Eine sog. aktive Fahrzeug-Radaufhängung bietet eine Vielzahl von Freihei- ten hinsichtlich der Auslegung und Regelung eines Fahrzeug-Fahrwerks. in seiner Gesamtheit. Für die Realisierung einer auch sog. aktiven Fahrzeug- federung wird der bei üblichen Fzg. -Radaufhängungen an jedem Fzg.-Rad vorgesehene hydraulische Stoßdämpfer durch ein aktives Stellglied ersetzt, jedoch müssen dabei die eingesetzten Stellglieder in der Lage sein, hohe Spitzenkräfte aufzubringen, die bei Personenkraftwagen im Bereich einiger Kilo-Newton liegen. Ungünstigerweise steht zumeist nur ein begrenzter Bauraum zur Unterbringung der Stellglieder im Fahrzeug zur Verfügung.

Hieraus resultiert die Forderung einer ausreichend hohen Leistungsdichte der eingesetzten Stellglieder oder Aktuatoren.

In den eingangs drei erstgenannten Schriften sind aktive Fzg.- Radaufhängungen beschrieben, bei denen ein sog. Linearmotor die Funktion des genannten aktiven Stellglieds übernimmt. Es handelt sich hierbei um einen elektromagnetischen Direktantrieb, bei dem im Gegensatz zu einem herkömmlichen elektrischen Rotationsmotor die elektromagnetische Kraft nicht in eine Rotationsbewegung, sondern ohne ein zwischengeschaltetes Übersetzungsgetriebe unmittelbar in eine translatorische, d. h. lineare Bewegung umgesetzt wird. Die häufig mit dem Einsatz eines Getriebes verbundenen Probleme eines hohen Getriebeverschleißes und des Auftretens einer Getriebelose sind mit dieser Technologie daher von

vornherein auszuschließen. Vorteilhafterweise zeichnen sich Linearmotoren durch eine sehr schnelle Dynamik aus. In der Praxis werden jedoch noch keine Fahrzeuge mit einer derartigen aktiven Federung angeboten. Eine Ursache hierfür mag in der zu geringen Leistungsdichte der vorgeschlage- nen Funktionsprinzipien der Linearmotoren liegen. Ein weiterer wichtiger Grund mag in dem zu hohen Leistungsbedarf der vorgeschlagenen Linearmotor-Bauformen liegen.

Eine demgegenüber verbesserte aktive Radaufhängung bzw. einen für eine aktive Radaufhängung eines Fahrzeugs, insbesondere Personenkraftwa- gens im Hinblick auf seine Leistungsdaten und seinen Energiebedarf verbesserten elektrischen Linearmotor aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Linearmotor als permanenterregter Synchronmotor arbeitet, dessen zentral angeordneter Läufer aus in Richtung der Längsachse des Linearmotors übereinander angeordneten scheibenförmigen, in axialer Richtung magneti- sierten Permanentmagneten sowie dazwischen liegenden Distanzscheiben aufgebaut ist, während der gegenüber dem Läufer kürzere Stator stapelför- mig in Richtung der Längsachse angeordnete elektrische Spulen aufweist, die in Form eines Drei-Phasen-Betriebs angesteuert werden, wobei sich an einen ersten Satz von drei aufeinander folgenden jeweils einer elektrischen Phase zugeordneten Spulen ein zweiter Satz von drei aufeinander folgenden jeweils einer Phase zugeordneten Spulen anschließt, wobei der Wicklungs- Umlaufsinn jeder einer elektrischen Phase zugeordneten Spule des zweiten Satzes demjenigen der der gleichen elektrischen Phase zugeordneten Spule des ersten Satzes entgegengerichtet ist, und wobei die axiale Länge der einzelnen Spulen im wesentlichen gleich der axialen Länge der Distanz- scheiben und im wesentlichen gleich der halben axialen Länge der einen Nordpol und einen Südpol aufweisenden Permanentmagneten ist. Vorteilhaf- te Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Am besten erläutern lässt sich die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Linearmotors, der als sog. aktives Stellglied ein wesentlicher Bestandteil einer aktiven Fahrzeug- Radaufhängung sein kann. Ein solches bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit im wesentlichen zylindrischem Aufbau, das sich durch eine möglichst hohe Leistungsdichte auszeichnet und somit für eine insbesondere aktive Fzg.- Radaufhängung besonders geeignet ist, ist stark abstrahiert in der beigefüg- ten Prinzipskizze in einem Längsschnitt dargestellt.

