart der Statorwicklungen eine Wellenwicklung. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kurze Leiterlänge im so genannten Wickelkopf und somit geringe ohmsche Verluste.
Vorzugsweise beträgt die Anzahl von Strängen der Statorwicklungen 6 bis 12 Stränge, vorzugsweise 8 Stränge.
Erfindungsgemäß ist ein zweiter Abschnitt des Rotorgehäuses als mit der Bremsvorrichtung zusammenwirkende Bremsfläche ausgebildet (rotorseitige Bremsfläche). Die Bremsvorrichtung kann hierbei beispielsweise als Scheibenbremse oder Trommelbremse ausgebildet sein.
Hierbei ist die Bremsvorrichtung mittelbar oder unmittelbar mechanisch mit der zentralen Welle verbunden, also nicht drehbar auf der zentralen Welle gelagert. In einem mechanischen Bremsvorgang wird eine statorseitige Bremsfläche, z.B. ein Bremsschuh, gegen die rotorseitige Bremsfläche gedrückt. Die hierdurch entstehenden Reibungskräfte erzeugen ein
Bremsmoment. Bei einem derartigen Bremsvorgang wird kinetische Energie des Rotors in Wärmeenergie umgewandelt.
Weiter ist es selbstverständlich möglich, den Rotor im generatorischen Betrieb der
Elektromaschine abzubremsen. Hierbei wird kinetische Energie des Rotors im Wesentlichen mittels einer Induktion in elektrische Energie gewandelt. Die elektrische Energie kann hierbei z.B. zum Aufladen einer Speichereinheit (Akkumulator, Batterie) genutzt werden, was als so genannter Rekuperationsbetrieb bekannt ist.
Erfindungsgemäß ist die Elektromaschine als Gleichstrommaschine ausgebildet. Weiter sind der erste und der zweite Abschnitt des Rotorgehäuses mittels eines dritten Abschnitts mechanisch miteinander verbunden. Hierbei verhindert oder reduziert der dritte Abschnitt eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten und dem ersten Abschnitt. Insbesondere verhindert oder reduziert der dritte Abschnitt eine Wärmeleitung zwischen dem zweiten und dem ersten Abschnitt. Hierfür kann der dritte Abschnitt zumindest teilweise aus einem Material mit einer vorbestimmten, insbesondere niedrigen, Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Weiter kann der dritte Abschnitt eine vorbestimmte, insbesondere große, Außenfläche aufweisen, mittels derer Wärme über Wärmekonvektion an ein strömendes Fluid, insbesondere Luft, abgegeben werden kann. Auch kann der dritte Abschnitt aus einem Material mit einem vorbestimmten, insbesondere hohen, Emissionskoeffizienten, z.B. einem Emissionskoeffizienten größer als 0,5, ausgebildet sein. Hierdurch kann eine Wärmeableitung des dritten Abschnitts über eine
Wärmestrahlung realisiert sein.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit ermöglicht somit eine kompakte Anordnung einer Bremsvorrichtung und einer Gleichstrommaschine in Außenläuferbauweise, wobei eine
Wärmeübertragung zwischen der in einem mechanischen Bremsvorgang erzeugten
Wärmeenergie zu den rotorseitigen Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfelds verhindert oder reduziert wird. Da Eigenschaften, insbesondere von Permanentmagneten, stark
temperaturabhängig sind, wird hierdurch in vorteilhafter Weise eine sich auf einen Betrieb der Antriebseinheit negativ auswirkende Änderung von Eigenschaften des Rotorfeldes (Feldstärke, Verlauf) durch Wärmeübertragung vermieden oder reduziert.
Hierbei ist an dem Rotorgehäuse eine Felge, insbesondere ein Radflansch oder ein Radkranz oder ein Außenring der Felge, befestigbar. Hierüber wird die Felge mechanisch mit dem Rotor gekoppelt.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Stator Abschnitte zur fluidbasierten Kühlung auf. Insbesondere kann der Stator Elemente zur Kühlung mittels Kühlwasser oder einer
Kühlflüssigkeit aufweisen. Diese können beispielsweise als Kühlkanäle ausgebildet sein. Wie in der DE 10 2005 052 783 A1 beschrieben, kann der Stator hierfür z.B. einen Statoraußenteil aufweisen, wobei an einer Außenseite des Statoraußenteils die vorhergehend erwähnten Nuten und Statorzähne ausgebildet sind. Weiter kann der Stator einen so genannten Statorträger aufweisen, wobei der Statorträger innerhalb des Statoraußenteils angeordnet ist. Hierbei können innerhalb des Statorträgers Kühlkanäle ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Kühlkanäle als mäandrierende Kühlkanäle ausgebildet. Beispielsweise kann der Statorträger aus einem Statorträgeraußenteil und einem Statorträgerinnenteil ausgebildet