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Title:
WHEEL HUB DRIVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024295
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a wheel hub drive as a direct drive of a wheel of a vehicle, in particular a utility vehicle, having an electric motor preferably designed as a permanent-magnet synchronous motor (PMSM) - external rotor motor - which is substantially arranged in the region within the wheel, wherein a rotating part of a friction brake is frictionallly and/or interlockingly and/or integrally connected to the motor for braking, characterized in that the rotating part is operatively connected to the rotor of the motor, directly or indirectly, from outside of the motor.

Inventors:
MUNZ, Maximilian (Willy-Brandt-Allee 41, Schwäbisch Hall-Hessental, 74523, DE)
MAS GILI, Jordi (Mozartstraße 11, Künzelsau, 74653, DE)
GAUDITZ, Swen (Höhenweg 10, Obersontheim, 74423, DE)
PONCE-HEREDIA, Albaro (Kirchhofstr. 10, Maintal, 63477, DE)
HOPPENSTEDT, Roland (Friedrichsruher Straße 8, Zweiflingen Zweiflingen, Zweiflingen, DE)
MAYER, Edgar (Hauptstraße 16, Kupferzell, 74635, DE)
KLETT, Sascha (Hofackerweg 13, Oppenweiler, 71570, DE)
KAKUSCHKE, Isabell (Abt-Knittel-Straße 3, Niedernhall, 74676, DE)
VETTER, Uli (Gaisbacher Str. 75, Künzelsau, 74653, DE)
HAAG, Alexander (Dorfstraße 5, Ingelfingen, 74653, DE)
FRUEH, Fabian (Aspenstraße 6, Crailsheim, 74564, DE)
BUERKERT, Daniel (Bauernstraße 19, Waldenburg, 74638, DE)
Application Number:
DE2017/200064
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
July 07, 2017
Export Citation:
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Assignee:
ZIEHL-ABEGG AUTOMOTIVE GMBH & CO. KG (Günther-Ziehl-Straße 1, Kupferzell, 74635, DE)
International Classes:
B60K7/00
Foreign References:
EP0865978A11998-09-23
DE102014209177A12015-11-19
DE102004044688A12006-05-18
DE102008011870A12009-09-03
US20150108823A12015-04-23
DE4110638A11992-10-08
Attorney, Agent or Firm:
ULLRICH & NAUMANN (Schneidmühlstraße 21, Heidelberg, 69115, DE)
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Claims:
A n s p r ü c h e

1. Radnabenantrieb als direkter Antrieb eines Rades eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mit einem vorzugsweise als permanent erregter Synchronmotor (PMSM) - Außenläufermotor - ausgeführten elektrischen Motor, der im wesentlichen im Bereich innerhalb des Rads angeordnet ist, wobei zum Bremsen ein rotierendes Teil einer Reibungsbremse kraft- und/oder form- und/oder materialschlüssig an den Motor angebunden ist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das rotierende Teil von außerhalb des Motors direkt oder indirekt mit dem Rotor des Motors wirkverbunden ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Teil über einen Flansch direkt mit dem Rotor des Motors verbunden ist. 3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem rotierenden Teil und dem Flansch ein Rohr/Zylinder erstreckt, bzw. dass der Flansch Bestandteil eines Rohrs/Zylinders ist.

4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem rotierenden Teil um die Bremsscheibe einer

Scheibenbremsanlage handelt.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem rotierenden Teil um die Bremstrommel einer Trommelbremsanlage handelt.

6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung des rotierenden Teils vorzugsweise entlang der Motorachse, entsprechend der Breite des Rotors am Ende bzw. nahe dem Ende des Rotors, auf dem nicht drehenden Statorträger erfolgt.

7. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem bauteilfreien Innenraum des Stators ein interner Umrichter und ggf. weitere elektrische/elektronische Bauteile integriert sind.

8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem bauteilfreien Innenraum des Stators ein weiterer elektromagnetischer Motorkreis, beispielsweise als Innenläufer ausgebildet, untergebracht ist, wobei die beiden Motorkreise vorzugsweise durch einen oder mehrere externe Umrichter betreibbar sind.

9. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor außenseitig/radseitig einen abnehmbaren Flansch hat, durch dessen Entnahme der Innenraum und somit der Umrichter und/oder die Elektrik/Elektronik und/oder der weitere Motorkreis zugänglich ist/sind.

10. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Rad um ein Zwillingsrad für eine Zwillingsbereifung handelt.