Der vorgeschlagene Linearmotor besteht im wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Stator 1 und einen stabförmigen Läufer 2, der im Inneren des Stators 1 angeordnet ist und durch Aufbringen elektromagnetischer Kräfte in Richtung der Längsachse 9 des Linearmotors bzw. des Läufers 2, die gleich der Zylinderachse eines die Tragstruktur für den Stator 1 bilden- den hohlzylindrischen Statorrohres 1a ist, verschiebbar ist. An der Innen- wand des Statorrohes 1a sind eine Vielzahl von ebenfalls hohlzylindrischen elektrischen Spulen Us, Vj, Ws (mit i=1, 2) aufeinanderfolgend angeordnet, innerhalb derer der Läufer 2 geführt ist und die bei entsprechender elektri- scher Bestromung in Zusammenwirken mit den Magnetfeldern des Läufers 2 die besagten elektromagnetischen Kräfte, aufgrund derer der Läufer 2 wie gewünscht in Richtung der Längsachse 9 verschoben wird, hervorrufen. Der hier vorgeschlagene Linearmotor arbeitet somit nach dem Wirkprinzip eines permanenterregten Synchronmotors.

Hierfür ist-wie figürlich dargestellt-der stabförmige Läufer 2 aus in Richtung der Längsachse 9 abwechselnd aufeinander gestapelten scheiben- förmigen Elementen 3 und 4 aufgebaut. Bei den mit der Bezugsziffer 3 gekennzeichneten Elementen handelt es sich um Permanentmagnete, für die im weiteren ebenfalls die Bezugsziffer 3 verwendet wird, und die jeweils axial magnetisiert sind. Das heißt, dass die eine Stirnfläche der Permanent-

magnete jeweils einen magnetischen Nordpol N darstellt und die andere Stirnfläche einem magnetischen Südpol S entspricht. Bei den scheibenför- migen Elementen 4 handelt es sich um Distanzscheiben (ebenfalls Bezugs- ziffer 4), in denen der magnetische Fluss aus den Permanentmagneten 3 geführt wird. Die Distanzscheiben 4 bestehen vorzugsweise aus Eisen.

Wie ersichtlich ist die Anordnung der Permanentmagnete 3 so getroffen, dass jeweils zu beiden Seiten einer Distanzscheibe 4 zwei gleichnamige magnetische Pole (Nordpol N bzw. Südpol S) einander gegenüber liegen.

Hierdurch wird erreicht, dass die magnetischen Feldlinien, von denen exemplarisch zwei dargestellt und mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet sind, aus denjenigen Distanzscheiben 4, an denen beiderseits magnetische Nordpol N angrenzen, in radialer Richtung (senkrecht zur Längsachse 9) austreten und in diejenigen Distanzscheiben 4, an denen beiderseits magnetische Südpole S angrenzen, in radialer Richtung wieder eintreten.

Das Statorrohr 1a, welches vorzugsweise aus Eisen gefertigt ist, übernimmt hierbei die Aufgabe, den magnetischen Fluss von den genannten Austritts- stellen zu den genannten Eintrittsstellen zu führen.

Bereits kurz erwähnt wurde, dass an der Innenwand des Statorrohes 1a eine Vielzahl von elektrischen Spulen U ;, V ;, W ; (mit i=1, 2) aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei jeweils drei aufeinanderfolgende Spulen einen sog.

Spulen-Satz bilden. Dabei sind drei aufeinanderfolgende Spulen W1, U2 und V1 zu einem ersten Spulen-Satz 6 zusammengefasst, während drei aufeinanderfolgende Spulen W2, U1 und V2 einen dem ersten Spulen-Satz 6 benachbarten zweiten Spulen-Satz 6'bilden.