sein, die mittels einer Schweißnaht zusammengeschweißt sind. Hierbei können die mäandrierenden Kühlkanäle durch mäandrierende Nuten auf der Innenseite des Statorträgeraußenteils ausgebildet sein, wobei jede mäandrierende Nut durch die Außenseite des Statorträgerinnenteils abgedeckt ist. Auch die weiteren in der DE 10 2005 052 783 A1 offenbarten Ausführungsformen eines Stators können hierbei Teil der Erfindung sein. Durch Abschnitte zur fluidbasierten Kühlung wird hierdurch in vorteilhafter Weise ermöglicht, eine höhere Kühlleistung des Stators und, wie nachfolgend beschrieben, auch des Rotors zu ermöglichen. Durch eine derart verbesserte Kühlwirkung kann insbesondere ein Blech bzw. die Bleche und die Statorwicklungen des Stators gekühlt werden. Hierdurch ist eine höhere Feldstärke des Statorfeldes erreichbar, wodurch ein maximales Antriebsmoment bzw. Bremsmoment erhöht wird. In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Teil einer Außenfläche des Abschnitts zur fluidbasierten Kühlung parallel zu einer Außenfläche des zweiten Abschnitts des
Rotorgehäuses mit einem vorbestimmten Abstand zu diesem angeordnet. Weist der statorseitige Teil einer Außenfläche des Abschnitts zur fluidbasierten Kühlung in einem
Querschnitt senkrecht zur zentralen Längsachse beispielsweise einen (teil-)kreisförmigen Verlauf mit einem ersten Radius auf, so kann eine Außenfläche des rotorseitigen zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses in dem gleichen Querschnitt einen (teil-)kreisförmigen Verlauf mit einem zweiten Radius aufweisen, wobei der zweite Radius um den vorbestimmten Abstand größer als der erste Radius ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann ein Teil einer Außenfläche des Abschnitts zur fluidbasierten Kühlung in einer Ebene, die senkrecht zur zentralen
Längsachse liegt, angeordnet sein. Hierbei kann eine rotorseitige Außenfläche des zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses in einer Ebene, die senkrecht zur zentralen Längsachse ist, angeordnet sein, wobei die Ebenen mit dem vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet angeordnet sind. Selbstverständlich sind auch weitere Anordnungen des statorseitigen Teils einer Außenfläche des Abschnitts zur fluidbasierten Kühlung und des rotorseitigen Teils einer Außenfläche des zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses möglich, wobei jedoch eine Rotation des Rotors gewährleistet sein muss. Der vorbestimmte Abstand ist hierbei so gering wie möglich zu wählen, er muss jedoch eine gefahrlose Rotation des Rotors um den Stator herum ermöglichen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Kühlung des zweiten Abschnitts mittels der Elemente zur fluidbasierten Kühlung ermöglicht, wobei ein Transport der durch z.B. einen Bremsvorgang erzeugten Wärmeenergie über eine Wärmestrahlung von dem zweiten Abschnitt hin zum Element zur fluidbasierten Kühlung erfolgt. Um diesen Wärmetransport zu verbessern, kann z.B. ein Teil der Außenfläche des rotorseitigen zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses als Material mit einem hohen Emissionskoeffizienten, beispielsweise einem Emissionskoeffizienten größer als 0,5, ausgebildet sein. Z.B. kann die Außenfläche schwarz lackiert oder schwarz eloxiert ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine verbesserte Kühlung des zweiten Abschnitts des Rotorgehäuses und somit ein verbesserter Abtransport von
Bremswärme sowie eine weiter verminderte Erwärmung der ebenfalls am Rotorgehäuse befestigten Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Rotor zusätzlich mittels eines zweiten Radlagers drehbar um den Stator gelagert, wobei das zweite Radlager entlang einer Zentralachse der zentralen Welle versetzt zum ersten Radlager angeordnet ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine verbesserte mechanische Abstützung des Rotors auf der zentralen Welle erreicht. Gleichzeitig wird durch die Lagerung mittels eines zusätzlichen, zweiten Radlagers ein vermindertes Kippspiel des Rotors erreicht. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Luftspalt zwischen Stator und Rotor kleiner als bei einer Lagerung mittels nur eines Radlagers ausgebildet werden. Durch einen verkleinerten Luftspalt ergibt sich eine höhere Leistungsfähigkeit des Radnabenantriebs, insbesondere ein höheres Antriebs- bzw.
