WO2023227297A1 - Elektrische maschine mit integrierter wirbelstrombremse - Google Patents

Elektrische maschine mit integrierter wirbelstrombremse Download PDF

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WO2023227297A1
WO2023227297A1 PCT/EP2023/060211 EP2023060211W WO2023227297A1 WO 2023227297 A1 WO2023227297 A1 WO 2023227297A1 EP 2023060211 W EP2023060211 W EP 2023060211W WO 2023227297 A1 WO2023227297 A1 WO 2023227297A1
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rotor
eddy current
brake
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Laszlo Boros
Simon Peter
Rainer Walter
Marcel Maier
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with at least one rotor which is mounted on a shaft. Furthermore, the invention relates to the use of the electric machine with at least one integrated eddy current brake as a central brake on a front axle and/or a rear axle of an electrically driven vehicle.
  • DE 21 2014000 218 Ul relates to a clutch device and a motor vehicle drive train.
  • An internal combustion engine and an electric machine with a stator and a rotor as well as a transmission device are accommodated in the drive train.
  • a clutch device is arranged in the drive train between the internal combustion engine on the one hand and the electric machine and the transmission device on the other hand.
  • An actuating device comprises an electric eddy current brake with a brake stator and a brake rotor, the brake stator having an inner stator with a central coil.
  • DE 10 2018 201 689 Al relates to a method for operating a brake system for a motor vehicle and a corresponding brake system.
  • the brake system has an eddy current brake that is mechanically coupled to at least one wheel of the motor vehicle in order to provide a braking force acting on the wheel.
  • An electric machine is mechanically coupled to the wheel or can be coupled to it and electrically connected to the eddy current brake. It is envisaged that the Eddy current brake in an emergency braking mode for braking the wheel is applied in parallel with energy provided by the electric machine operated as a generator and electrical energy taken from an energy storage device.
  • the DE 10 2012 210 130 relates to a wheel drive unit for a wheel of an electrically driven vehicle.
  • the wheel drive unit comprises an electrical machine which has a stator and a rotor rotatably mounted on the stator and an electronic control device for controlling the electrical machine and an eddy current brake, via which the rotor can be braked.
  • the eddy current brake means that no additional mechanical brake is required;
  • the supply and control are also carried out via the existing power electronics of the electrical machine.
  • the eddy current brake has a disk formed from a metallic material, which is connected to the rotor in a rotationally fixed manner, extends in the radial direction perpendicular to an axis of rotation of the rotor and in which eddy currents are generated for braking the rotor.
  • DE 10 2004 007 434 Al relates to an electric motor with a rotor, a stator and a shaft, which are arranged coaxially to a rotation axis and with an eddy current brake with at least one brake magnet.
  • the integration of an eddy current brake into an electrical machine instead of the usual external brake for braking a motor is realized by at least partially using components already present in the electrical machine.
  • the magnet of the eddy current brake is coupled to the rotor in a rotationally fixed manner and in particular comprises a magnetic ring which is arranged coaxially to the axis of rotation and is attached to the rotor via a support component.
  • the conductor of the eddy current brake is preferably formed by a stationary metal disc or a flange.
  • DE 10 2009 006 196 A1 is concerned with a vehicle axle, which in one embodiment is coupled to an electric machine and has an eddy current brake as a braking device.
  • Electrically powered vehicles brake primarily in a regenerative manner using the electric machine, which is operated in generator mode.
  • Hydraulically operated friction brakes are installed as in vehicles with combustion engines. This is due to the fact that when braking at high speed of the electrical machine, it is operated in the field weakening range. This means that at high vehicle speeds, the braking torque of the electric machine operated in generator mode is typically not sufficient for emergency braking. With regard to availability, in contrast to a hydraulic brake system, it cannot be assumed that the electric machine operated in generator mode will always be able to provide the required braking torque.
  • an electrical machine which has at least one disk-shaped rotor which is mounted on a shaft.
  • the at least one disk-shaped rotor is provided on one side with a brake disk of an eddy current brake.
  • the solution proposed according to the invention can in particular ensure that, on the one hand, an eddy current brake can be integrated into the electrical machine, i.e. H. this is assigned in the sense of a central brake, and on the other hand, the solution proposed according to the invention allows the at least one rotor to be used twice, for example in an electrical machine designed as an axial flux machine.
  • the rotor serves, on the one hand, as a brake disk for the at least one eddy current brake and, on the other hand, as a carrier for permanent magnets installed, for example, in an axial flux machine.
  • the eddy current brake is integrated into a housing of the electrical machine in the electrical machine proposed according to the invention.
  • installation space can be saved and a particularly compact unit consisting of an electrical machine and eddy current brake is obtained.
  • the electric machine proposed according to the invention is designed in such a way that the eddy current brake is directly opposite the brake disk within the housing on the at least one rotor of the electric machine.