Mit einer derartigen Gestaltung lässt sich im Hinblick auf eine möglichst hohe Leistungsdichte des Linearmotors und zur Erlangung eines homogenen Verlaufs der Motorkraft unabhängig von der Position des Läufers 2 ein Drei- Phasen-Betrieb (in der Elektrotechnik üblicherweise mit u, v, w bezeichnet)

realisieren, wobei die Zuordnung der einzelnen Spulen zu den drei Strom- Phasen (u, v, w) implizit bereits durch die Buchstaben U, V und W gekenn- zeichnet ist. Weiterhin sind beim vorgeschlagenen Linearmotor die durch den Index"1"gekennzeichneten Spulen und die und durch den Index"2" gekennzeichneten Spulen voneinander zu unterscheiden, und zwar hinsichtlich ihres Wicklungssinnes. Beispielsweise seien die elektrischen Wicklungen mit dem Index"1"im Uhrzeigersinn gewickelt und diejenigen mit dem Index"2"gegen den Uhrzeigersinn. Damit sich also die durch die elektrischen Spulen hervorgerufenen elektromagnetischen Kräfte nicht gegenseitig aufheben, weisen die Wicklungen der Spulen W1, U2, und V1 des ersten Spulen-Satzes 6 einen Umlaufsinn auf, der dem Umlaufsinn der Wicklungen der der jeweils gleichen Phase zugeordneten Spulen W2 U1, und V2 des zweiten Spulen-Satzes 6'entgegengesetzt oder entgegengerichtet ist.

Damit ferner eine passende axiale Zuordnung zwischen den einzelnen Spulen Us, Vj, Ws und den Permanentmagneten 3 sowie den Distanzscheiben 4 vorliegt und der Linearmotor hierdurch bestmöglich arbeiten kann, soll die axiale Länge der einzelnen Spulen im wesentlichen gleich der axialen Länge der Distanzscheiben 4 sein und diese im wesentlichen gleich der halben axialen Länge der einen Nordpol und einen Südpol aufweisenden Perma- nentmagneten sein.

Die Erzeugung einer Längskraft im Linearmotor lässt sich nach dem Prinzip von Lorenz erläutern. Dieses besagt, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter, welcher sich in einem Magnetfeld befindet, eine senkrecht gerichtete Kraft ausgeübt wird. Übertragen auf die in der beigefügten Figur dargestell- ten elektrischen Spulen bedeutet dies, dass auf die einzelnen stromdurch- flossenen Wicklungsdrähte jeweils eine Kraft ausgeübt wird, die in Richtung der Längsachse 9 des Linearmotors verläuft. Bei geeigneter Ansteuerung der einzelnen Spulen Us, Vj, Ws (mit i=1, 2) resultiert somit insgesamt eine

längsgerichtete Kraft auf den Stator 1. Ist dieser fest, d. h. bei Integration des <BR> <BR> beschriebenen Linearmotors in einer Fzg. -Radaufhängung bspw. am Fzg.- Aufbau befestigt, so wird hierdurch umgekehrt eine translatorische Bewe- gung des Läufers 2 verursacht. Bevorzugt ist letztlich am freien Ende des Läufers 2 ein Fahrzeug-Rad (bspw. auch unter Zwischenschaltung eines geeigneten Radführungsgliedes) angelenkt. Somit ist durch Erzeugung entsprechender Kräfte bzw. Bewegungen im Linearmotor eine aktive Beeinflussung zumindest einer Relativbewegung zwischen dem Fzg-Rad und dem Fzg.-Aufbau möglich, ggf. kann auch auf dieRelativ-Position direkt Einfluss genommen werden.