Bremsmoment. Hierbei kann ein Mittel zur Abdichtung, insbesondere ein Dichtring, zur
Abdichtung eines vom Rotorgehäuse umfassten Innenraums benachbart zu dem zweiten Radlager auf der zentralen Welle angeordnet sein. Hierbei kann der Dichtring durch das zweite, zusätzliche Radlager zentriert werden. Erfindungsgemäß ist das zweite Radlager entlang der zentralen Längsachse gegenüber dem ersten Radlager versetzt angeordnet. Beispielsweise kann das erste Radlager an einer Radaußenseite und das zweite Radlager an einer
Radinnenseite auf der zentralen Welle angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Rotorgehäuse einen zwischen dem ersten und dem zweiten Radlager liegenden Innenraum dicht gegenüber z.B. Feuchtigkeit und Schmutz einschließen kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die zentrale Welle als Hohlwelle ausgebildet, wobei die Hohlwelle Mittel zur Zuleitung eines Kühlfluids und/oder Mittel zur Zuführung elektrischer Leitungen umfasst. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Zuführung von Versorgungsmitteln, insbesondere von z.B. einer Kühlflüssigkeit und/oder elektrischer Energie, für die erfindungsgemäße Antriebseinheit durch die zentrale Hohlwelle erfolgen kann und somit besser gegenüber äußeren Einflüssen geschützt ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist eine dem ersten Abschnitt des Rotorgehäuses zugewandte Außenseite des Stators abwechselnd Nuten und Statorzähne auf, wobei eine von den vom jeweiligen Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes überdeckten Zahnflächen ausgebildete Gesamtfläche unabhängig von einem Rotordrehwinkel konstant bleibt oder sich nur um einen vorbestimmten Betrag ändert. Der vorbestimmte Betrag ist hierbei klein zu wählen, insbesondere kleiner als 5 % einer maximalen Gesamtfläche. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Reduktion von Rastmomenten während eines Betriebes der
Antriebseinheit, wobei Rastmomente entstehen, wenn bei einer Drehbewegung des Rotors die Summe der vom jeweiligen Rotorfeld überlagerten bzw. beeinflussten Statorzähne nicht gleich bleibt, sondern variiert.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt eine Breite der Mittel zur Erzeugung eines
Magnetfeldes in Umfangsrichtung des Rotors das ein- oder mehrfache aus der Summe einer Nutbreite und einer Zahnbreite. Alternativ oder kumulativ beträgt der Magnetabstand zwischen den in Umfangsrichtung des Rotors benachbarten Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldes das ein- oder mehrfache aus der Summe der Nutbreite und der Zahnbreite. Vorzugsweise beträgt ein Magnetabstand das Einfache der Summe der Nutbreite und der Zahnbreite. Weiter vorzugsweise ist ein Magnetabstand kleiner als eine Breite der Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes zu wählen, beispielsweise kann eine Breite der Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes das Vierfache aus der Summe der Nutbreite und der Zahnbreite betragen. Durch einen möglichst kleinen Magnetabstand ergibt sich in vorteilhafter Weise ein möglichst steiler Verlauf zwischen wechselnden Polaritäten des Rotorfeldes. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein annähernd rechteckförmiges, also ideales, Rotorfeld erzeugt werden.
Hierbei sei ausdrücklich auf die DE 10 2006 008 241 A1 verwiesen, deren Inhalt ebenfalls Teil dieser Offenbarung sein soll.
Es ist zu berücksichtigen, dass ein möglichst hohes Moment durch eine möglichst hohe Breite der Mittel zu Erzeugung eines Magnetfeldes senkrecht zur Umfangsrichtung, also in Richtung der zentralen Längsachse, erreicht werden kann. Hierfür ist ein Wickelkopf möglichst klein zu dimensionieren.
Auch ein hoher Luftspaltdurchmesser, also ein Durchmesser der im Querschnitt kreisförmigen, der zentralen Längsachse zugewandten Oberfläche der Mittel zur Erzeugung eines
Magnetfelds, dient zur Erreichung eines möglichst hohen Moments. Hierfür ist erforderlich, eine Wandstärke des Rotors gering zu dimensionieren.
In einer weiteren Ausführungsform bildet der Stator einen Hohlraum aus, wobei in diesem Hohlraum Elemente zur Steuerung und/oder zur Energieversorgung der Gleichstrommaschine angeordnet sind. Der Hohlraum kann hierbei ebenfalls Teil eines vom Rotorgehäuse umfassten Innenraums des Rotors sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass Elemente zur Steuerung und/oder zur Energieversorgung vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor
Verschmutzung oder Feuchtigkeit, geschützt sind. Unter Elementen zur Energieversorgung wird hierbei z.B. ein Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) verstanden. Unter einem Element zur Steuerung wird beispielsweise eine Steuereinheit verstanden. Weiter können Elemente zur Energieversorgung Elemente zur Kommutierung der vorhandenen Stränge sein. Weiter kann die Antriebseinheit mindestens ein Mittel zur Erfassung des Rotorfeldes, insbesondere zur Erfassung einer Feldstärke und/oder Polarität des Rotorfeldes, umfassen. Vorzugsweise ist hierbei in jeder Nut des Stators ein derartiges Mittel zur Erfassung des Rotorfeldes angeordnet. Hierdurch kann z.B. das Element zur Steuerung bestimmen, ob über einen Strang zum aktuellen Zeitpunkt ein Nord- oder Südpol des rotorseitigen Mittels zur Erzeugung eines Magnetfeldes ist. Je nach gewünschter Drehrichtung des Rotors kann z.B. das Element zur Steuerung die dem jeweiligen Strang zugeordnete Kommutierungselektronik, beispielsweise eine so genannte H-Brücke, leitend oder nicht leitend schalten. Z.B. kann das Element zur Steuerung das einem Strang zugeordnete Element zur Kommutierung nicht leitend schalten, falls das sich über dem jeweiligen Strang befindliche Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes sich aufgrund einer Rotation aus einem Bereich oberhalb eines Statorzahns herausbewegt. Anschließend kann beispielsweise das dem nächstfolgenden Strang, der beispielsweise in der nächstfolgenden Nut angeordnet ist, zugeordnete Element zur Kommutierung leitend geschaltet werden. Hierbei kann eine beim Nicht-Leitend-Schalten eines Stranges in der Induktivität gespeicherte Energie I2 x L/2 sowohl in einen anderen, zu diesem Zeitpunkt leitend
geschalteten Strang als auch in einen Kondensator geleitet werden. Der Einschaltzeitpunkt, also der Zeitpunkt des Leitend-Schaltens, und der Ausschaltzeitpunkt, also der Zeitpunkt des Nicht-Leitend-Schaltens, bestimmt einen Stromverlauf in dem jeweiligen Strang. Anzustreben ist hierbei ein möglichst rechteck- oder trapezförmiger Verlauf, der vorzugsweise an einen Verlauf des Rotorfeldes angepasst ist. Wird mittels des Elements zur Steuerung ein Stromverlauf in den jeweiligen Strängen derart gesteuert, kann in vorteilhafter Weise eine hohe
Drehmomentendichte erreicht werden, wie sie z.B. mit Sinusfeldern und/oder -strömen nicht möglich ist.
