WO2021078664A1 - Steer-by-wire-lenksystem mit feedback-aktuator aufweisend eine magnetische getriebekupplung - Google Patents

Steer-by-wire-lenksystem mit feedback-aktuator aufweisend eine magnetische getriebekupplung Download PDF

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Szilard JAGASICS
Gergely RACZ
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Thyssenkrupp Presta Ag
Thyssenkrupp Ag
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    • H02K49/106—Magnetic couplings consisting of only two coaxial rotary elements, i.e. the driving element and the driven element with a radial air gap

Definitions

  • the present invention relates to a steer-by-wire steering system with the features of the preamble of claim 1.
  • the position of the steered wheels is not directly coupled to the steering input means, for example a steering wheel.
  • the driver's steering request is picked up by a steering angle sensor, and the position of the steered wheels is regulated via a steering actuator as a function of the driver's steering request.
  • a mechanical connection to the wheels is not provided, so that no immediate force feedback is transmitted to the driver after the steering wheel is operated.
  • FBA feedback actuator
  • Feedback actuators traditionally have a direct drive motor that is a permanent magnet synchronous motor that drives the load directly. As a result, no transmission or gearbox is required. Therefore, the number of moving parts in the system can be significantly reduced, what increases efficiency and ensures quiet and highly dynamic operation.
  • these electric motors require a lot of installation space to meet the high torque requirements. In order to generate the necessary torque, high currents are also required, which leads to high heat dissipation and a low efficiency of around 80%.
  • a steer-by-wire steering system for a motor vehicle comprising a steering shaft and a feedback actuator acting on the steering shaft
  • the feedback actuator having an electric motor having a first rotor and a stator surrounding the first rotor
  • a Gearbox with magnetic torque clutch is integrated into the electric motor
  • the gearbox having a second rotor surrounding the first rotor and a stationary component surrounding the second rotor with a number of pole pairs, and wherein the stationary component lies within the stator.
  • the stationary component is preferably circular-cylindrical or ring-shaped. It can be designed as a ring magnet or with magnet segments, for example. It is also conceivable that the stator iron is tooth-shaped on the inside, so that the teeth and the magnets of the stationary component alternate.
  • the elements transmitting the torque do not touch, do not have to be lubricated and are not subject to wear.
  • a power transmission is possible if the forces acting due to the application of torque are less than the are magnetic interaction forces between input and output shaft.
  • Another advantage is that in the event of an overload, the power transmission is completely but temporarily disconnected and the connection is automatically restored after the overload has ended.
  • magnetic torque clutches have the advantage that they show more than 99% efficiency at full load and have a much higher part-load efficiency than mechanical transmissions.
  • the electric motor is also particularly compact because the gearbox is integrated into the electric motor. Magnetic clutches produce less heat, which is why a cheaper electronic control unit can be used.
  • the concentric structure is also particularly space-saving.
  • the electric motor is preferably a permanent synchronous motor and the first rotor has internal permanent magnets (IPM) or surface-mounted permanent magnets (SPM) with a fixed number of permanent magnets and pole pairs.
  • the first rotor is a ring magnet.
  • the number of pole pairs of the second rotor is greater than the number of pole pairs of the first rotor and the transmission thus operates as a reduction gear.
  • the second rotor preferably carries ferromagnetic pole pieces which cause the magnetic fields of the first rotor and the stationary ring magnet to interact.
  • the first rotor has two pairs of poles and the stationary ring magnet has at least 7 pairs of poles. It is preferred that the second rotor has at least 8 pole pieces, in particular steel pole pieces.
  • a rotation angle sensor can be designed in the form of a rotor position sensor which measures the position of the second rotor.
  • the second rotor is preferably connected directly to the steering shaft in a rotationally fixed manner. But it can also be used indirectly with the steering shaft Rotary element, for example, be connected via a torsion bar or a rubberized coupling.
  • FIG. 2 a schematic view of a feedback actuator, as well as
  • a steer-by-wire steering system 1 is shown in FIG.
  • a rotation angle sensor (not shown) is attached to a steering shaft 2 and detects the driver's steering angle applied by rotating a steering input means 3, which is designed as a steering wheel in the example. However, a steering torque can also be recorded.
