CN102077447A - 特别是用于对机动车涡轮增压器中的瓣板进行调整的线性伺服驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性伺服驱动装置，特别是用于对机动车涡轮增压器中的瓣板进行调整，该线性伺服驱动装置具有能由电机来线性运动的调整元件(07)。根据本发明的线性伺服驱动装置的长处在于，该电机为两相横向磁通电机，在两个单相的、彼此相对而置的定子之间布置有转子(10)，并且转子(10)与可旋转的并且线性固定的旋转元件(09、28)抗相对转动地连接，旋转元件(09、28)与可线性运动的调整元件(07)相嵌接，以便于在旋转元件的旋转时，引起调整元件(07)的线性推移。

Description

特别是用于对机动车涡轮增压器中的瓣板进行调整的线性伺服驱动装置

技术领域

本发明涉及一种线性伺服驱动装置，其特别地用于对机动车涡轮增压器中的瓣板进行调整，该线性伺服装置带有可由电机使其线性运动的调整元件，优选为主轴。

背景技术

涡轮增压器用于通过预压缩流到内燃机中的空气来实现内燃机的功率提高。该预压缩在给定的燃烧室容积的情况下使得内燃机的燃烧室填充量的提高成为可能。因为最大的功率受到燃烧室填充量的限制，所以可实现的转矩和功率随增加的燃烧室填充量而增加。在涡轮增压器中，对于在内燃机入口侧的空气预压缩而言必需的能量从废气的内部的和动力学的能量中获取。废气驱动涡轮，涡轮通过轴驱动压缩机。从废气传递到涡轮上的功率由经过涡轮的废气质量流和焓差来确定。

此外，对加载压力的调节可通过可机械调整的瓣板来进行实现。根据瓣板位置，将较大的或较小的废气质量流导引经过涡轮。对瓣板的调整迄今主要通过气动的线性伺服驱动装置来实现，其中，所需的压缩空气由该系统自身分出。虽然气动的线性伺服驱动装置是低价的，并且被大批量制造，但是气动的线性伺服驱动装置与一些缺点相联系。一方面，瓣板位置不能被精确地调整。基本上，仅“开”和“关”的状态可被可靠占据，中间位置仅能不精确地且以较小的动力得到转换。另一方面，气动的线性伺服驱动装置具有如下缺点，即，其要求复杂的压力供给。在压力系统泄露的情况下，可能非常迅速地导致线性伺服驱动装置的失灵。普遍地，电机械式线性伺服驱动装置以不同的实施方式为人所知。在较低的伺服功率和较高的成本压力的情况下，经常使用与机械换向的直流马达相组合的由塑料制成的蜗杆传动装置。具有带自锁件的常规传动级(大多情况下为蜗杆传动装置)的电机械式线性伺服驱动装置，虽然达到较高的传动比，然而具有较高的效率变动。为了确保可靠的自锁，可选择较低的标称效率。在最不利的情况中，电机和电子器件的电气功率必须以较高的安全系数以及进而很昂贵地进行设计。仅通过蜗杆传动装置，尚不能产生用于对涡轮增压器的上述的瓣板进行调整所需的线性运动。为了实现该线性运动，需要齿条或杠杆系统，其需要额外的结构空间和成本以及增加了伺服驱动装置的易磨损性

从现有技术中同样已知如下电机械式线性伺服驱动装置，其中，电机直接通过主轴螺母产生线性力。这样的线性伺服驱动装置在机动车的情况中被例如用于调整前大灯或空气瓣板。该线性伺服驱动装置通常具有由塑料制成的主轴螺母和齿形磁极步进马达。带有塑料主轴螺母和齿形磁极步进马达的线性伺服驱动装置仅在低功率的应用场合中以较小的动力来使用。这一方面归因于塑料主轴螺母的较低的效率和较高的磨损，并且另一方面同样归因于齿形磁极步进马达的低效率。由于在齿形之间较高的漏磁流，仅达到大约为30％的效率。冷却问题阻碍了高功率下齿形磁极马达的经济的利用。

在DE 10 2005 055 868A1中描述了带有螺纹传动装置的线性伺服马达，其中，通过金属盘片形成螺纹螺母。

由DE 10 2005 040 290A1公知一种用于对机动车中用于供给空气的瓣板进行调整的驱动装置。减速传动装置与驱动马达共同布置在壳体中。驱动马达的转子呈钟罩状地包围定子组件。

