DE10156586A1

DE10156586A1 - Elektromotorischer Stellantrieb

Info

Publication number: DE10156586A1
Application number: DE2001156586
Authority: DE
Inventors: Michael Haede
Original assignee: BRUMME KG EFFBE WERK
Current assignee: EFFBE GMBH, 65479 RAUNHEIM, DE
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2003-06-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Stellantrieb zum Antrieb einer, insbesondere von einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfaßten und/oder mit dieser in Wirkverbindung stehenden ersten Systemkomponente des Kraftfahrzeugs, wie einem Turbolader oder dergleichen, wobei der Stellantrieb eine mit einem Stellglied in Wirkverbindung stehende Antriebseinheit aufweist, die zumindest einen elektronisch kommutierten Elektromotor umfaßt, wobei der elektrisch kommutierte Elektromotor in Form einer modularen Dauermagnetmaschine aufgebaut ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Stellantrieb zum Antrieb einer, insbesondere von einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfaßten und/oder mit dieser in Wirkverbindung stehenden ersten Systemkomponente des Kraftfahrzeugs, wie einem Turbolader oder dergleichen, wobei der Stellantrieb eine mit einem Stellglied in Wirkverbindung stehende Antriebseinheit aufweist, die zumindest einen elektronisch kommutierten Elektromotor umfaßt.
Ein gattungsgemäßer elektromotorischer Stellantrieb ist aus der DE 196 11 910 A1 bekannt, die eine elektromechanische Bremsvorrichtung offenbart. In dieser Bremsvorrichtung werden zusätzlich zu einer Scheibenbremse mit einer Bremsscheibe und zwei Bremsbelegen zwei elektronisch kommutierte Motoren eingesetzt, deren Drehbewegungen mittels eines Getriebes überlagert und in eine Linearbewegung umgesetzt werden. Die so erzwungene Bewegung führt dazu, daß die beiden Bremsbelege gegen die Bremsscheibe gepreßt werden. Nachteilig bei dieser Bremsvorrichtung ist, daß das Getriebe eine hohe Übersetzung aufweisen muß, um eine ausreichende Stellgenauigkeit der Bremsbelege erreichen zu können, da die Schrittweite der Motoren verhältnismäßig groß ist. Dies führt dazu, daß die Bremsvorrichtung zwei Motoren aufweisen muß, um eine ausreichende Dynamik zu gewährleisten. Ferner ist der Stellantrieb so konzipiert, daß bei Ausfall beider Elektromotoren ein Verfahren der Bremsbelege gegenüber der Bremsscheibe nicht möglich ist.
Aus der DE 198 56 647 A1 ist ein elektrischer Hochmomentmotor bekannt. Dieser Elektromotor ist in Form einer polyphasigen permanenterregten Synchronmaschine (PPSM), die auch als modulare Dauermagnetmaschine (MDM) bezeichnet wird, ausgeführt, d. h. dieser elektronisch kommutierte Elektromotor weist eine ungleiche Anzahl von Polen im Stator und Rotor auf. Der in dieser Druckschrift offenbarte Motor weist einen hohlzylindrischen Läufer aus Weicheisen auf, der beidseitig mit Permanentmagneten belegt ist und koaxial zwischen einem äußeren Stator und einem inneren Stator angeordnet und mit einer im Maschinengehäuse gelagerten Welle drehfest verbunden ist. Nachteilig bei diesem Hochmomentmotor ist jedoch, daß er konstruktiv aufwendig und somit mit hohen Herstellungskosten verbunden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den gattungsgemäßen elektromotorischen Stellantrieb derart weiterzuentwickeln, daß die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit genauem Antrieb bei gleichzeitiger hoher Dynamik.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der elektronisch kommutierte Elektromotor in Form einer modularen Dauermagnetmaschine aufgebaut ist.
Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß der elektromotorische Stellantrieb mittels des Stellglieds, das vorzugsweise in Form einer mit einem Antriebshebel in Wirkverbindung stehenden, drehbaren Antriebsstange ausführbar ist, mit dem Turbolader, insbesondere zur Verstellung der Turbinen- bzw. Strömungsgeometrie des Turboladers mittels des elektromotorischen Stellantriebs, verbindbar ist.
Ferner wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zumindest eine Welle der Antriebseinheit, insbesondere über ein Getriebe oder direkt, mit dem Stellglied verbindbar ist.
Mit der Erfindung wird auch vorgeschlagen, daß der elektronisch kommutierte Elektromotor als Innenläufer aufbaubar ist, wobei vorzugsweise ein als Rotor wirkender Kern mit der Welle der Antriebseinheit verbindbar ist, und ein den Kern zumindest teilweise umgebender Topf als Stator wirkt.
Eine alternative, erfindungsgemäße Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektronisch kommutierte Elektromotor als Außenläufer aufbaubar ist, wobei vorzugsweise ein als Rotor wirkender sowie einen Kern des Elektromotors zumindest teilweise umgebender Topf mit zumindest einer Welle der Antriebseinheit verbindbar ist und der Kern als Stator wirkt.