  • a joystick can serve as a steering input means.
  • a feedback actuator 4 is attached to the steering shaft 2, which serves to simulate the reactions from the roadway 5 to the steering wheel 3 and thus to give the driver feedback on the steering and driving behavior of the motor vehicle.
  • An electric steering actuator 6, which controls the position of the steered wheels 7, is activated as a function of the signal from the angle of rotation sensor and other input variables.
  • the steering actuator 6 acts indirectly on the steered wheels 7 via a steering rod steering gear 8, such as a rack and pinion steering gear, and via tie rods 9 and other components.
  • a steering shaft 2 is shown schematically in FIG. 2, which is connected at one end to a steering wheel 3 and which can be driven at its other end by means of a feedback actuator 4.
  • the feedback actuator 4 has an electric motor (not shown) and a transmission which transmits the torque made available by the electric motor to the steering shaft 2 by means of magnetic torque transmission.
  • the electric motor 10 is shown in detail with integrated gear 11 with magnetic torque clutch in section.
  • the electric motor 10 is a permanent synchronous motor having a 12-pole stator 12 with stator poles 13 separated by grooves, which carry stator windings, and a four-pole first rotor 14 with two pole pairs 15.
  • the first rotor 14 carries permanent magnets.
  • the first rotor 14 is surrounded by the stator 12.
  • the first rotor 14 is a ring magnet.
  • the transmission 11 is a magnetic clutch that is integrated into the electric motor 10 and that translates the speed of the first rotor 14 to slow speed so that a speed of a second rotor 16 is lower than that of the first rotor 14.
  • the second rotor 16 surrounds the first rotor 14 circumferentially.
  • the second rotor 16 has 8 ferromagnetic pole pieces 17, in particular steel pole pieces, which are uniformly spaced in the circumferential direction.
  • the second rotor 16 is in turn surrounded on the circumferential side by a stationary ring magnet 18 which has 7 pole pairs which are formed by means of permanent magnets 19.
  • the pole pieces 17 of the second rotor 16 have the effect that the fields of the permanent magnets (first rotor 14 and fixed ring magnet 16) can interact in a targeted manner.
  • the pole pieces 17 act as magnetic flux conductors and generate harmonics in the magnetic field.
  • the transmission ratio is the ratio of the number of pole pairs on the outer rotor 16 to the number of pole pairs on the inner rotor 14 and thus 10.5: 1 for the exemplary embodiment shown.
  • the magnetic gear 11 has an efficiency of over 99%.
  • the electric motor 10 with integrated, magnetic torque transmission is very compact.
  • a torque of 30 Nm can be achieved, for example, with an electric motor that is 3 cm long and 14 cm in diameter, which is significantly smaller than conventional direct drive motors.
  • the angle of rotation sensor of the steering system is preferably designed as a rotor position sensor of the second rotor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steer-by-Wire-Lenksystem (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Lenkwelle (2) und einen auf die Lenkwelle (2) wirkenden Feedback-Aktuator (4), wobei der Feedback-Aktuator (4) einen Elektromotor (10) aufweisend einen ersten Rotor (14) und einen den ersten Rotor (14) umgebenden Stator (12) aufweist, wobei ein Getriebe (11) mit magnetischer Drehmomentkupplung in den Elektromotor (10) integriert ist, wobei das Getriebe (11) einen den ersten Rotor (14) umgebenden zweiten Rotor (16) und ein den zweiten Rotor (16) umgebendes, feststehendes Bauteil (18) mit einer Anzahl an Polpaaren aufweist, wobei das feststehende Bauteil (18) innerhalb des Stators (12) liegt.

Description

Steer-by-Wire-Lenksystem mit Feedback-Aktuator aufweisend eine magnetische Getriebekupplung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei Steer-by-Wire-Lenksystemen ist die Stellung der gelenkten Räder nicht direkt mit dem Lenkeingabemittel, beispielsweise einem Lenkrad, gekoppelt.