由EP 1 126 582A2可以获知一种带有可由电气伺服驱动装置使其运动的线性挺杆的线性伺服驱动装置。电气伺服驱动装置为电子换向的电机，电极的转子同中心地包围线性挺杆。转子可具有带螺纹的主轴螺母，以用于使线性挺杆运动。在该实施方式中，在转子上从外部同中心地布置有多个磁体环，或者同中心地布置有多重极化的磁体环。在用于内燃机的可变的涡轮增压器中，线性伺服驱动装置可用于调整涡轮增压器的叶片。

发明内容

因此基于EP 1 126 582A2，本发明的任务在于，提供改进的、特别是用于对机动车中的瓣板进行调整的线性伺服驱动装置可供使用，该线性伺服驱动装置以高动力、小尺寸和低制造成本见长。

为了解决根据本发明的任务，使用根据所附权利要求1的线性伺服驱动装置。

根据本发明的线性伺服驱动装置的长处在于，用于使主轴运动的电机是两相横向磁通电机，该两相磁通电机的转子布置在两个单相的、彼此轴向相对置的定子之间，并且与如下旋转元件相连接，该旋转元件与主轴保持嵌接，并且该旋转元件的转动被转换成主轴的线性运动。

被证实特别有利的是，转子包括与主轴嵌接的主轴螺母或摆动套筒(Taumelhülse)。在此，转子的磁性活化的部分直接布置在主轴螺母或摆动套筒的轴向相对而置的侧上。根据本发明的解决方案的另一优点在于，主轴螺母或摆动套筒通过所谓的中间转动件

来驱动，该中间转动件布置在对称地构建的电机的中心。由此产生较短的力行程。旋转的质量非常小。运动的部件的与小质量相联系的很小的惯性提供了较短的加速时间，由此，根据本发明的线性马达注定作为用于涡轮增压器的瓣板的伺服驱动装置。

根据一有利的实施方式，电机实施为两相横向磁通磁阻电机。该磁阻电机的使用是有利的，这是因为：其中，可以取消高成本的单独的转子位置传感器。作为代替，在磁阻电机中，已存在的绕组被用作传感器线圈，并且磁回路被用作取决于角度的电感。因此，在无额外的构件的情况下能以可通过马达的控制电子器件确定的分辨率来实现模拟的角度测量。按照该方式，可节省制造成本。

有利的是，两个定子具有结构相同的定子芯。在这种情况下，磁性的工作空隙在径向上相叠地布置。相对于呈齿形磁极结构形式的常规罐式马达(Dosenmotor)，通过该布置方案可明显降低漏磁流，由此可达到明显更高的效率。额外地，作用到转子上的空隙力很大程度上得到补偿，并且轴承或主轴螺母或者摆动套筒受磁力的加载很大程度上被限制为所期望的切向的转矩。

在一种适宜的实施方式中，定子芯由具有U形横截面的环形片材组成，其中，所述U形横截面的臂具有带有轴向突出的齿的径向内部的和径向外部的冠状齿圈。径向内部的和径向外部的冠状齿圈的齿数相同，并且与线性伺服驱动装置的磁极对数相应。少而厚的用于定子芯的磁性片材的使用是有利的，磁性片材制造成冲压弯曲件，并且彼此嵌套。

根据另一种有利的实施方式，定子分别具有构造成环形线圈的定子线圈。铝条线圈的使用被证明是特别有利的。铝条线圈明显比铜丝线圈更便宜。铜丝线圈显然同样可得到使用。铝条线圈很大程度上以较高的装填系数来补偿铝的较低的导通能力的缺点。铝条线圈具有两个相反缠绕的绕组半部。绕组半部径向向内引导电流，在该处，电流在内部的冠状齿圈的间隙中变换到第二线圈半部中，且在该线圈半部中又以相同的转动方向径向向外流动。

在一种适宜的实施方式中，转子由较少的双重设有齿的环形片材构成。该转子实施方案特别便宜。环形片材可通过冲压以及必要时通过组件化来制造。

对于逆着负载力矩的调整而言，转子中的或定子中的齿相比槽更宽地实施，并且朝向切向端部具有斜面，该斜面不断增大空隙。

那些在其中斜面减小空隙的方向为优选方向，并且在优选方向上，相位可被＞180°el地馈流，由此，可以实现从每个位置出来的逆着负载的调整。然后，负载力矩在逆着优选方向的调整中有帮助，并且在开始时，调整系统首先在优选方向上由优选位置旋出小于一步(例如150°el)，并且然后第二相位被提前最大限度地馈流。通过该不完整的步进行方向逆反，并且在逆着优选方向的负载力矩的支持下加速调整机构。在摆动螺母的机械效率接近50％时，较小的转子质量的摆动足以越过无力的角度区域，并且尽管馈流时间＜180°el，同样逆着优选方向可靠进行调整。