Description:
RADNABENANTRIEB

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radnabenantrieb als direkter Antrieb eines Rades eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mit einem vorzugs- weise als permanent erregter Synchronmotor (PMSM) - Außenläufermotor - ausgeführten elektrischen Motor, der im wesentlichen im Bereich innerhalb des Rads angeordnet ist, wobei zum Bremsen ein rotierendes Teil einer Reibungsbremse kraft- und/oder form- und/oder materialschlüssig an den Motor angebunden ist. Beispielsweise bei kommunalen Nutzfahrzeugen hat das Antriebskonzept mit Elektromaschinen (E-Maschinen) einen nicht unerheblichen Anteil an der Antriebstechnologie. Während bei konventionellen Antriebsmaschinen, meist mit Diesel oder Gas arbeitend, hinter die Verbrennungskraftmaschine (VKM) ein Getriebe zur Drehmoment- und Drehzahlübersetzung geschaltet ist, kann bei E-Maschinen eine mechanische Getriebeübersetzung komplett entfallen, nämlich aufgrund einer entsprechenden Motorkennlinie. Im Rahmen eines Antriebskonzepts mit Elektromaschinen wird ein oder werden mehrere Radnabenantriebe als direkter Antrieb der Räder des Nutzfahrzeugs genutzt. Solche direkten E-Antriebe haben einen elektrischen Außenläufermotor als permanent erregter Synchronmotor (PESM).

Außenläufermotoren als rotativ getriebene elektrische Direktantriebe lassen sich grundsätzlich bei Elektrofahrzeugen, seriellen Hybridfahrzeugen, insbesondere bei Stadtbussen als Solo- oder Gelenkbusse, bei Flughafenbussen sowie bei Sonderfahrzeugen und Nutzfahrzeugen einsetzen.

Lediglich beispielhaft sei in Bezug auf einen solchen elektrischen Radnabenantrieb auf die DE 41 10 638 A1 verwiesen. Zahlreiche Ausprägungen eines solchen Radnabenantriebs sind obendrein aus der Praxis bekannt. Bei bekannten Radnabenantrieben ist eine integrale, verschleißbehaftete Reibungsbremse vorgesehen. Dazu ist in der E-Maschine eine innenliegende, drehende Welle kraft- und/oder formschlüssig am Radnabenmotor angebunden. Aufgrund der beim Bremsen/Beschleunigen auftretenden Kräfte und Momente ist es erforderlich, die Welle äußerst groß zu dimensionieren und/oder aus hochfestem Material, insbesondere hochfestenn Stahl, auszuführen, um einer Belastung aus Radaufstand und Bremsung dauerhaft standhalten zu können. Dabei soll eine Optimierung des Kraftflusses beim mechanischen Bremsen und Beschleunigen zwischen dem Bremssystem, dem Antrieb und der Straße stattfinden.

Bei Systemen der zuvor beschriebenen Art, bei denen sich mittig durch die E- Maschine bzw. den Motor eine drehende Welle erstreckt, ist die Lagerung auf der innenliegenden Welle angebunden und muss daher bezüglich der Radaufstands- kraft starke Verformungen und insbesondere auch Schiefstellungen hinnehmen.

Ein weiteres Problem resultiert aus der Forderung, wonach der Luftspalt zwischen der Stator-Wicklung und den Rotormagneten während des Betriebs konstant zu halten ist. Dazu ist bei den bekannten Radnabenantrieben ein Dünnringlager eingesetzt, um Verbiegungen und Verformungen des Rotortopfes zu minimieren.

Schließlich kann bei den bekannten Radnabenantrieben um die drehende Welle bzw. das lagernde Bauteil konzentrisch herum ein Umrichter angeordnet sein (integrierte Anordnung des Umrichters), zumal bei integrierter Anordnung des Um- richters dort der einzige Raum zur Verfügung steht. Dadurch wird dem Konstrukteur eine Bauform des Umrichters aufgezwungen, die kosten- und fertigungstechnisch nicht optimal ist. Außerdem lässt sich ein derart ausgebildeter und angeordneter Umrichter ausschließlich bei Demontage der Radnabenantriebseinheit vom Achsantriebsmodul zur Wartung und/oder zum Austausch zugänglich machen. Dies ist äußerst wartungs-/kostenintensiv.