Wichtig ist dabei eine geeignet angesteuerte elektrische Beaufschlagung der einzelnen Spulen und insbesondere eine Anpassung (Kommutierung) an die jeweils aktuelle Position des Läufers 2. Liegt eine Spule genau an der weiter oben bereits genannten Eintrittsstelle oder Austrittstelle der magnetischen Feldlinien des Läufers 2, so muss diese betroffene Spule maximal mit Strom gespeist werden. Bei der in der beigefügten Figur dargestellten Position des Läufers 2 sind dies alle Spulen Wi, d. h. sämtliche Spulen, die mit der elektrischen Phase w angesteuert werden. Die anderen Spulen Us, Vj, werden hingegen mit einer Phasenverschiebung von 120° bzw. 240° (d. h. mit den elektrischen Phasen u, v) angesteuert. Die entsprechende Speisung der einzelnen Spulen einer Phase u bzw. v bzw. w kann dadurch realisiert werden, dass für jede Phase u bzw. v bzw. w einzeln alle mit dem Index 1 gekennzeichneten Spulen zu einem eigenen Leitungsstrang in Reihe geschaltet werden, was figürlich für die Phase w in Form des Leitungs- strangs 7 dargestellt ist, und dass analog alle mit dem Index 2 gekennzeich- neten Spulen W in Reihe geschaltet sind, was hier durch den Leitungsstrang 8 dargestellt ist.

Somit kann die Anordnung und Stromspeisung der Spulen nochmals wie folgt beschrieben werden : Es werden die Spulen Uj, Vj, Ws (mit i=1, 2) im

Drei-Phasen-Betrieb angesteuert, d. h. jeweils mit einer Verschiebung von 120° zwischen den einzelnen Phasen. So weist z. B. der in der Spule U1 fließende Strom einen Phasenverzug von 120° gegenüber dem in der Spule W1 fließenden Strom auf. Im Hinblick auf die Entstehung der Längskraft im Linearmotor ist weiterhin zu berücksichtigen, dass der entgegengesetzte Wicklungsumlaufsinn der mit dem Index"2"gekennzeichneten Spulen gegenüber dem der mit dem Index"1"gekennzeichneten Spulen dazu führt, dass sich die Richtung des Stromes in den zugehörigen Wicklungsdrähten in Bezug auf die Ausrichtung des Feldes der Permanentmagnete umkehrt. Dies spiegelt sich in einer Strom-Phasenverschiebung von 180° zwischen den mit dem Index"2"gekennzeichneten Spulen und den mit dem Index"1" gekennzeichneten Spulen wider. Mit der soweit beschriebenen und in der Figur dargestellten Anordnung der Spulen weist somit der jeweils in zwei benachbarten Spulen fließende Strom eine Phasenverschiebung von 60° auf. Die Hintereinanderschaltung dreier Spulen bildet dabei jeweils einen sog. Spulen-Satz 6 bzw 6'. Wichtig für die Funktionsweise des Linearmotors ist dabei die axiale Zuordnung der jeweiligen Spulen-Sätze 6,6'zu den Permanentmagneten 3 und den Distanzscheiben 4 des Läufers 2. Wie in der Prinzipskizze dargestellt, sollte die Länge eines Spulen-Satzes 6 bzw. 6' genau so gewählt werden, dass sie mit der axialen Länge der Hintereinan- derschaltung jeweils eines Permanentmagneten 3 und einer Distanzscheibe 4 übereinstimmt. Hierdurch wird eine axiale Zuordnung der Spulen zum Läufer erreicht, bei der sich die durch die elektrischen Spulen hervorgerufe- nen elektromagnetischen Kräfte nicht gegenseitig aufheben : Liegt z. B. eine Spule genau an einer Austrittsstelle der magnetischen Feldlinien 5 aus dem Läufer 2-bei der in der Prinzipskizze dargestellten Läuferposition sind dies alle Spulen mit der Bezeichnung W1-so weist der in diesen Spulen W1 fließende Strom eine Phasenverschiebung von genau 180° gegenüber dem Strom auf, welcher in den an den Eintrittsstellen des Stromes liegenden Spulen, nämlich den Spulen mit der Bezeichnung W2 fließt.

Vorgeschlagen wird weiterhin, den Stator 1 in Längsrichtung 9 betrachtet kürzer als den Läufer 2 auszubilden und den Linearmotor somit in einer sog.

Kurzstatorausführung zu bauen, da hiermit derjenige Teil des Linearmotors, in dem elektrische Verluste auftreten, nämlich der Stator 1, im wesentlichen vollständig genutzt wird. Im Hinblick auf den Leistungsbedarf des in eine Radaufhängung integrierten Stellglieds in Form des erfindungsgemäßen Linearmotors ist diese vorgeschlagene Bauform aufgrund eines verringerten Leistungsbedarfs somit im Vergleich zu einer Langstatorvariante (vgl. bspw. die eingangs genannte DE 42 04 302 C2) günstiger.