Drehzahl und Drehmoment werden wie bei einer bekannten Gleichstrommaschine über Vorwahl von Spannung und Strom gesteuert. Wird, wie bei einem Elektrofahrzeug üblich, die Energie aus einer Fahr- oder Traktionsbatterie bezogen, kann die Antriebseinheit einen so genannten Gleichstromwandler umfassen, der eine Ausgangsspannung der Fahr- oder Traktionsbatterie auf eine gewünschte Spannung der Antriebseinheit wandelt. Hierbei kann für jedes mittels einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit angetriebene Rad ein eigener Gleichstromwandler verwendet werden. Hierbei ergibt sich in vorteilhafter Weise eine größtmögliche Flexibilität bei einer Erzeugung fahrdynamischer Effekte für das mittels mehrerer Antriebseinheiten
angetriebene Fahrzeug. Jedoch ist es auch vorstellbar, nur einen Gleichstromwandler für ein mittels mehrerer erfindungsgemäßer Antriebseinheiten angetriebenes Fahrzeug vorzusehen. Weiter ist es möglich, den Antriebseinheiten gruppenweise jeweils einen Gleichstromwandler zuzuordnen, beispielsweise einen Gleichstromwandler für die Vorderräder und einen
Gleichstromwandler für die Hinterräder.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rades,
Fig. 2 eine erste perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Rades,
Fig. 3 eine zweite perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Rades,
Fig. 4 eine dritte perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Rades 1 ohne
Rotor,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Rotors, Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Stators und
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuerung des erfindungsgemäßen
Radnabenantriebs.
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Eigenschaften.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rades 1 dargestellt. Das Rad 1 ist hierbei ohne Reifen abgebildet. Das Rad 1 besteht aus einer Felge 2 und einer innerhalb des Rades 1 angeordneten Antriebseinheit 3. Die Felge 2 weist hierbei eine Felgennabe 4, einen nicht dargestellten Felgenkranz und einen ebenfalls nicht dargestellten Außenring auf. Die
Antriebseinheit 3 ist hierbei in einem vom Außenring eingeschlossenen Hohl- oder Innenraum angeordnet. Die Felge 2 ist hierbei mechanische starr mit einem Rotor 7 der Antriebseinheit 3 gekoppelt. Der Rotor 7 ist hierbei mittels eines ersten Kugellagers 8 drehbar auf einer zentralen Welle 9 angeordnet. Das erste Kugellager 8 ist hierbei radaußenseitig auf der zentralen Welle 9 angeordnet. Die zentrale Welle 9 dient hierbei zur Befestigung des Rades 1 z.B. an einer Radaufhängung eines nicht dargestellten Fahrzeuges. Eine zentrale Längsachse 10 bildet hierbei eine zentrale Rotationsachse des Rades 1 und des Rotors 7. Die Antriebseinheit 3 ist , hierbei rotationssymmetrisch zur zentralen Längsachse 10 aufgebaut, wobei ein Schwerpunkt auf der zentralen Längsachse 10 liegt. Radinnenseitig weist die zentrale Welle 9 in Fig. 2 dargestellte Öffnungen 45 von nicht dargestellten Fluidleitungen auf, deren Funktion
nachfolgend näher erläutert wird. Auch weist die zentrale Welle 9 an einer Innenseite des Rades 1 Öffnungen oder Anschlüsse 1 1 für Leitungen zur Energieversorgung auf. Hierdurch kann die Antriebseinheit mit Energie versorgt werden.
Ein Stator 12 ist mechanisch starr auf der zentralen Welle 9 angeordnet. Der Stator 12 umfasst hierbei einen Statorträger 13. Weiter weist der Stator maändrierende Kühlkanäle 14 auf, die möglichst nahe an einer Statorwicklung 15 angeordnet sind. Weiter weist der Stator 12 die Statorwicklung 15 und in Fig. 4 dargestellte Statorzähne 16 auf, wobei die Statorwicklung 15 in einer Nut 46 (siehe Fig. 4) zwischen den Statorzähnen 16 angeordnet ist. Die Fluidleitungen dienen hierbei einer Zu- und Abführung eines Fluids zu den Kühlkanälen 14. Hierzu können die Fluidleitungen beispielsweise einen L-förmigen Verlauf aufweisen. Ein erster Schenkel des L- förmigen Verlaufs verläuft z.B. parallel zur zentralen Längsachse 10, wobei dieser erste
Schenkel auch die nicht dargestellte Öffnung zur Innenseite des Rades 1 hin aufweist. Ein zweiter Schenkel des L-förmigen Fluidkanals verläuft senkrecht zur zentralen Längsachse 10 innerhalb des Statorträgers 13 zu von der zentralen Welle 9 hin zu den Kühlkanälen 14. Das erste Kugellager 8 weist einen fest auf der zentralen Welle angeordneten Innenring 19 und einen im Querschnitt T-förmigen Außenring 20 auf. Der Außenring weist einen Querbalken parallel zur zentralen Längsachse 10 und einen Fuß senkrecht zur zentralen Längsachse 10 auf. An einer radaußenseitigen Fläche des Fußes des Außenringes 20 ist der Rotor 7 mechanisch starr befestigt.