Im Lichte der voranstehenden Ausführungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Radnabenantrieb zu schaffen, der sich von den aus der Praxis bekannten Radnabenantrieben unterscheidet. Der Unterschied soll aus einer Opti- mierung des Kraftflusses beim mechanischen Bremsen zwischen Bremssystem, Antrieb und Straße resultieren. Außerdem soll der erfindungsgemäße Radnabenantrieb einfach in der Konstruktion sein und sich mit geringem Aufwand warten lassen. Schließlich soll eine hinreichende Stabilität der einzelnen Komponenten auch bei Spitzenbelastung gewährleistet sein. Voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist der gattungsbildende Radnabenantrieb dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Teil von außerhalb des Motors direkt oder indirekt mit dem Rotor des Motors wirkverbunden ist.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine Reibungsbremse mit innenliegender Welle einerseits anfällig ist und andererseits nicht unerheblichen Bauraum verschenkt. In Abkehr zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ist in erfindungsgemäßer Weise ein Motorkonzept geschaffen worden, wonach das rotierende Teil des Bremssystems von außerhalb des Motors direkt oder indirekt mit dem Rotor des Motors wirkverbunden ist. Somit werden die Kräfte nicht etwa durch eine in der Dimensionierung begrenzende, mehr oder weniger dicke Welle übertragen. Vielmehr ist das rotierende Teil vorzugsweise über einen Flansch direkt mit dem Rotor des Motors verbunden. Eine innenliegende Welle ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Motorkonzepts nicht erforderlich. Die Belastung wird über eine größere Geometrie abgestützt, so dass die Werkstofffestigkeit sogar reduziert werden kann. Jedenfalls dominiert die Werkstofffestigkeit nicht mehr die Materialauswahl für das zwischen dem rotierenden Teil der Reibungsbremse und dem Rotor des Motors wirkenden Bauteil.

Im Konkreten ist es von Vorteil, wenn zwischen dem rotierenden Teil der Reibungsbremse und dem Flansch sich ein Rohr/Zylinder erstreckt, wobei der Flansch Bestandteil des Rohrs/Zylinders sein kann. An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei dem rotierenden Teil um die Bremsscheibe einer Scheibenbremsanlage handeln kann. Weitere Bauteile können wirkungstechnisch dazwischen angeordnet sein. Eine unmittelbare Anbindung ist jedoch von Vorteil. Die Lagerung des rotierenden Teils erfolgt vorzugsweise entlang der Motorachse, entsprechend der Breite des Rotors am Ende bzw. nahe dem Ende des Rotors, und zwar auf dem nicht drehenden Statorträger. Dies bedeutet, dass die Lagerung auf größeren Durchmessern, innenliegend auf einem stehenden Bauteil anstelle (im Gegensatz zum Stand der Technik) auf einer drehenden Welle stabil abgestützt wird. Die Hauptlagerung erfolgt entlang der Motorachse, wodurch Schiefstellungen und Verformungen der lagernden Bauteile stark reduziert, wenn nicht sogar ausgeschlossen sind.

Der erforderliche Luftspalt zwischen den stehenden und beweglichen Teilen ist durch das geänderte Lagerungskonzept und das geschlossene Rotordesign sichergestellt. Er unterliegt geringeren Schwankungen als im Stand der Technik und kann somit kleiner ausgeführt werden, was sich wiederum positiv auf die Leistungsdichte und das Laufverhalten der E-Maschine auswirkt. Das wesentliche Merkmal der Erfindung, wonach das rotierende Teil von außerhalb des Motors direkt oder indirekt mit dem Rotor des Motors wirkverbunden ist, hat zur Folge, dass eine innenliegende drehende Welle nicht erforderlich ist. Folglich ist innerhalb des Stators ein bauteilfreier Innenraum geschaffen, in dem ein interner Umrichter und ggf. weitere elektrische/elektronische Bauteile integrierbar sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist hier keine koaxiale Bauform des Umrichters und der elektrischen/elektronischen Bauteile erforderlich. Vielmehr lässt der bauteilfreie Innenraum nahezu beliebige, kostengünstig herstellbare geometrische Formen des Umrichters und sonstiger elektrischer/elektronischer Bauteile zu, die dort als integrale Bauteile untergebracht werden können.

Im Rahmen einer weiteren Alternative oder einer Ergänzung ist es ebenso möglich, den bauteilfreien Innenraum des Stators zur Unterbringung eines weiteren elektromagnetischen Motorkreises zu nutzen, beispielsweise eines Innenläufers. Die beiden Motorkreise können vorzugsweise durch einen oder mehrere externe Umrichter betreibbar sein. Mit anderen Worten können in dem bauteilfreien Innenraum die Wicklung und Magnete des weiteren E-Motors angeordnet sein, wobei die beiden Motorkreise gemeinsam oder unabhängig voneinander per internem und/oder externem Umrichter betreibbar sind.