  • An advantageous further development option for the electrical machine proposed according to the invention is that the eddy current brake has a plurality of coils distributed along its circumference, the coils each comprising a winding and an iron core. Depending on the number of coils arranged on the circumference of the eddy current brake, the braking torque that can be generated can be set or predetermined.
  • this includes coils and at least one return element assigned to them.
  • the brake disk on the back of the at least one rotor is designed with a disk thickness that is between 5 mm and 25 mm, preferably between 10 mm and 20 mm.
  • the brake disc is made from an electrically conductive and magnetically conductive material, such as gray cast iron.
  • the thermal properties of the brake disc can be adjusted via the disc thickness, i.e. H. it can be determined how much energy can be absorbed.
  • this electrical machine which is designed, for example, as an axial flux machine, can be provided with a first rotor and a second rotor, both of which are disk-shaped and each of which is assigned an eddy current brake.
  • a particularly compact design of an electrical machine designed, for example, as an axial flux machine is obtained, in which case the back sides of the two, essentially disk-shaped rotors serve as brake disks for eddy current brakes.
  • the electrical machine proposed according to the invention is provided with a first and a second rotor, which in the case of an axial flux machine have magnets, in particular permanent magnets, on their mutually facing sides.
  • coils of the electrical machine are arranged on the sides of the first and second rotors, which are designed in a disk shape.
  • the coils of the electrical machine each comprise a winding and an iron core.
  • the shaft of the electric machine is connected either via a transmission or directly to at least one front wheel and/or at least one rear wheel of an electrically driven vehicle.
  • the invention relates to the use of the electric machine with at least one integrated eddy current brake as a central brake on a front axle and/or a rear axle of an electrically driven vehicle.
  • the electric machine proposed according to the invention and the eddy current brake integrated into it make it possible to create a particularly compact central brake.
  • the electrical machine comprises at least one rotor, essentially designed in the shape of a disk, a number of magnets, which can be permanent magnets, for example.
  • the advantages of an electrical machine designed, for example, as an axial flux machine are a short design, which saves installation space, and a high torque density.
  • the back of at least one rotor of the electric machine is used as a brake disk, so that this component can be used twice, which means that significant savings can be achieved in the material that would otherwise have to be used and the weight that would otherwise result, as well as the costs that would otherwise have to be incurred.
  • the very short electrical machine can be accommodated in a housing, on the end faces of which, for example, an eddy current brake is housed, which interacts with a brake disc on the back of two rotors electric machine is arranged, the rotors being rotatably connected to the shaft of the electric machine.
  • Two eddy current brakes can therefore be integrated into a housing of an electrical machine without the housing length increasing significantly, so that a compact design is still possible.
  • its shaft can either be connected to at least one front wheel or one rear wheel of an electrically driven vehicle with the interposition of a transmission, or the electric machine, designed for example as an axial flow machine, can be connected directly to at least one on the front axle and / or a rear axle wheel installed on the driven vehicle.
  • the electrical machine proposed according to the invention with an integrated eddy current brake can, as already mentioned above, be designed, for example, as an axial flux machine which comprises a number of magnets, in particular permanent magnets.
  • the electrical machine as a magnet-free electrical machine, for example as an asynchronous machine, reluctance machine or electrically excited synchronous machine.
  • At least one eddy current brake can also be integrated into such types of electrical machines.
  • Figure 1 is a schematic representation of an electrically driven
  • Figure 1 shows an electrically driven vehicle 10, which includes a front axle 12 and a rear axle 38.
  • a left front wheel 14 and a right front wheel 16 are accommodated on the front axle 12, each of which is assigned a left wheel brake 18 and a right wheel brake 20.
  • the wheel brakes 18, 20 are conventional, hydraulically operated service brakes.
  • the electrically driven vehicle 10 further includes an eddy current brake 22, which is assigned to an electric machine 24. This is also assigned a gear 26, which includes an output 28.
  • the transmission 26 drives a differential gear 32 of a differential 30 via its output 28.
  • a first output shaft 34 extends to the side of the differential 30 to a left rear wheel 40 and a second output shaft 36 to a right rear wheel 42.
  • the two output shafts 34, 36 form the rear axle 38 of the electrically driven vehicle.
  • no service brakes are arranged on the rear axle 38 of the electrically driven vehicle 10 as shown in FIG.
  • the function of a central brake in relation to the rear axle 38 is taken over by the eddy current brake 22 assigned to the electric machine 24.
  • the electric machine 24 of the electrically driven vehicle 10 according to the schematic representation in Figure 1 is operated in motor mode via power electronics, not shown here; Furthermore, a braking torque is generated in the recuperation mode of the electric machine 24 by operating it in generator mode.
  • the gear 26, via which the differential 30 is driven, is not absolutely necessary.
  • the electrically driven vehicle 10 shown in Figure 1 is, for example, one in which the electrical machine 24 is designed in the form of an axial flux machine 48.