Es besteht eine Verbindung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern über elektrische Signale. Der Fahrerlenkwunsch wird von einem Lenkwinkelsensor abgegriffen, und in Abhängigkeit von dem Fahrerlenkwunsch wird über einen Lenksteller die Stellung der gelenkten Räder geregelt. Eine mechanische Verbindung zu den Rädern ist nicht vorgesehen, sodass nach Betätigung des Lenkrads keine unmittelbare Kraft-Rückmeldung an den Fahrer übermittelt wird. Um bei Steer-by-Wire-Lenkungen die Rückwirkungen der Straße auf das Lenkrad zu simulieren, ist es notwendig, am Lenkrad oder der Lenksäule einen Feedback-Aktuator (FBA) vorzusehen, welcher in Abhängigkeit von den gewünschten Rückwirkungen der Lenkhandhabe ein Lenkgefühl aufprägt.
Feedback-Aktuatoren weisen herkömmlicherweise einen Direktantriebsmotor auf, der ein Permanentmagnet-Synchronmotor ist, der die Last direkt antreibt. Folglich ist eine Übertragung oder ein Getriebe nicht erforderlich. Daher kann die Anzahl der bewegenden Teile im System erheblich reduziert werden, was die Effizienz steigert und einen leisen und hochdynamischen Betrieb gewährleistet. Diese Elektromotoren benötigen allerdings viel Bauraum um den hohen Drehmomentanforderungen zu genügen. Um das notwendige Drehmoment zu erzeugen werden zudem hohe Ströme benötigt, was zu einer hohen Wärmeableitung und zu einer geringen Effizienz von etwa 80% führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Steer-by-Wi re -Lenksystem mit einem Feedback-Aktuator anzugeben, der kompakter ist und eine höhere Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird von einem Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
Demnach ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Lenkwelle und einen auf die Lenkwelle wirkenden Feedback-Aktuator vorgesehen, wobei der Feedback-Aktuator einen Elektromotor aufweisend einen ersten Rotor und einen den ersten Rotor umgebenden Stator aufweist, und wobei ein Getriebe mit magnetischer Drehmomentkupplung in den Elektromotor integriert ist, wobei das Getriebe einen den ersten Rotor umgebenden zweiten Rotor und ein den zweiten Rotor umgebendes, feststehendes Bauteil mit einer Anzahl an Polpaaren aufweist, und wobei das feststehende Bauteil innerhalb des Stators liegt.
Vorzugsweise ist das feststehende Bauteil kreiszylindrisch bzw. ringförmig. Es kann beispielsweise als Ringmagnet oder mit Magnetsegmenten ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass das Statoreisen auf der Innenseite zahnförmig ausgebildet ist, so dass sich die Zähne und die Magnete des feststehenden Bauteils abwechseln.
Gegenüber mechanischen, mit Zahnrädern oder dergleichen arbeitenden Getrieben ist als vorteilhaft anzusehen, dass sich die das Drehmoment übertragenden Elemente nicht berühren, nicht geschmiert werden müssen und keinem Verschleiß unterliegen. Eine Kraftübertragung ist möglich, falls die durch die Drehmomentbeaufschlagung wirkenden Kräfte geringer als die magnetischen Wechselwirkungskräfte zwischen An- und Abtriebswelle sind. Ein weiterer Vorteil besteht somit darin, dass bei einer Überlastung eine vollständige, jedoch vorübergehende Trennung der Kraftübertragung erfolgt und die Verbindung nach Beendigung der Überlastung selbständig wiederhergestellt wird. Zudem haben magnetische Drehmomentkupplungen den Vorteil, dass sie mehr als 99% Effizienz bei voller Belastung zeigen und einen viel höheren Teillastwirkungsgrad als mechanische Getriebe aufweisen. Der Elektromotor ist zudem besonders kompakt, weil das Getriebe in den Elektromotor integriert ist. Magnetische Kupplungen produzieren weniger Wärme, weshalb eine günstigere elektronische Steuereinheit eingesetzt werden kann. Der konzentrische Aufbau ist zudem besonders platzsparend.
