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.