  • An axial flux machine 48 is characterized by a short design and a very high torque density.
  • the electrical machine 24 can alternatively also be a magnet-free electrical machine, such as an asynchronous machine, a reluctance machine or an electrically excited synchronous machine. A large number of machine types are therefore accessible to the solution proposed according to the invention.
  • the electrical machine 24 proposed according to the invention is described in more detail with reference to FIG. This is designed as an axial flow machine according to Figure 2.
  • the electrical machine 24 includes a housing 50.
  • the eddy current brake 22 is integrated into the housing 50 of the electrical machine 24, which is designed here as an axial flux machine 48.
  • At least a first rotor 58 is accommodated on a shaft 52 of the electrical machine 24, which is designed here as an axial flux machine 48.
  • Magnets, in particular permanent magnets 70, are arranged on one side of the first rotor 58 of the axial flux machine 48.
  • the brake disk 54 is designed with a disk thickness of 56.
  • the thickness of the brake disc 54 is in a range between 5 mm and 25 mm, preferably between 10 mm and 20 mm.
  • the thickness of the brake disc 54 is particularly relevant for its thermal properties, as it determines the thermal mass and therefore determines how much energy can be absorbed.
  • the disc thickness of the brake disc 54 is 15 mm.
  • the material from which the brake disc 54 is made is a material that is both electrically and magnetically conductive.
  • the speed range is set via the electrical conductivity. Gray cast iron, for example, offers optimal electrical conductivity.
  • Figure 2 can also be seen that the eddy current brake 22 integrated into the housing 50 of the axial flux machine 48 shown here as an example comprises a number of coils 62.
  • the coils 62 are arranged along the circumference of the eddy current brake 22 and each include a winding 64 which extends around an iron core 66 which accommodates the winding 64.
  • a return element 68 is assigned to the coils 62.
  • the end face of the eddy current brake 22 is located at a short distance from the end face of the brake disk 54, which is accommodated on the back of the first rotor 58.
  • the axial flux machine 48 shown here as an example according to the sectional view in Figure 2 also shows that a second rotor 60 is accommodated on the shaft 52 of the axial flux machine 48.
  • permanent magnets 70 are also arranged distributed around its circumference, the number of which corresponds to the number of permanent magnets 70 which are accommodated on the corresponding side of the first rotor 58.
  • Coils 72 of the electrical machine 24, which is designed here as an axial flux machine 48, run between the respective permanent magnets 70 on the mutually facing sides of the first rotor 58 and the second rotor 60.
  • Each of the coils 72 of the electrical machine 24 designed as an axial flux machine 48 comprises a winding 74 which is accommodated on a corresponding iron core 76.
  • the number of coils 72 of the electrical machine 24, which in this example is designed as an axial flux machine 48, corresponds to the pairs of opposing permanent magnets 70 on the opposing sides of the first rotor 58 and the second rotor 60.
  • the second shaft 52 of the axial flux machine 48 which is shown broken off in FIG 12 and/or at least one rear wheel 40, 42 on the rear axle 38, which is formed by the first output shaft 34 and the second output shaft 36.
  • the eddy current brake 22 is integrated into the housing 50, in particular assigned to its end face.
  • a brake disk 54 to the back of the second rotor 60 and to provide a further eddy current brake 22 integrated into the housing 50 opposite it in the part of the housing 50 (not shown).
  • one and the same component i.e. H. the first rotor 58 and possibly also the second rotor 60, which are assigned to the shaft 52 in a rotationally fixed manner, can be used in a double way:
  • the mutually facing sides of the first rotor 58 and the second rotor 60 serve to accommodate the permanent magnets 70, between which the coils 72 of the electrical machine 24 designed as an axial flux machine 48 extend.
  • brake disks 54 of eddy current brakes 22 assigned to them can be arranged on the back sides of the first rotor 58 and, if necessary, of the second rotor 60. This results in significant material savings due to the dual use of the rotors 58, 60 and thus a significant reduction in costs and weight.
  • the invention relates to the use of the electrical machine 24, here exemplified as an axial flux machine 48, in the electrically driven vehicle 10.
  • the electrical machine 24, embodied here as an axial flux machine 48 is characterized by a high power density and a short axial design. If, in addition, following the solution proposed according to the invention, at least one eddy current brake 22 is integrated into the housing 50 of the axial flux machine 48, the result is a compact structural unit which, in addition to a high torque density and thus high performance, also has a high torque as a central brake, for example on the rear axle 38 of the electrically driven vehicle 10 shown schematically in Figure 1 can apply.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine (24) mit mindestens einem scheibenförmig ausgeführten Rotor (58, 60), der auf einer Welle (52) aufgenommen ist. Der mindestens eine scheibenförmig ausgeführte Rotor (58, 60) ist auf einer Seite mit einer Bremsscheibe (54) einer Wirbelstrombremse (22) versehen. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der elektrischen Maschine (24) mit mindestens einer integrierten Wirbelstrombremse (22) als Zentralbremse an einer Vorderachse (12) und/oder einer Hinterachse (38) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (10).