Die Höhe der am Linearmotor maximal erzeugbaren Kraft hängt in entschei- dendem Maße vom für die Permanentmagneten 3 verwendeten Magnetma- terial ab. Um mit dem Linearmotor unter Berücksichtigung der bereits oben erwähnten Bauraumbeschränkung die für den Einsatz in einem Fzg.- Fahrwerk notwendigen hohen Maximalkräfte aufbringen zu können, wird im Läufer 2 des vorgeschlagenen Linearmotors, d. h. für die Permanentmagnete 3, bevorzugt ein Magnetmaterial aus seltenen Erden (NdFeB) eingesetzt.

Dieses zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte aus. Die mit diesem Magnetmaterial erzielbaren Maximalkräfte sind ca. 10 mal so hoch wie diejenigen bei Verwendung eines herkömmlichen ferromagnetischen Materials.

Die Nennkraft des Linearmotors, d. h. die Kraft, die der Linearmotor im Dauerbetrieb aufbringen kann, wird darüber hinaus durch thermische Grenzen bestimmt. Dabei darf die Temperatur der elektrischen Spulen- Wicklungen im Dauerbetrieb einen bestimmten Grenzwert nicht über- steigen. Es empfiehlt sich daher, einen Wickeldraht mit möglichst hoher Temperaturfestigkeit zu verwenden. Zur Gewährleistung einer ausreichen- den Abfuhr der in den Wicklungen durch Ohmsche Verluste entstehenden Wärme zur Außenseite des Statorrohres 1a sollte das zur Fixierung der Wicklungen im Statorrohr 1 a eingesetzte Gießharz eine möglichst hohe

Wärmeleitfähigkeit besitzen. Diese Forderung erfüllt bspw. ein Gießharz mit integrierten Metallpartikeln als zugesetztem, gut wärmeleitendem Material.

Ein soweit beschriebener Linearmotor zeichnet sich neben dem bereits erwähnten Vorteil einer ausreichend hohen Leistungsdichte durch eine Vielzahl weiterer Eigenschaften aus, welche ihn für den Einsatz im Rahmen einer aktiven Fahrzeug-Federung prädestinieren. So bietet das Wirkprinzip eines Synchronmotors den wichtigen Vorteil, dass sich die aktuell wirkende Motorkraft in einfacher Weise durch Variation der Stromstärke in den Spulen beeinflussen lässt. Die Kraftregelung des Linearmotors ist somit deutlich einfacher als bei dem in der eingangs genannten EP 0 363 158 B1 vorge- schlagenen Funktionsprinzip eines Induktionsmotors. Die Tatsache, dass es sich um einen permanenterregten Motor handelt, bringt weiterhin den Vorteil mit sich, dass nur in einem Teil des Linearmotors, nämlich hier im Stator, elektrische Verluste auftreten. Beim in der bereits genannten EP 0 363 158 B1 vorgeschlagenen Linearmotorprinzip treten hingegen sowohl im Stator als auch im Läufer elektrische Verluste auf, was eine höhere Verlustleistung des entsprechenden Stellglieds zur Folge hat.

Durch die vorgeschlagene Unterteilung des Läufers 2 in eine große Zahl von Permanentmagneten 3 (und somit eine große Zahl von Polteilungen) lässt sich eine Motorkraft realisieren, die nahezu unabhängig von der Position des Läufers 2 ist. Für den Einsatz im Rahmen einer aktiven Fzg. -Federung oder<BR> Fzg. -Radaufhängung bedeutet dies, dass die in das Fahrwerk des Fahr- zeugs eingeleitete Kraft unabhängig von der aktuellen Einfederung des jeweiligen Rades ist. Im Gegensatz dazu weist bspw. die in der eingangs genannten US 5,301, 111 beschriebene aktive Federung eine starke Abhängigkeit der elektromagnetischen Kraft von der aktuellen Einfederung des Rades auf, wobei ferner noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.