即使在机械效率明显低于50％的情况下的可靠的调整和较高的功率密度能以带有持久磁体环的转子的结构形式来实现。在该情况中，涉及到永久激励的横向磁通电机。在此，带有可交替地径向磁化的区段的两个持久磁体环优选可被安置在主轴螺母或者摆动套筒的轴向相对而置的侧上。然而，该转子实施方案与较高的成本相联系。

在本发明的一种特别优选的实施方式中，转子在轴向方向上具有不对称的结构。通过在转子的其中一侧上以先前所描述的方式布置有永久磁体环，向配属于两相横向磁通电机第一相位的第一定子分配永久激励件。向第二定子分配有在转子的另一侧上的设有齿的转子部件。在该实施方式中，横向磁通电机在第一相位中作为永久激励的横向磁通马达来工作，并且在第二相位中作为磁阻电机来工作。在该实施方式中，特别有利的是该电机的改进的起动表现。永久激励的相位可利用磁性吸引的力和磁性排斥的力，并且直至接近磁极盖的较小的角度范围，都强烈有助于转矩形成。磁阻相位恰在转矩较弱的角度范围中有助于转矩形成。转矩形成可通过在转子的磁阻侧上的相位应较高的齿数以及可通过定子在两个方向上合适的馈流得到优化。

与永久激励的方案相比，相对较高的转矩可在降低的成本的情况下实现。在第二相位(辅助相位)中，用于永久磁体的成本被节省。同时，该相位可出众地用作用于电子换向的角度传感器，由此可省去另外需要的传感器。该混合形式将永久激励的优点(高转矩)与磁阻电机的优点(低成本)相组合，并且此外，改善了驱动装置的起动表现。

根据另一种有利的实施方式，转子通过支承片与主轴螺母或者摆动套筒相连接。支承片可由不锈钢或塑料制成。转子片材环可被直接铸入塑料支承片中。无论是不锈钢还是塑料均被用于支承片，线性伺服驱动装置的旋转的部件可相对较小并且较便宜地制造。有赖于较小的惯性，能以小转矩实现高动力。

基于转子的紧凑的实施方案，可行的是：仅通过中心的轴承来支承转子。在这种情况下，轴承直接布置在转子片材环之间。通过仅需要一个轴承，相比传统的解决方案(在其中通常使用两个轴承)可实现明显的成本降低。

此外，有利的是，线性伺服驱动装置具有用于轴向引导主轴的定子套筒。定子套筒优选地制造成由耐热的具有良好滑动特性的塑料构成的注塑件。定子套筒填满在定子芯的内部冠状环中的间隙，并且同样可被直接注塑到内部冠状环上。除了用于主轴的引导功能外，定子套筒使定子芯稳定化，并且固定定子芯。

附图说明

本发明的另外的优点、细节和改进方案参照附图从对优选实施方式下面的说明中得到。其中：

图1以纵向截面图示示出根据本发明的线性伺服驱动装置的第一实施方式；

图2以纵向截面图示示出根据本发明的线性伺服驱动装置的第二实施方式；

图3以纵向截面图示示出线性伺服驱动装置的第三实施方式。

具体实施方式

图1以纵向截面图示示出根据本发明的线性伺服驱动装置的第一实施方式。根据本发明的线性伺服驱动装置包括呈罐状的壳体，该壳体由第一壳体罐状件01和第二壳体罐状件02构成。第二壳体罐状件02在其敞开的端部处具有扩展部03，在该扩展部03内布置有第一壳体罐状件01的敞开的端部。为了密封，使用布置在第一壳体罐状件01处的O形环04。第一壳体罐状件01具有用于固定在连接构件处的保持件05。在第二壳体罐状件02上布置有用于能量供给和信号传递的插头06。在经修改的实施方式中，两个壳体罐状件能以不同的方式相互连接。同样地，插头的位置是可变的。

在壳体内布置有主轴07，主轴07的一端从第一壳体罐状件01中伸出。该主轴端部可与待驱动的元件(未示出)(例如机动车涡轮增压器的瓣板)相连接。为了密封主轴07使用轴密封件08。绕主轴07同中心地布置有主轴螺母09。主轴07的螺纹段嵌接到主轴螺母09的相应的对螺纹中。主轴螺母09由光滑材料构成。