Description

Elektrische Maschine mit integrierter Wirbelstrombremse
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit mindestens einem Rotor, der auf einer Welle aufgenommen ist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der elektrischen Maschine mit mindestens einer integrierten Wirbelstrombremse als Zentralbremse an einer Vorderachse und/oder einer Hinterachse eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Stand der Technik
DE 21 2014000 218 Ul bezieht sich auf eine Kupplungseinrichtung sowie einen Kraftfahrzeugantriebsstrang. Im Antriebsstrang sind eine Brennkraftmaschine sowie eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor sowie eine Getriebeeinrichtung aufgenommen. Eine Kupplungseinrichtung ist im Antriebsstrang zwischen der Brennkraftmaschine einerseits sowie der elektrischen Maschine und der Getriebeeinrichtung andererseits angeordnet. Eine Betätigungseinrichtung umfasst eine elektrische Wirbelstrombremse mit einem Bremsenstator und einem Bremsenrotor, wobei der Bremsenstator einen Innenstator mit einer Zentralspule aufweist.
DE 10 2018 201 689 Al bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug sowie eine entsprechende Bremsanlage. Die Bremsanlage weist eine mit mindestens einem Rad des Kraftfahrzeugs mechanisch gekoppelte Wirbelstrombremse zum Bereitstellen einer auf das Rad wirkenden Bremskraft auf. Eine elektrische Maschine ist mechanisch mit dem Rad gekoppelt oder mit diesem koppelbar und elektrisch an die Wirbelstrombremse angeschlossen. Dabei ist vorgesehen, dass die Wirbelstrombremse in einer Notbremsbetriebsart zum Bremsen des Rads parallel mit mittels der als Generator betriebenen elektrischen Maschine bereitgestellter Energie und mit einem Energiespeicher entnommener elektrischer Energie beaufschlagt wird.
DE 10 2012 210 130 bezieht sich auf eine Radantriebseinheit für ein Rad eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Die Radantriebseinheit umfasst eine elektrische Maschine, welche einen Stator und einen am Stator drehbar gelagerten Rotor aufweist und eine elektronische Steuereinrichtung zum Ansteuern der elektrischen Maschine sowie einer Wirbelstrombremse, über welche sich der Rotor abbremsen lässt. Durch die Wirbelstrombremse ist keine zusätzliche mechanische Bremse erforderlich; ebenso erfolgen Versorgung und Steuerung über die vorhandene Leistungselektronik der elektrischen Maschine. In einer Ausführungsvariante weist die Wirbelstrombremse eine aus einem metallischen Material gebildete Scheibe auf, welche mit dem Rotor drehfest verbunden ist, sich in radialer Richtung senkrecht zu einer Drehachse des Rotors erstreckt und in welcher Wirbelströme zum Bremsen des Rotors erzeugt werden.
DE 10 2004 007 434 Al bezieht sich auf einen Elektromotor mit einem Rotor, einem Stator und einer Welle, die koaxial zu einer Rotationsachse angeordnet sind und mit einer Wirbelstrombremse mit wenigstens einem Bremsmagneten. Die Integration einer Wirbelstrombremse in eine elektrische Maschine anstelle der üblichen externen Bremse zum Abbremsen eines Motors wird realisiert, indem zumindest teilweise in der elektrischen Maschine schon vorhandene Komponenten genutzt werden. Bevorzugt ist der Magnet der Wirbelstrombremse mit dem Rotor drehfest gekoppelt und umfasst insbesondere einen Magnetring, der zur Rotationsachse koaxial angeordnet und über ein Trägerbauteil an dem Rotor angebracht ist. Der Leiter der Wirbelstrombremse wird bevorzugt durch eine feststehende Metallscheibe oder einen Flansch gebildet.
DE 10 2009 006 196 Al hat eine Fahrzeugachse zum Gegenstand, die in einer Ausführungsform mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist und eine Wirbelstrombremse als Bremseinrichtung aufweist.
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge bremsen vornehmlich auf rekuperative Weise durch die elektrische Maschine, die im Generatormodus betrieben wird.