Der Stator 12 bildet hierbei mit dem Außenring 20 und dem Rotor 7 einen Hohlraum 17 aus, der z.B. dicht gegenüber Feuchtigkeit oder Schmutz ist. Innerhalb dieses Hohlraums 17 sind hierbei schematisch dargestellte Elemente 18 zur Steuerung, beispielsweise Steuergeräte, und
Elemente 18 zur Energieversorgung der Gleichstrommaschine, beispielsweise
Gleichstromwandler, angeordnet. Diese sind mechanisch fest mit dem Stator 12, beispielsweise mit dem Statorträger 13, verbunden.
Weiter sind Kanäle 57 dargestellt, durch die durch Öffnungen oder Anschlüsse 1 1 in den Stator 12 eingeführte Leitungen zur Energieversorgung zu z.B. in Fig. 3 dargestellten Elementen 18 zur Steuerung und Energieversorgung geführt werden können.
Der Rotor 7 besteht aus einem Rotorgehäuse 21 , welches wiederum aus einem ersten
Abschnitt 22 des Rotorgehäuses 21 und einem zweiten Abschnitt 23 des Rotorgehäuses 21 besteht. Der erste Abschnitt 22 ist hierbei im Wesentlichen L-förmig ausgebildet, wobei ein radaußenseitig angeordneter Schenkel 24 des ersten Teils 22 des Rotorgehäuses 21 im
Wesentlichen senkrecht zur zentralen Längsachse 10 verläuft. Ein radumfangseitiger Schenkel 25 des ersten Abschnitts 22 des Rotorgehäuses 21 verläuft parallel zur zentralen Längsachse 10 und ist mit einem vorbestimmten Abstand von dieser beabstandet. Der radumfangsseitige Schenkel 25 weist hierbei an einer Innenseite des radumfangsseitigen Schenkels 25
angeordnete Permanentmagnete 26 auf. Eine Oberfläche der Permanentmagnete 26 ist hierbei den statorseitigen Statorwicklungen 15 und Statorzähnen 16 zugewandt und durch einen Luftspalt 27 von diesen beabstandet. Durch den Luftspalt 27 wechselwirken das durch die Permanentmagnete 26 erzeugte Rotorfeld und das durch die Statorwicklungen 15 erzeugte Statorfeld. Am radinnenseitigen Ende des radumfangsseitigen Schenkels 25 weist das
Rotorgehäuse einen dritten Abschnitt 28 auf, welcher den ersten Abschnitt 22 und den zweiten Abschnitt 23 miteinander verbindet. Dieser dritte Abschnitt 28 ist als Wellrohr ausgebildet und weist im Querschnitt einen S-förmigen Verlauf auf. In Fig. 1 ist dargestellt, dass der dritte Abschnitt einteilig mit dem ersten Abschnitt 22 ausgebildet ist und mittels einer Schraube 29 mit dem zweiten Abschnitt 23 mechanisch verbunden ist. Selbstverständlich ist jedoch auch vorstellbar, dass der dritte Abschnitt 28 als von dem ersten und zweiten Abschnitt 22, 23 separates Bauteil ausgebildet sein kann. Der zweite Abschnitt 23 des Rotorgehäuses 21 weist im Querschnitt einen ersten L-förmigen Teil und einen daran angeschlossenen zweiten L-förmigen Teil auf. Ein erster Schenkel 30 des ersten Teils verläuft hierbei senkrecht zur zentralen Längsachse 10, wobei ein
radumfangsseitiges Ende des ersten Schenkels mittels der Schraube 29 mit einem
radinnenseitigen Ende des dritten Abschnitts mechanisch verbunden ist. An ein dem
radumfangseitigen Ende des ersten Schenkels entgegengesetztem Ende schließt sich ein zweiter Schenkel 31 des ersten Teils an, der parallel von einer Radinnenseite 32 hin zu einer Radaußenseite 33 parallel zur zentralen Längsachse 10 verläuft. Ein erster Schenkel 34 des zweiten Teils schließt sich an ein der Radaußenseite zugewandtes Ende des zweiten
Schenkels 31 des ersten Teils an und verläuft senkrecht zur zentralen Längsachse 10 hin zu dieser. An diesen ersten Schenkel 34 schließt sich wiederum ein zweiter Schenkel 35 des zweiten Teils an, der parallel zur zentralen Längsachse 10 hin zur Radinnenseite 32 verläuft.