为了使主轴螺母09旋转式运动(通过主轴螺母09引起主轴07的线性运动)，使用实施为两相横向磁通磁阻电机的电机。横向磁通磁阻电机包括两个单相的、彼此相对而置的定子和布置在两个定子之间的唯一的转子10。两个定子具有结构相同地实施的定子芯12。定子芯12由至少两个彼此嵌套的、具有U形横截面的环形片材组成，所述定子芯12的臂分别具有两个冠状齿圈。此外，定子包括各一个定子线圈13。定子线圈13实施为环形线圈。在图1中所示出的实施方式中，由铜质圆形线材构成的环形线圈得到使用。磁通量基本上在径向上从定子芯12到转子10以及从转子10返回到定子芯12地变换，并且在此，使用两个具有不同直径的环形空隙14。

在所示的特别成低廉本的变动方案中，转子10由较少的双重设有齿的片材环组成。

而作为片材环的替代地，转子10同样能以永久磁体来实施。那么必须设置有用于识别转子位置的传感器件。

每个定子的两个径向的空隙14磁性地串联。由此，转子10在定子芯12的U形开口中的位置变化仅很少地影响到磁力上。这一点在轴向上，还有径向上适用。这种相对于空隙公差的相对不灵敏性使得简单的支承和装配线性伺服驱动装置成为可能。空隙的径向力分量部分地相互补偿。由此，转子很大程度上被去负载，并且轴承摩擦降低。

主轴螺母09通过旋转的支承片15与转子10相连接。为了支承转子10使用中心轴承16，中心轴承16通过静止的支承片17与第一壳体罐状件01保持连接。在示出的实施方式中，轴承16实施为滚动轴承。为了引导主轴07使用定子套筒19，定子套筒19同时还使定子芯12稳定化和固定。

作为补充或备选地，在主轴07的端部上可以布置有滑块，并且在输出侧上，在螺纹之前，将滑动套筒布置在主轴上。通过这些滑动元件(未示出)，确保主轴07精确的线性引导，而螺纹不会损伤定子套筒19。

定子线圈13的控制通过控制电子器件21来进行。控制电子器件21优选地布置在第二壳体罐状件02的底部上。为此，使得圆形的盘片作为结构空间可供使用。在轴向上，控制电子器件21的结构高度应最小化地实施。控制电子器件21包括圆柱形的电容器22，该电容器22在第二壳体罐状件02中布置在定子套筒19的未被主轴07占据的区域中。所有其它电子构件优选在一侧布置并且灌封在电路载体23上。在电子构件的背侧之上，电路载体23将热损耗通过导热薄膜24导出到第二壳体罐状件02的底部上，从而获得了良好的冷却效果。插头06在第二壳体罐状件02的底部的边缘上沿轴向或同样在径向上从第二壳体罐状件02伸出。定子线圈13的连接部在径向上外置地布置，以便定子线圈在轴向上通过轴承支撑能被引导至控制电子器件21。通过在第二壳体罐状件02中的开口，在固定插头06之前能将位于第一壳体罐状件01的区域中的定子线圈13的两个连接部连接到电路载体23上。控制电子器件21借助于测试脉冲检测定子线圈13依赖于角度的电感变化，并且由此获知转子位置。因此，可以取消另外用于该目的的转子位置传感器，这除了装配简化之外特别地同样引起成本节省。

控制电子器件21集成到壳体中有助于降低系统成本。

通过对定子相应的控制，使主轴螺母09转动，从而使得主轴07从壳体中驶出或驶入到壳体中。在此，定位规则通过插头06到达到控制电子器件21处，控制电子器件21将该信号转换为用于定子的控制信号。

图2以纵向截面图示形式示出根据本发明的线性伺服驱动装置的第二实施方式。该实施方式与图1中所描述的实施方式的区别基本在于：由铝条组成的环形线圈被用于定子线圈13。铝条设有作为绝缘部的氧化层。铝条线圈由两个相反地缠绕的半部组成。通过使用铝条线圈代替铜丝线圈，可节省成本。相对于第一实施方式的另外的区别在于，包括旋转的滑动轴承件26和静止的轴承圈27的滑动轴承被用作轴承。滑动轴承相比于滚动轴承更便宜。因此，通过使用滑动轴承可进一步节省成本。此外，作为主轴螺母的替代，可使用摆动套筒28。摆动套筒28在其内部的壳面上具有切向的沟槽。为了定位摆动套筒28，在该情况中设置有引导套筒29，其引导套筒29在轴向上在摆动套筒28的右边和左边延伸。