Trotzdem sind bei heutigen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen dieselben hydraulisch betätigten Reibbremsen verbaut wie in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Dies rührt daher, dass beim Bremsen bei hoher Drehzahl der elektrischen Maschine diese im Feldschwächebereich betrieben wird. Dies bedeutet, dass bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten das Bremsmoment der im Generatormodus betriebenen elektrischen Maschine typischerweise nicht für eine Notbremsung ausreicht. Hinsichtlich der Verfügbarkeit kann im Gegensatz zu einer hydraulischen Bremsanlage bei der im Generatormodus betriebenen elektrischen Maschine nicht davon ausgegangen werden, dass diese stets in der Lage ist, das erforderliche Bremsmoment zu stellen.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, die mindestens einen scheibenförmig ausgeführten Rotor aufweist, der auf einer Welle aufgenommen ist. Der mindestens eine scheibenförmig ausgeführte Rotor ist auf einer Seite mit einer Bremsscheibe einer Wirbelstrombremse versehen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann insbesondere erreicht werden, dass einerseits eine Wirbelstrombremse in die elektrische Maschine integriert werden kann, d. h. dieser im Sinne einer Zentralbremse zugeordnet ist, und andererseits lässt sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung der mindestens eine Rotor, beispielsweise in einer als Axialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine, doppelt verwenden. Dies bedeutet, dass der Rotor einerseits als Bremsscheibe für die mindestens eine Wirbelstrombremse dient und andererseits als Träger für beispielsweise in einer Axialflussmaschine verbaute Permanentmagnete dient.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine die Wirbelstrombremse in ein Gehäuse der elektrischen Maschine integriert. Dadurch kann Bauraum eingespart werden und es wird eine besonders kompakt bauende Baueinheit aus elektrischer Maschine und Wirbelstrombremse erhalten.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine ist diese so beschaffen, dass die Wirbelstrombremse der Bremsscheibe innerhalb des Gehäuses an dem mindestens einen Rotor der elektrischen Maschine unmittelbar gegenüberliegt. Eine vorteilhafte Weiterbildungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine liegt darin, dass die Wirbelstrombremse mehrere, entlang ihres Umfangs verteilt angeordnete Spulen aufweist, wobei die Spulen jeweils eine Wicklung sowie einen Eisenkern umfassen. Je nach Anzahl der am Umfang der Wirbelstrombremse angeordneten Spulen kann das erzeugbare Bremsmoment eingestellt beziehungsweise vorherbestimmt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine umfasst diese Spulen sowie mindestens ein diesen zugeordnetes Rückschlusselement.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine ist die Bremsscheibe an der Rückseite des mindestens einen Rotors in einer Scheibendicke ausgeführt, die zwischen 5 mm und 25 mm, bevorzugt zwischen 10 mm und 20 mm liegt. Die Bremsscheibe wird aus einem elektrisch leitfähigen und magnetisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Grauguss gefertigt. Über die Scheibendicke können die thermischen Eigenschaften der Bremsscheibe eingestellt werden, d. h. es kann bestimmt werden, wieviel Energie aufgenommen werden kann.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine kann diese beispielsweise als Axialflussmaschine ausgeführte elektrische Maschine mit einem ersten Rotor sowie einem zweiten Rotor versehen werden, die jeweils beide scheibenförmig ausgebildet sind und denen jeweils eine Wirbelstrombremse zugeordnet ist. Dadurch wird in dieser Ausführungsvariante eine besonders kompakte Bauweise einer beispielsweise als Axialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine erhalten, wobei in diesem Fall die Rückseiten der beiden, im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildeten Rotoren als Bremsscheiben für Wirbelstrombremsen dienen.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine ist diese mit einem ersten und einem zweiten Rotor versehen, die im Fall einer Axialflussmaschine an ihren einander zuweisenden Seiten Magnete, insbesondere Permanentmagnete aufweisen. In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine sind an den Seiten des ersten und des zweiten Rotors, die scheibenförmig ausgeführt sind, Spulen der elektrischen Maschine angeordnet.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine umfassen die Spulen der elektrischen Maschine, jeweils eine Wicklung sowie einen Eisenkern. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine ist die Welle der elektrischen Maschine entweder über ein Getriebe oder direkt an mindestens ein Vorderrad und/oder mindestens ein Hinterrad eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs angebunden.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der elektrischen Maschine mit mindestens einer integrierten Wirbelstrombremse als Zentralbremse an einer Vorderachse und/oder einer Hinterachse eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrische Maschine und die in diese integrierte Wirbelstrombremse lässt sich eine besonders kompakt bauende Zentralbremse schaffen. Die elektrische Maschine umfasst mindestens einen Rotor, im Wesentlichen ausgebildet in Scheibenform, eine Anzahl von Magneten, bei denen es sich beispielsweise um Permanentmagnete handeln kann. Die Vorteile einer beispielsweise als Axialflussmaschine ausgeführten elektrischen Maschine liegen in einer kurzen Bauweise, wodurch Bauraum eingespart wird, und in einer hohen Drehmomentdichte. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird die Rückseite mindestens eines Rotors der elektrischen Maschine als Bremsscheibe genutzt, so dass dieses Bauteil doppelt verwendet werden kann, wodurch sich eine erhebliche Einsparung andernfalls einzusetzenden Materials und andernfalls resultierenden Gewichts sowie aufzuwendender Kosten erreichen lässt.