Hierbei ist der zweite Schenkel 35 fest mit einem Außenring 40 eines zweiten Kugellagers 41 verbunden. Ein Innenring 42 des zweiten Kugellagers 41 ist fest auf der zentralen Welle 9 angeordnet, wobei das zweite Kugellager 41 mit einem vorbestimmten Abstand entlang der zentralen Längsachse 10 von einer Radaußenseite 33 hin zu einer Radinnenseite 32 von dem ersten Kugellager 8 beabstandet ist. Hierbei ist dargestellt, dass ein Dichtring 43 benachbart zum zweiten Kugellager 41 auf der zentralen Welle 9 angeordnet ist, wobei der Dichtring 43 ein vom ersten Kugellager 8, vom ersten, zweiten und dritten Abschnitt 21 , 28, 23 und vom zweiten Kugellager 41 eingeschlossenen Innenraum dicht gegenüber Feuchtigkeit und Schmutz abschließt. In diesem Innenraum ist der Stator 12 angeordnet.
Radinnenseitig ist eine Radabdeckung 37 angeordnet, die mechanisch starr mit der zentralen Welle 9 verbunden, also rotationsfest, ist. Der zweite Schenkel 31 des ersten Teils des zweiten Abschnitts 23, der erste Schenkel 34 und der zweite Schenkel 35 des zweiten Teils des zweiten Abschnitts 23 sowie die Radabdeckung 37 schließen hierbei einen Hohlraum 38 ein. In diesem Hohlraum 38 ist eine Trommelbremse 39 angeordnet. Die Trommelbremse 39 weist einen nicht dargestellten Bremsschuh auf, der beim Bremsen an eine der zentralen Welle 9 zugewandte Oberfläche des zweiten Schenkels 31 des ersten Teils des zweiten Abschnitts 23 gedrückt wird.
Der dritte Abschnitt 28, also das Wellrohr, verhindert eine Wärmeübertragung von durch das Bremsen im zweiten Abschnitt 23 erzeugter Wärmeenergie zum ersten Abschnitt 21. Hierfür ist der dritte Abschnitt 28 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Durch den S-förmigen Verlauf weist der dritte Abschnitt 28 auch eine große Oberfläche zur Abgabe von Wärmeenergie mittels Wärmekonvektion auf. Hierbei gibt der dritte Abschnitt 28 einen Großteil der Wärmeenergie an Luft ab. Der dritte Abschnitt dient jedoch nicht allein einer Verhinderung einer Wärmeübertragung, sondern muss auch eine Kraft bzw. ein Moment vom ersten Abschnitt 22 auf den zweiten Abschnitt 23 (Antrieb) oder vom zweiten Abschnitt 23 auf den ersten Abschnitt (Bremsen) übertragen. Dies Ausbildung des dritten Abschnitts 28 als Wellrohr mit einem S-förmigen Querschnitt ermöglicht ein vorteilhafter Weise eine sichere mechanische Kopplung von ersten und zweiten Abschnitt 22, 23 bzw. eine sichere Übertragung von gewünschten
Kräften/Momenten.
Weiter ist eine Außenfläche eines Teils des Statorträgers 13, welcher die maändrierende Kühlkanäle 14 aufweist, parallel zu einem Teil der radumfangsseitigen Oberfläche des zweiten Schenkels 31 des ersten Teils des zweiten Abschnitts 23 angeordnet und mit einem
vorbestimmten Abstand von der radumfangsseitigen Oberfläche beabstandet. Hierbei verläuft die Außenfläche bzw. die Oberflächen parallel zur zentralen Längsachse 9.
Auch eine Außenfläche eines weiteren Statorteils 44 des Stators 13, welcher thermisch mit dem Teil des Statorträgers 13, welcher die maändrierende Kühlkanäle 14 aufweist, gekoppelt ist, ist parallel zu einer der Radaußenseite 33 zugewandten Oberfläche des ersten Schenkels 30 des ersten Teils des zweiten Abschnitts 23 angeordnet und mit einem vorbestimmten Abstand von der der Radaußenseite 33 zugewandten Oberfläche des ersten Schenkels 30 beabstandet. Hierbei verlaufen die Außenfläche bzw. die Oberfläche senkrecht zur parallelen Längsachse 9.
Die vorbestimmten Abstände müssen hierbei eine gefahrenlose Rotation des Rotors 7 um den Stator 3 ermöglichen, sollten jedoch so klein wie hierfür möglich gewählt werden.
Durch geringe Abstände kann eine Wärmekonvektion vom zweiten Abschnitt 23 hin zu durch die Kühlkanäle direkt oder mittels thermischer Kopplung gekühlten Abschnitte des Stators 3 erfolgen. Dies ermöglicht eine verbesserte Kühlung und Abfuhr von aus Bremsenergie resultierender Wärmeenergie.
In Fig. 2 ist eine erste perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Rades 1 dargestellt. Hierbei sind insbesondere die Öffnungen 45 der zentralen Welle 9 für Fluidleitungen an einer Radinnenseite 32 dargestellt. Weiter wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der Stator 3, der Rotor 7, der erste Abschnitt 22, der zweite Abschnitt 23, der dritte Abschnitt 28, die Schraube 29, die Radinnenseite 32, die Radaußenseite 33 und die Radabdeckung 37 mit Bezugszeichen bezeichnet.