Nun bietet der Innenraum des Stators mit den darin angeordneten elektrischen/ elektronischen Bauteilen und ggf. mit dem Innenläufer den Vorteil, eine leicht zugängliche Revisionsöffnung zu schaffen, nämlich zur einfachen Wartung bzw. Reparatur. Dazu könnte auf der Rad- bzw. Fahrbahnseite des E-Motors ein ab- nehmbarer Flansch vorgesehen sein, wodurch die Zugänglichkeit zum Umrichter und ggf. zu den weiteren elektrischen/elektronischen Bauteilen verbessert ist. Im Rahmen einer solchen Zugänglichkeit ist der Aufwand für Wartung, Reparatur und Austausch stark reduziert.

Es sei angemerkt, dass die zuvor angesprochene verbesserte Zugänglichkeit per Flansch bedingt, dass sich der Rotor, nach Ausbau des Flanschs, auf dem Statorträger abstützen kann. Bevorzugt ist dies über eine entsprechende Anordnung der Lager zu gewährleisten, so dass das Entfernen des Flansches keine Auswirkung auf die Positionierung der Bauteile hat. Andernfalls muss der nominale Spalt zwischen dem Rotor und dem Statorträger an einer definierten Abstützstelle kleiner ausgeführt sein als der Luftspalt zwischen den Rotormagneten und der Statorwicklung. Im Rahmen einer solchen Ausgestaltung lässt sich der Flansch ohne Beschädigung des Motors einfach demontieren, wodurch der Zugang geschaffen ist.

Schließlich sei angemerkt, dass sich der zuvor beschriebene Radnabenmotor als Antrieb für beliebige Fahrzeuge eignet, insbesondere für Nutzfahrzeuge und aufgrund der erforderlichen Breite der Felge insbesondere bei einer Felge mit Zwillingsbereifung.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Schnittzeichnung, teilweise, ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Radnabenantriebs mit Außenläufermotor, und Fig. 2 in einer schematischen Schnittzeichnung, teilweise, eine Variante des erfindungsgemäßen Radnabenantriebs bei der die Lagerung innenliegend auf stehenden Komponenten abgestützt ist.

Figur 1. zeigt in einer schematischen Schnittzeichnung, teilweise, einen erfindungsgemäßen Radnabenantrieb mit Außenläufermotor, wobei der Radnabenantrieb einer Felge 1 für eine Zwillingsbereifung zugeordnet ist. Die Felge 1 ist mit ihrem Felgenbett 2 und ihrer Anbindung an den Antrieb lediglich angedeutet.

Der Radnabenantrieb umfasst als wesentliche Bestandteile einen drehfest mit der Felge 1 verbundenen Rotor 3, der mehrteilig ausgeführt sein kann. Innerhalb des Rotors 3 (Außenläufer) ist der Stator 4 als nicht drehendes Bauteil angeordnet. Wicklungen und Kühlhülse 5 des Stators 4 sind angedeutet.

Während im Stand der Technik axial durch den E-Motor sich eine mit einer Bremsscheibe verbundene Welle erstreckt, ist hier ein ganz anderes Motorkonzept realisiert, wonach nämlich das rotierende Teil der Reibungsbremse, in diesem Falle die Bremsscheibe 6, von außerhalb des Motors direkt mit dem Rotor 3 verbunden ist, und zwar über einen Flansch 7. Bei dem Flansch 7 kann es sich um ein separates oder integrales Bauteil handeln. Die Anbindung an den Rotor kann ebenfalls auf beliebige Weise erfolgen, nämlich kraft- und/oder form- und/oder materialschlüssig.