In vorteilhaften Ausführungsvarianten kann die sehr kurz bauende elektrische Maschine in einem Gehäuse untergebracht werden, an dessen Stirnseiten beispielsweise jeweils eine Wirbelstrombremse untergebracht ist, die mit jeweils einer Bremsscheibe zusammenwirkt, die an der Rückseite von zwei Rotoren der elektrischen Maschine angeordnet ist, wobei die Rotoren drehtest mit der Welle der elektrischen Maschine verbunden sind.
Es können demnach zwei Wirbelstrombremsen in ein Gehäuse einer elektrischen Maschine integriert werden, ohne dass die Gehäuselänge signifikant zunimmt, so dass weiterhin eine Kompaktbauweise gegeben ist. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Maschine kann deren Welle entweder unter Zwischenschaltung eines Getriebes mit mindestens einem Vorderrad oder einem Hinterrad eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs verbunden sein oder die beispielsweise als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Maschine kann unmittelbar mit mindestens einem an der Vorderachse und/oder einer Hinterachse eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs verbauten Rad verbunden werden.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrische Maschine mit integrierter Wirbelstrombremse kann, wie oben bereits erwähnt, beispielsweise als Axialflussmaschine ausgeführt werden, die eine Anzahl von Magneten, insbesondere Permanentmagneten umfasst. Daneben besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die elektrische Maschine als magnetfreie elektrische Maschine, beispielsweise als Asynchronmaschine, Reluktanzmaschine oder elektrisch erregte Synchronmaschine auszuführen. Auch in derartige Typen von elektrischen Maschinen lässt sich mindestens eine Wirbelstrombremse integrieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen
Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine, der ein Getriebe und eine Wirbelstrombremse zugeordnet sind und Figur 2 einen Schnitt durch eine schematisch dargestellte, hier beispielsweise als Axialflussmaschine ausgeführte elektrische Maschine, in deren Gehäuse eine Wirbelstrombremse integriert ist.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 10, welches eine Vorderachse 12 sowie eine Hinterachse 38 umfasst. An der Vorderachse 12 sind ein linkes Vorderrad 14 sowie ein rechtes Vorderrad 16 aufgenommen, welchen jeweils eine linke Radbremse 18 sowie eine rechte Radbremse 20 zugeordnet sind. Bei den Radbremsen 18, 20 handelt es sich um konventionelle, hydraulisch betätigte Betriebsbremsen. Das elektrisch angetriebene Fahrzeug 10 umfasst des Weiteren eine Wirbelstrombremse 22, die einer elektrischen Maschine 24 zugeordnet ist. Dieser ist des Weiteren ein Getriebe 26 zugeordnet, welches einen Ausgang 28 umfasst. Das Getriebe 26 treibt über seinen Ausgang 28 ein Differentialrad 32 eines Differentials 30 an.
Seitlich vom Differential 30 erstreckt sich eine erste Abtriebswelle 34 zu einem linken Hinterrad 40 sowie eine zweite Abtriebswelle 36 zu einem rechten Hinterrad 42. Die beiden Abtriebswellen 34, 36 bilden die Hinterachse 38 des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. An der Hinterachse 38 des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 10 gemäß der Darstellung in Figur 1 sind im Gegensatz zur Vorderachse 12 keine Betriebsbremsen angeordnet. Die Funktion einer Zentralbremse in Bezug auf die Hinterachse 38 wird durch die der elektrischen Maschine 24 zugeordnete Wirbelstrombremse 22 übernommen. Die elektrische Maschine 24 des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 10 gemäß der schematischen Darstellung in Figur 1 wird im Motormodus über eine hier nicht näher dargestellte Leistungselektronik betrieben; ferner wird ein Bremsmoment im Rekuperationsbetrieb der elektrischen Maschine 24 durch deren Betreiben im Generatormodus erzeugt. Das Getriebe 26, über welches das Differential 30 angetrieben wird, ist nicht zwingend erforderlich. Bei dem in Figur 1 dargestellten, elektrisch angetriebenen Fahrzeug 10 handelt es sich beispielsweise um ein solches, bei dem die elektrische Maschine 24 in Gestalt einer Axialflussmaschine 48 ausgebildet ist. Eine Axialflussmaschine 48 zeichnet sich durch eine kurze Bauform aus sowie durch eine sehr hohe Drehmomentdichte. Bei der elektrischen Maschine 24 kann es sich alternativ auch um eine magnetfrei ausgebildete elektrische Maschine, wie beispielsweise eine Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder um eine elektrisch erregte Synchronmaschine handeln. Somit ist eine große Anzahl von Maschinentypen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zugänglich.
Anhand von Figur 2 wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrische Maschine 24 eingehender beschrieben. Diese ist gemäß Figur 2 als Axialflussmaschine ausgeführt.
Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, dass die elektrische Maschine 24 ein Gehäuse 50 umfasst. In das Gehäuse 50 der hier als Axialflussmaschine 48 ausgebildeten elektrischen Maschine 24 ist die Wirbelstrombremse 22 integriert. An einer Welle 52 der hier als Axialflussmaschine 48 ausgebildeten elektrischen Maschine 24 ist zumindest ein erster Rotor 58 aufgenommen. An einer Seite des ersten Rotors 58 der Axialflussmaschine 48 sind Magnete, insbesondere Permanentmagnete 70 angeordnet. Auf der Rückseite des im Wesentlichen scheibenförmig ausgeführten ersten Rotors 58 befindet sich eine Bremsscheibe 54 der in das Gehäuse 50 der Axialflussmaschine 48 integrierten Wirbelstrombremse 22. Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, dass die Bremsscheibe 54 in einer Scheibendicke 56 ausgeführt ist. Die Dicke der Bremsscheibe 54 liegt in einem Bereich zwischen 5 mm und 25 mm, bevorzugt zwischen 10 mm und 20 mm. Die Dicke der Bremsscheibe 54 ist besonders relevant für ihre thermischen Eigenschaften, da sie über die thermische Masse entscheidet und daher bestimmt, wieviel Energie aufgenommen werden kann. Bei einer Ausführungsmöglichkeit liegt die Scheibendicke der Bremsscheibe 54 bei 15 mm. Das Material, aus dem die Bremsscheibe 54 gefertigt wird, ist ein Material, welches sowohl elektrisch als auch magnetisch leitfähig ist. Über die elektrische Leitfähigkeit wird der Drehzahlbereich eingestellt. Eine optimale elektrische Leitfähigkeit bietet beispielsweise Grauguss. Figur 2 ist des Weiteren zu entnehmen, dass die in das Gehäuse 50 der hier beispielhaft dargestellten Axialflussmaschine 48 integrierte Wirbelstrombremse 22 eine Anzahl von Spulen 62 umfasst. Die Spulen 62 sind entlang des Umfangs der Wirbelstrombremse 22 angeordnet und umfassen jeweils eine Wicklung 64, die sich um einen die Wicklung 64 aufnehmenden Eisenkern 66 erstreckt. Den Spulen 62 ist ein Rückschlusselement 68 zugeordnet. Die Stirnseite der Wirbelstrombremse 22 befindet sich in einem kurzen Abstand zur Stirnseite der Bremsscheibe 54, die auf der Rückseite des ersten Rotors 58 aufgenommen ist.
Die hier beispielhaft dargestellte Axialflussmaschine 48 gemäß der Schnittdarstellung in Figur 2 zeigt darüber hinaus, dass auf der Welle 52 der Axialflussmaschine 48 ein zweiter Rotor 60 aufgenommen ist. Auf der den Permanentmagneten 70 des ersten Rotors 58 zuweisenden Seite des zweiten Rotors 60 sind ebenfalls an dessen Umfang verteilt Permanentmagnete 70 angeordnet, wobei deren Anzahl mit der Anzahl von Permanentmagneten 70 korrespondiert, die auf der entsprechenden Seite des ersten Rotors 58 aufgenommen sind. Zwischen den jeweiligen Permanentmagneten 70 an den einander zuweisenden Seiten des ersten Rotors 58 beziehungsweise des zweiten Rotors 60 verlaufen Spulen 72 der elektrischen Maschine 24, die hier beispielhaft als Axialflussmaschine 48 ausgebildet ist. Jede der Spulen 72 der als Axialflussmaschine 48 ausgebildeten elektrischen Maschine 24 umfasst eine Wicklung 74, die auf einem korrespondierenden Eisenkern 76 aufgenommen ist. Die Anzahl der Spulen 72 der in diesem Beispiel als Axialflussmaschine 48 ausgebildeten elektrischen Maschine 24 entspricht den Paaren einander gegenüberliegender Permanentmagnete 70 auf den einander gegenüberliegenden Seiten des ersten Rotors 58 sowie des zweiten Rotors 60.
Die in Figur 2 abgebrochen dargestellte zweite Welle 52 der Axialflussmaschine 48 ist entweder unter Zwischenschaltung des in Figur 1 schematisch angedeuteten Getriebes 26 mit zumindest einem Vorderrad 14, 16 des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 10 verbunden oder auf direktem Weg mit mindestens einem Vorderrad 14, 16 der Vorderachse 12 und/oder mindestens einem Hinterrad 40, 42 an der Hinterachse 38, die durch die erste Abtriebswelle 34 und die zweite Abtriebswelle 36 gebildet ist.