Vorzugsweise ist der Elektromotor ein Permanentsynchronmotor und der erste Rotor weist interne Permanentmagnete (IPM) oder oberflächenmontierte Permanentmagnete (SPM) mit einer festen Anzahl an Permanentmagneten und Polpaaren auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Rotor ein Ringmanget.
Es ist vorteilhaft, wenn die Anzahl der Polpaare des zweiten Rotors größer ist als die Anzahl der Polpaare des ersten Rotors und das Getriebe somit als Untersetzungsgetriebe arbeitet.
Vorzugsweise trägt der zweite Rotor ferromagnetische Polstücke, die ein Zusammenwirken der magnetischen Felder des ersten Rotors und des feststehenden Ringmagneten bewirken.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Rotor zwei Polpaare und der feststehende Ringmagnet wenigstens 7 Polpaare auf. Dabei ist es bevorzugt, dass der zweite Rotor wenigstens 8 Polstücke aufweist, insbesondere Stahlpolstücke.
Ein Drehwinkelsensor kann in Form eines Rotorlagesensors ausgebildet sein, der die Lage des zweiten Rotors misst.
Der zweite Rotor ist bevorzugt unmittelbar mit der Lenkwelle drehfest verbunden. Er kann aber auch mittelbar mit der Lenkwelle über ein Drehelement, beispielsweise über einen Drehstab oder eine gummierte Kupplung verbunden sein.
Weiterhin ist ein Kraftfahrzeug mit einem zuvor beschriebenen Steer-by-Wire- Lenksystem vorgesehen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems,
Fig. 2: eine schematische Ansicht eines Feedback-Aktuators, sowie
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Elektromotors eines
Feedback-Aktuators mit integrierter, magnetischer Drehmomentkupplung.
In der Figur 1 ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem 1 gezeigt. An einer Lenkwelle 2 ist ein nicht dargestellter Drehwinkelsensor angebracht, welcher das durch Drehen eines Lenkeingabemittels 3, welches im Beispiel als Lenkrad ausgebildet ist, aufgebrachten Fahrerlenkwinkel erfasst. Es kann aber zusätzlich auch ein Lenkmoment erfasst werden. Als Lenkeingabemittel kann ein Joy-Stick dienen. Des Weiteren ist an der Lenkwelle 2 ein Feedback- Aktuator 4 angebracht, welcher dazu dient, die Rückwirkungen von der Fahrbahn 5 auf das Lenkrad 3 zu simulieren und somit dem Fahrer eine Rückmeldung über das Lenk- und Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs zu geben. In Abhängigkeit von dem Signal des Drehwinkelsensors sowie weiteren Eingangsgrößen wird ein elektrischer Lenksteller 6 angesteuert, welcher die Stellung der gelenkten Räder 7 steuert. Der Lenksteller 6 wirkt über ein Lenkstangen-Lenkgetriebe 8, wie beispielsweise einem Zahnstangen- Lenkgetriebe, sowie über Spurstangen 9 und anderen Bauteilen mittelbar auf die gelenkten Räder 7. In Figur 2 ist schematisch eine Lenkwelle 2 dargestellt, die an ihrem einen Ende mit einem Lenkrad 3 verbunden ist und die an ihrem anderen Ende mittels eines Feedback-Aktuators 4 antreibbar ist. Der Feedback-Aktuator 4 weist einen nicht dargestellten Elektromotor und ein Getriebe auf, welches das vom Elektromotor zur Verfügung gestellte Drehmoment mittels magnetischer Drehmomentübertragung auf die Lenkwelle 2 überträgt.