In Fig. 3 ist eine zweite perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Rades 1 dargestellt. Hierbei sind insbesondere die Felgennabe 4 und die Elemente 18 zur Steuerung und Energieversorgung dargestellt. Weiter wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der Stator 3, der Rotor 7, das Rotorgehäuse 21 , der erste Abschnitt 22, der zweite Abschnitt 23, der dritte Abschnitt 28, die Schraube 29, die Radinnenseite 32, die Radaußenseite 33 und die
Radabdeckung 37 mit Bezugszeichen bezeichnet.
In Fig. 4 ist eine dritte perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Rades 1 ohne Rotor dargestellt. Hierbei sind insbesondere die Statorzähne 16 und die zwischen den Statorzähnen 16 ausgebildeten Nuten 46 dargestellt. Weiter wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der Stator 3, die zentrale Welle 9, der Außenring 20 des ersten Kugellagers 8 (siehe Fig. 1), die Elemente 18 zur Steuerung und Energieversorgung, die Radinnenseite 32 und die
Radaußenseite 33 mit Bezugszeichen bezeichnet.
Die in Fig. 1 bis Fig. 4 dargestellte Ausführungsform zeigen, dass alle Elemente des
erfindungsgemäßen Radnabenantriebs möglichst kompakt innerhalb eines von Rotorgehäuse 21 und Radabdeckung 37 eingeschlossenen Hohlraums angeordnet sein können. Insbesondere weist der Radnabenantrieb keinerlei aus diesem Hohlraum herausragenden Elemente auf, die z.B. beim Einparken mit einem Bordstein kollidieren könnten.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotors 7. Hierbei ist ein Rotorgehäuse 21 mit einem ersten Abschnitt 22 und einem dritten Abschnitt 28 dargestellt. Der zweite Abschnitt 23, der z.B. in Fig. 1 dargestellt ist, ist in Fig. 5 nicht dargestellt. Weiter sind Permanentmagnete 26 dargestellt. Die Permanentmagnete weisen eine Breite B1 in Umfangsrichtung des Rotors 7 auf, welcher ein Mehrfaches aus der Summe einer Nutbreite und einer Zahnbreite in
Umfangsrichtung beträgt. Weiter beträgt ein Abstand A1 zwischen den in Umfangsrichtung des Rotors 7 benachbarten Permanentmagneten 26 das einfache der Summe der Nutbreite und der Zahnbreite. Weiter bezeichnet ist auch eine Breite B2 der Permanentmagnete 26 senkrecht zur Umfangsrichtung des Rotors 7 dargestellt.
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Stators 12. Hierbei sind insbesondere ein
Statorträger 12, eine Statorwicklung 15, maändrierende Kühlkanäle 14, eine Radaußenseite 33 und eine Radinnenseite 32 und Kanäle 57 dargestellt. Hierbei ist dargestellt, dass
ausschließlich der Statorträger 13 die maändrierenden Kühlkanäle 14 aufweist. Ein weiterer Kühlkanal 59 wird jedoch von dem Statorträger 13 und einem zwischen dem Statorträger 13 und den Statorwicklungen 15 angeordneter Statorteil 58 ausgebildet. Hierbei ist dieser
Kühlkanal 58 an einem radinnenseitigen Ende des Statorträgers 13 und des Statorteils 58 ausgebildet. Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuerung des erfindungsgemäßen Radnabenantriebs. Hierbei sind zwei so genannte H-Schaltungen 47 dargestellt, deren Schenkel jeweils aus zwei in Serie geschalteten MOSFET 48 bestehen, wobei zu den
MOSFETs 48 wiederum Freilaufdioden 49 parallel geschaltet sind. Der Verbindungsteil der beiden Schenkel ist jeweils zwischen den MOSFETs 48 angeschlossen und bildet einen Strang 50 der Statorwicklung 15 (siehe Fig. 1). Eine radseitig angeordnete Recheneinheit 51steuert einen ebenfalls radseitig angeordneten Gleichstromwandler 52. Dieser wandelt eine
Ausgangsspannung einer Fahrzeugbatterie 53, die fahrzeugseitig angeordnet ist, in eine Zwischenkreisspannung, die an einem Zwischenkreiskondensator 54 anliegt. Ein
Kommutierungsrechner 56 wertet Ausgangssignale eines Hall-Sensors 55 aus, der eine Stärke und Feldrichtung eines Rotorfeldes über dem jeweiligen Strang 50 erfasst. In Abhängigkeit dieses Ausgangssignale steuert der Kommutierungsrechner 56 die MOSFET 48, wodurch ein Stromfluss durch die Stränge 50 gesteuert wird. Hierbei ist nur ein Hall-Sensor 55 dargestellt. Hierbei kann aus einer Drehzahl, die z.B. mittels eines nicht dargestellten Drehzahlsensors erfasst wird, und einer Geometrie des Rotors und Stators berechnet werden, in welchem Zeitraum das vom Hall-Sensor erfasste Rotorfeld sich über den nachfolgenden Strang 50 bewegt. Somit kann in Abhängigkeit dieser Information ein Stromfluss durch den nicht mit einem Hall-Sensor 55 ausgestatteten Strang 50 gesteuert werden.