Fig. 2. zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Radnabenantriebs, bei der die Lagerung (8, 9) innenliegend auf stehenden Komponenten stabil abgestützt ist. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 1. eine Lageranordnung mit einem am Innenring drehend abgestützten Lager (9). Entsprechend befinden sich nach Fig. 2 die Lager 8, 9 unter Berücksichtigung der Breite des Rotors soweit wie möglich außen und wirken zwischen dem feststehenden Stator 4 und dem drehenden Rotor 3, der auf der Außenseite, der Reibungsbremse zugewandt, mit dem Flansch 7 und somit dem rotierenden Teil bzw. Bremsscheibe 6 der Reibungsbremse zugeordnet ist. Im Lichte der allgemeinen Beschreibung und der voranstehenden Figurenbeschreibung seien die erfindungsgemäßen Vorteile und Ausführungen noch einmal in Abgrenzung zum Stand der Technik wie folgt zusammengefasst: Nach der erfindungsgemäßen Ausführung ist die Lagerung von drehenden Innenringen auf einer Welle umgestellt auf stehende Innenringe auf einer Welle und/oder drehende Innenringe auf einem Flansch. Ein Flansch ist gegenüber einer Welle durch ein deutlich größeres Verhältnis „Durchmesser zu Länge" gekennzeichnet. Hierzu lassen sich die Lager an eine möglichst axial entfernte Position verschieben, welche das Ende des rotierenden Motorteils abgrenzt. Dadurch ist es möglich, den rotierenden Teil der Reibungsbremse (Bremsscheibe der Scheibenbremsanlage oder Bremstrommel der Trommelbremsanlage) mit einem großen drehenden Flansch direkt an den Rotor anzubinden. Hohe Bremsmomente und systembedingte Aufstellmomente der Scheibenbremsanlage sind dann über eine größere Geometrie und somit ein höheres Widerstandsmoment abgestützt. Die Werkstofffestigkeit kann dabei reduziert werden. Alternativ kann auch der Materialeinsatz bzw. die Materialstärke reduziert werden, um ein geringeres Gewicht zu erreichen. Dies ist unter Berücksichtigung der Faktoren Kosten, Gewicht und Lebensdauer abzuwägen.

Gemäß Erfindung ist die Lagerung auf größeren Durchmessern abgestützt, und zwar, innenliegend auf stehenden Komponenten statt auf drehender Welle gemäß Stand der Technik. Die erfindungsgemäße Anordnung ist daher stabiler. Die Hauptlagerung ist entlang der Motorachse und entsprechend der Breite des Rotors ausgelegt. Schiefstellungen und Verformungen der lagernden Bauteile sind aufgrund der geometrischen Ausprägung stark reduziert.

Der Luftspalt ist durch das geänderte Lagerungskonzept dauerhaft sichergestellt und unterliegt geringeren Schwankungen als im Stand der Technik. Die Anordnung kann somit kleiner ausgeführt werden, was positiven Effekt auf die Leistungsdichte und Laufperformance der E-Maschine hat.

Durch Entfall der innenliegenden drehenden Welle entsteht ein großer hohler Innenraum, der nicht durch eine Störgeometrie durchdrungen ist. Dadurch ist es möglich, einen integrierten Umrichter in einer nahezu beliebigen geometrischen Form auszubilden und ist somit kostengünstiger herzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann der vorhandene Bauraum einen weiteren elektromagnetischen Motorkreis (d.h. Wicklung und Magnete ggf. auch als Innenlaufer) aufnehmen. Beide Motorkreise können durch einen oder mehrere interne und/oder externen Umrichter betrieben werden.

Durch ein innenliegendes Lager mit Spielpassung am Außendurchmesser hin zum Statorträger ist es möglich, einen abnehmbaren Flansch an der Fahrbahnseite des Motors zu realisieren, wodurch die Zugänglichkeit zum Umrichter begünstigt ist. Der Aufwand für Wartung und Austausch reduziert sich stark. Hierzu muss sich der Rotor, nach Ausbau des Flanschs, auf dem Statorträger abstützen. Der nominale Spalt zwischen Rotor und Statorträger sollte kleiner ausgeführt sein als der Luftspalt zwischen Rotormagnete und Statorwicklung. Somit ist der Flansch ohne Beschädigung des Motors demontierbar. Eine Einführfase für den Flansch sollte am Rotor vorhanden sein. Eine Zentrierung des Flanschs am Rotor sollte vor Zentrierung des Lagers am Statorträger zum Eingriff kommen.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Er- örterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Bezugszeichenliste

1 Felge, Zwillingsfelge

2 Felgenbett

3 Rotor (des E-Motors)

4 Stator (des E-Motors)

5 Wicklungen, Kühlhülse (des Stators)

6 Bremsscheibe (rotierendes Teil der Reibungsbremse)

7 Flansch (zur Verbindung zwischen dem rotierenden Teil der Reibungsbremse und dem Rotor)

8 Lager B-Seite

9 Lager A-Seite