In Figur 3 ist im Detail der Elektromotor 10 mit integriertem Getriebe 11 mit magnetischer Drehmomentkupplung im Schnitt dargestellt. Der Elektromotor 10 ist ein Permanentsynchronmotor aufweisend einen 12-poligen Stator 12 mit durch Nuten getrennten Statorpolen 13, die Statorwicklungen tragen, sowie einem vierpoligen ersten Rotor 14 mit zwei Polpaaren 15. Der erste Rotor 14 trägt Permanentmagnete. Der erste Rotor 14 ist von dem Stator 12 umgeben. Der erste Rotor 14 ist ein Ringmanget. Das Getriebe 11 ist eine magnetische Kupplung, die in den Elektromotor 10 integriert ist und die die Drehzahl des ersten Rotors 14 ins Langsame übersetzt, so dass eine Drehzahl eines zweiten Rotors 16 kleiner ist als jene des ersten Rotors 14. Der zweite Rotor 16 umgibt den ersten Rotor 14 umfangseitig. Er ist mit der Lenkwelle drehfest verbunden und liegt innerhalb des Stators 12. Der zweite Rotor 16 weist 8 in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete ferromagnetische Polstücke 17, insbesondere Stahlpolstücke auf. Der zweite Rotor 16 ist wiederrum umfangsseitig von einem feststehenden Ringmagneten 18 umgeben, der 7 Polpaare aufweist, die mittels Permanentmagnete 19 gebildet sind. Die Polstücke 17 des zweiten Rotors 16 bewirken, dass die Felder der Permanentmagneten (erster Rotor 14 und feststehender Ringmagnet 16) gezielt Zusammenwirken können. Die Polstücke 17 wirken als magnetische Flussleiter und erzeugen Harmonische in dem Magnetfeld. Sie modulieren die Magnetfelder der Permanentmagnete, so dass sie derart Zusammenwirken, dass die Drehung des ersten Rotors 14 die Drehung des zweiten Rotors 16 in einer übersetzten Weise bewirkt. Das Übersetzungsverhältnis ist das Verhältnis der Anzahl der Polpaare am Außenrotor 16 zur Anzahl der Polpaare am Innenrotor 14 und somit für das gezeigte Ausführungsbeispiel 10,5:1.
Das magnetische Getriebe 11 hat eine Effizienz von über 99%. Der Elektromotor 10 mit integrierter, magnetischer Drehmomentübertragung ist sehr kompakt. 30Nm Drehmoment können beispielsweise mit einem Elektromotor erreicht werden, der 3 cm lang ist und einen Durchmesser von 14 cm hat, was deutlich kleiner ist als herkömmliche Direktantriebsmotoren.
Der Drehwinkelsensor des Lenksystems ist bevorzugt als Rotorlagesensor des zweiten Rotors ausgebildet.

Claims

Patentansprüche
1. Steer-by-Wire-Lenksystem (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Lenkwelle (2) und einen auf die Lenkwelle (2) wirkenden Feedback- Aktuator (4), wobei der Feedback-Aktuator (4) einen Elektromotor (10) aufweisend einen ersten Rotor (14) und einen den ersten Rotor (14) umgebenden Stator (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getriebe (11) mit magnetischer Drehmomentkupplung in den Elektromotor (10) integriert ist, wobei das Getriebe (11) einen den ersten Rotor (14) umgebenden zweiten Rotor (16) und ein den zweiten Rotor (16) umgebendes, feststehendes Bauteil (18) mit einer Anzahl an Polpaaren aufweist, wobei das feststehende Bauteil (18) innerhalb des Stators (12) liegt.
2. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Bauteil (18) kreiszylindrisch ist.
3. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Bauteil (18) ein Ringmagnet ist.
4. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) ein Permanentsynchronmotor und der erste Rotor (14) ist als IPM-Rotor oder SPM-Rotor mit einer Anzahl an Permanentmagneten und Polpaaren (15) ist.
5. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Polpaare des zweiten Rotors (16) größer ist als die Anzahl der Polpaare (15) des ersten Rotors (14).
6. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rotor (16) ferromagnetische Polstücke (17) trägt, die ein Zusammenwirken der magnetischen Felder des ersten Rotors (14) und des feststehenden Ringmagneten (18) bewirken.
7. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (14) zwei Polpaare (15) aufweist und der feststehende Ringmagnet (18) wenigstens 7 Polpaare aufweist.
8. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rotor (16) wenigstens 8 Polstücke aufweist, insbesondere Stahlpolstücke.
9. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehwinkelsensor in Form eines
Rotorlagesensors, die Lage des zweiten Rotors (16) misst.
10. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rotor (16) mit der Lenkwelle (2) drehfest verbunden ist.
11. Kraftfahrzeug mit einem Steer-by-Wire-Lenksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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