Bezugszeichenliste
Rad 32 Radinnenseite
Felge 33 Radaußenseite
Antriebseinheit 34 erster Schenkel
Felgennabe 35 zweiter Schenkel
Rotor 37 Radabdeckung
erstes Kugellager 38 Hohlraum
zentrale Welle 39 Trommelbremse zentrale Längsachse 40 Außenring
Anschlüsse 41 zweites Kugellager
Stator 42 Innenring
Statorträger 43 Dichtring
Kühlkanäle 44 weiterer Statorteil
Statorwicklung 45 Öffnungen
Statorzähne 46 Nut
Hohlraum 47 H-Schaltung
Elemente zur Steuerung und 48 MOSFET
Energieversorgung 49 Freilaufdiode
Innenring 50 Strang
Außenring 51 Recheneinheit
Rotorgehäuse 52 Gleichstromwandler erster Abschnitt 53 Fahrzeügbatterie zweiter Abschnitt 54 Zwischenkreiskondensator
Schenkel 55 Hall-Sensor
Schenkel 56 Kommutierungsrechner
Permanentmagnete 57 Kanäle
Luftspalt 58 Statorteil
dritter Abschnitt 59 Kühlkanal
Schraube B1 Breite
erster Schenkel B2 Breite
zweiter Schenkel A1 Abstand

Claims

Patentansprüche
1) Antriebseinheit (3) für eine Fahrzeugrad (1), wobei die Antriebseinheit (3)
eine Elektromaschine mit einem Stator (12) und einem Rotor (7), eine zentrale Welle (9), mindestens ein erstes Radlager (8) und mindestens eine Bremsvorrichtung umfasst, wobei der Stator (12) koaxial zur zentralen Welle (9) angeordnet und auf dieser befestigt ist,
wobei der Rotor (7) koaxial zur zentralen Welle (9) und mittels des mindestens ersten Radlagers (8) um den Stator (12) herum drehbar gelagert ist,
wobei der Rotor (8) ein Rotorgehäuse (21) aufweist,
wobei an einem ersten Abschnitt (22) des Rotorgehäuses (21) in Umfangsrichtung des Rotors (7) 2p Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit jeweils wechselnder Polarität angeordnet sind,
wobei ein zweiter Abschnitt (23) des Rotorgehäuses (21) als mit der Bremsvorrichtung zusammenwirkende Bremsfläche ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektromaschine eine Gleichstrommaschine ist und der erste und zweite Abschnitt (22, 23) des Rotorgehäuses (21) mittels eines dritten Abschnitts (28) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei der dritte Abschnitt (28) eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten und dem ersten Abschnitt (22, 23) verhindert oder reduziert.
2) Antriebseinheit (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12)
Abschnitte zur fluid-basierten Kühlung aufweist.
3) Antriebseinheit (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil einer Außenfläche des Abschnitts zur fluid-basierten Kühlung parallel zu einer
Außenfläche des zweiten Abschnitts (23) des Rotorgehäuses (21) mit einem
vorbestimmten Abstand angeordnet sind.
4) Antriebseinheit (3) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rotor (7) zusätzlich mittels eines zweiten Radlagers (41) drehbar um den Stator (12) gelagert ist, wobei das zweite Radlager (41) entlang einer zentralen Längsachse (10) der zentralen Welle (9) versetzt zum ersten Radlager (8) angeordnet ist. 5) Antriebseinheit (3) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die zentrale Welle (9) als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei die Hohlwelle Mittel zur Zuleitung eines Kühfluids und/oder Mittel zur Zuführung elektrischer Leitungen umfasst.
6) Antriebseinheit (3) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine dem ersten Abschnitt (22) des Rotorgehäuses (21 ) zugewandte Außenseite des Stators (12) abwechselnd Nuten (46) und Statorzähne (16) aufweist, wobei eine von den, vom jeweiligen Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes überdeckten Zahnflächen, ausgebildete Gesamtfläche unabhängig von einem
Rotordrehwinkel konstant bleibt oder sich nur um einen vorbestimmten Betrag ändert.
7) Antriebseinheit (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Umfangsrichtung des Rotors (7) das ein- oder mehrfache aus der Summe einer Nutbreite und einer Zahnbreite in
Umfangsrichtung beträgt und/oder der Magnetabstand zwischen den in
Umfangsrichtung des Rotors (7) benachbarten Mitteln zur Erzeugung eines
Magnetfeldes das ein- oder mehrfache aus der Summe der Nutbreite und der Zahnbreite beträgt.
8) Antriebseinheit (3) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Stator (12) einen Hohlraum (17) ausbildet und in diesem Hohlraum (17) Elemente (18) zur Steuerung und/oder zur Energieversorgung der Gleichstrommaschine angeordnet sind.
9) Fahrzeugrad (1), wobei das Fahrzeugrad (1) mindestens eine Felge (2) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebseinheit (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 vollständig innerhalb des Felgeninnenraums angeordnet ist, wobei der Rotor (7) der Gleichstrommaschine mechanisch mit der Felge (2) verbunden ist.
10) Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeugrades (1) mittels einer Antriebseinheit (3) gemäß einer der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit die Gleichstrommaschine steuert, wobei der Rotor (7) der Gleichstrommaschine
mechanisch mit einer Felge (2) des Fahrzeugrades (1) verbunden ist.
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