In der Darstellung gemäß Figur 2 ist die Wirbelstrombremse 22 in das Gehäuse 50 integriert, insbesondere dessen Stirnseite zugeordnet. Alternativ zu der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante besteht die Möglichkeit, auch an der Rückseite des zweiten Rotors 60 eine Bremsscheibe 54 anzubringen und diesem gegenüberliegend im nicht dargestellten Teil des Gehäuses 50 eine weitere in das Gehäuse 50 integrierte Wirbelstrombremse 22 vorzusehen. Damit wird die Axiallänge der Axialflussmaschine 48 nicht signifikant vergrößert, so dass Nachteile betreffend den Bauraumbedarf entfallen, jedoch der Vorteil einer hohen Leistungsdichte sowie einer hohen Bremsmomentstellung gegeben ist.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann gemäß der Darstellung in Figur 2 ein und dasselbe Bauteil, d. h. der erste Rotor 58 und gegebenenfalls auch der zweite Rotor 60, die drehfest der Welle 52 zugeordnet sind, in doppelter Weise genutzt werden: Einerseits dienen die einander zuweisenden Seiten des ersten Rotors 58 sowie des zweiten Rotors 60 der Aufnahme der Permanentmagnete 70, zwischen denen sich die Spulen 72 der als Axialflussmaschine 48 ausgebildeten elektrischen Maschine 24 erstrecken. Andererseits können an den Rückseiten des ersten Rotors 58 sowie gegebenenfalls des zweiten Rotors 60 Bremsscheiben 54 von diesen zugeordneten Wirbelstrombremsen 22 angeordnet werden. Damit ergibt sich eine erhebliche Materialersparnis durch Doppelnutzung der Rotoren 58, 60 und damit eine signifikante Reduzierung von Kosten und Gewicht.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der elektrischen Maschine 24, hier beispielhaft ausgeführt als Axialflussmaschine 48, in dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 10. Die hier als Axialflussmaschine 48 ausgeführte elektrische Maschine 24 zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte und eine kurze Axialbauweise aus. Wird darüber hinaus, der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, mindestens eine Wirbelstrombremse 22 in das Gehäuse 50 der Axialflussmaschine 48 integriert, ergibt sich eine kompakte Baueinheit, die neben einer hohen Drehmomentdichte und damit einer hohen Leistungsfähigkeit auch ein hohes Drehmoment als Zentralbremse, beispielsweise auf die Hinterachse 38 des in Figur 1 schematisch dargestellten elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 10 aufzubringen vermag.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine (24) mit mindestens einem scheibenförmig ausgeführten Rotor (58, 60), der auf einer Welle (52) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine scheibenförmig ausgeführte Rotor (58, 60) auf einer Seite mit einer Bremsscheibe (54) einer Wirbelstrombremse (22) versehen ist.
2. Elektrische Maschine (24) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelstrombremse (22) in ein Gehäuse (50) der elektrischen Maschine (24) integriert ist.
3. Elektrische Maschine (24) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelstrombremse (22) der Bremsscheibe (54) innerhalb des Gehäuses (50) dem mindestens einen Rotor (58, 60) gegenüberliegt.
4. Elektrische Maschine (24) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelstrombremse (22) mehrere, entlang ihres Umfangs verteilt angeordnete Spulen (62) aufweist, die jeweils eine Wicklung (64) und einen Eisenkern (66) umfassen.
5. Elektrische Maschine (24) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Spulen (62) ein Rückschlusselement (68) zugeordnet ist.
6. Elektrische Maschine (24) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe (54) in einer Scheibendicke (56) zwischen 5 mm und 25 mm, bevorzugt zwischen 10 mm und 20 mm ausgebildet ist und aus einem elektrisch und magnetisch leitfähigen Material gefertigt ist.
7. Elektrische Maschine (24) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (24) einen ersten Rotor (58) und einen zweiten Rotor (60) aufweist, die jeweils scheibenförmig ausgeführt sind, und denen jeweils eine Wirbelstrombremse (22) zugeordnet ist. Elektrische Maschine (24) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (24) einen ersten und einen zweiten Rotor (58, 60) aufweist, die an ihren einander zuweisenden Seiten Magnete, insbesondere Permanentmagnete (70) aufweisen. Elektrische Maschine (24) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Seiten des ersten Rotors (58) und des zweiten Rotors (60), die scheibenförmig ausgeführt sind, zwischen einander gegenüberliegenden Magneten, insbesondere Permanentmagneten (70), Spulen (72) der elektrischen Maschine (24), insbesondere ausgeführt als Axialflussmaschine (48), angeordnet sind. Elektrische Maschine (24) gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (72) der elektrischen Maschine (24 eine Wicklung (74) und einen Eisenkern (76) umfassen. Elektrische Maschine (24) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (52) der elektrischen Maschine (24) über ein Getriebe (26) oder direkt an mindestens einem Vorderrad (14, 16) und/oder mindestens einem Hinterrad (40, 42) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (10) angebunden ist. Verwendung der elektrischen Maschine (24) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 mit mindestens einer integrierten Wirbelstrombremse (22) als Zentralbremse an einer Vorderachse (12) und/oder einer Hinterachse (38) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (10).
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