在图3中示出永久激励件和磁阻马达作为“混合形式”的第三实施方式。控制电子器件21和插头06在该实施方式中布置在线性伺服驱动装置的轴侧上。定子芯12、定子线圈13、旋转的滑动轴承件26和摆动套筒28可如前面所描述的那样来实施。显然，该实施方式同样能利用根据图1的主轴螺母和滚动轴承来实施。

转子在该实施方式中不对称地来构造，该转子在左边示出的定子侧上以永久磁体31来实施，在右边以转子片材组件32来实施。

于是，两相横向磁通电机左边示出的相位永久激励式地工作，并且在大约60-80％的周期时长内提供转矩。在换向时间期间，转矩的产生受到磁阻侧(右边示出的侧)的支持。磁阻辅助力矩在大约20-40％的周期时长中起作用。额外地，磁阻侧作为感应式角度传感器起作用，并且产生转子位置信号，以用于对永久激励的半部进行电子换向。

定子绕组13与各侧的控制要求相应地来设定尺寸。

附图标记列表

01第一壳体罐状件

02第二壳体罐状件

03第二壳体罐状件的扩展部

04 O形环

05保持件

06插头

07主轴

08轴密封件

09主轴螺母

10转子

11 -

12定子芯

13定子线圈

14空隙

15旋转的支承片

16滚动轴承

17固定的支承片

18 -

19定子套筒

20 -

21控制电子器件

22电容器

23电路载体

24导热薄膜

25 -

26旋转的滑动轴承件

27固定的轴承圈

28摆动套筒

29引导套筒

30 -

31永久磁体

32转子片材组件

Claims (19)

1.线性伺服驱动装置，特别是用于对机动车涡轮增压器中的瓣板进行调整，所述线性伺服驱动装置具有能由电机来线性运动的调整元件(07)，其特征在于，所述电机是两相横向磁通电机，其中，转子(10)布置在两个单相的、彼此轴向相对而置的定子之间，并且所述转子(10)与能转动地支承的、并且线性固定的旋转元件(09、28)抗相对转动地连接，所述旋转元件(09、28)与能线性运动的所述调整元件(07)相嵌接，以便于在所述旋转元件的旋转时，引起所述调整元件(07)的线性推移。

2.根据权利要求1所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，能线性运动的所述调整元件为主轴(07)。

3.根据权利要求1或2所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，与所述转子(10)相连接的所述旋转元件为主轴螺母(09)或摆动套筒(28)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述定子具有在轴向上彼此相向地取向的、结构相同的定子芯(12)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述定子芯(12)由具有U形横截面的环形片材组成，其中，所述横截面的臂具有带轴向突出的齿的径向内部的冠形齿圈和径向外部的冠形齿圈。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述定子分别具有构造为环形线圈的定子线圈(13)。

7.根据权利要求6所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述定子线圈(13)为铝条线圈或铜丝线圈。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述电机为两相横向磁通磁阻电机，其中，所述转子(10)具有明显的软磁磁极。

9.根据权利要求8所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述转子(10)由双重设齿的环形片材组成。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述电机是永久激励式的，其中，所述转子(10)设有永久磁体。

11.根据权利要求10所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述转子(10)在所述旋转元件(09、28)的轴向相对而置的侧上，包括两个带有交替地径向磁化的区段的永久磁体环。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述转子(10)的配属于所述两相横向磁通电机的第一相位的一侧实施有永久磁体，并且所述转子(10)的配属于第二相位的一侧实施有明显的软磁磁极。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述转子(10)通过支承片(15)与所述旋转元件(09、28)相连接。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述线性伺服驱动装置为了支承所述转子(10)具有轴承(16、26、27)。

15.根据权利要求14所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述轴承是滚动轴承(16)或滑动轴承(26、27)。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述线性伺服驱动装置具有用于在轴向上引导所述主轴(07)的定子套筒(19)。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述旋转元件(09、28)关于所述转子(10)的轴线方向对称地定位在两个相对而置的所述定子之间。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，控制电子器件(21)布置在所述电机的壳体(01、02)中，并且圆柱形的电容器(22)部分地在径向上布置在定子芯(12)内。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的线性伺服驱动装置，其特征在于，所述转子至少部分地在径向上布置在所述定子芯内。

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