Bei den beiden vorgenannten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, daß der Topf oder der Kern zumindest teilweise ein aufmagnetisierbares Material umfaßt oder trägt, vorzugsweise über ein auf zumindest eine Oberfläche des Topfes bzw. Kerns aufgebrachtes, das aufmagnetisierbare Material, wie in Form zumindest eines ferritischen Füllstoffs, beinhaltendes Trägermaterial, wie in Form eines Kunststoffs, umfaßt, und erste Pole des Topfs oder des Kerns durch lokale Aufmagnetisierung dieses Materials bildbar sind.
Alternativ dazu kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß der Topf oder der Kern Dauermagneten umfaßt oder trägt, und erste Pole des Topfs oder des Kerns durch Dauermageneten bildbar sind.
Erfindungsgemäß kann dabei vorgesehen sein, daß der Kern oder der Topf fest mit Wicklungen verbunden ist, die zweite Pole bilden.
Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Stellantriebs ist gekennzeichnet durch eine erste Steuer-, Regel- und/oder Diagnoseeinheit, die mit der Antriebseinheit, einer zweiten mit zumindest einer zweiten Systemkomponente des Kraftfahrzeugs, wie die Elektronikeinheit der Brennkraftmaschine, einer Bremsvorrichtung oder dergleichen, verbindbaren Steuer-, Regel- und/oder Diagnoseeinheit und/oder zumindest einem mit dem Stellglied in Wirkverbindung stehenden Sensor zur Bestimmung der Position des Stellglieds verbindbar ist.
Dabei kann vorgesehen sein, daß die Verbindung bzw. Verbindungen zwischen der ersten Steuer-, Regel und/oder Diagnoseeinheit, der zweiten Steuer-, Regel und/oder Diagnoseeinheit, der ersten Systemkomponente, der zweiten Systemkomponente und/oder dem Sensor mittels zumindest eines elektronischen Bussystems herstellbar ist bzw. sind.
Erfindungsgemäß kann dabei ferner vorgesehen sein, daß Sensor induktiv, kapazitiv, magnetisch, optoelektronisch und/oder berührungslos arbeitet.
Mit der Erfindung wird auch vorgeschlagen, daß der elektromotorische Stellantrieb ein Gehäuse umfaßt, wobei das Gehäuse zumindest teilweise aus einem hitzebeständigen Material, insbesondere umfassend eine Keramik, ein Metall, ein Kunststoff und/oder dergleichen, herstellbar ist.
Erfindungsgemäß kann der elektromotorische Stellantrieb dadurch gekennzeichnet sein, daß das Stellglied bei Ausfall der Antriebseinheit mittels einer Positioniereinrichtung, vorzugsweise automatisch, in eine Notposition verfahrbar ist.
Dabei kann vorgesehen sein, daß die Positioniereinrichtung zumindest ein ein erstes und ein zweites Ende aufweisendes Federelement, vorzugsweise in Form einer Spiral-, Schrauben-, und/oder Zylinderfeder, aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform kann dadurch gekennzeichnet sein, daß das erste oder zweite Ende des Federelements relativ zum Stellglied und das zweite bzw. erste Ende des Federelements relativ zum Gehäuse fixierbar sind, wobei bei Bewegung des Stellglieds aus der Notposition in eine erste Bewegungsrichtung eine der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzte erste Federkraft und/oder bei Bewegung des Stellglieds aus der Notposition in eine sich von der ersten Bewegungsrichtung unterscheidenden zweiten Bewegungsrichtung eine der zweiten Bewegungsrichtung entgegengesetzte zweite Federkraft erzeugbar ist.
Dabei ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Angriff des ersten und/oder des zweiten Endes des, vorzugsweise vorgespannten, Federelements, insbesondere mittels eines mit zwei Gehäuseschalen des Gehäuses verbundenen Stifts, am Gehäuse erzeugbar ist.
Mit der Erfindung wird dabei vorgeschlagen, daß die Positioniereinrichtung eine erste und zweite mit dem Stellglied verbundene Mitnehmervorrichtung umfaßt, wobei insbesondere die erste und zweite Mitnehmervorrichtung in einem ausgeführt sind.
Dabei ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des elektromotorischen Stellantriebs dadurch gekennzeichnet, daß bei Bewegung des Stellglieds aus der Notposition in eine erste Bewegungsrichtung die erste Mitnehmervorrichtung zu 4 m Aufbau einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten, ersten Federkraft Angriff an dem ersten Ende des zumindest einen Federelements findet, und/oder bei Bewegung des Stellglieds aus der Notposition in eine sich von der ersten Bewegungsrichtung unterscheidenden zweiten Bewegungsrichtung die zweite Mitnehmervorrichtung zum Aufbau einer der zweiten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Federkraft Angriff an dem zweiten Ende des zumindest einen Federelements findet.
Alternativ kann vorgesehen sein, daß das erste oder zweite Ende des zumindest einen Federelements in starrem Angriff relativ zum Gehäuse fixierbar ist, und bei Bewegung des Stellglieds aus der Notposition in eine erste Bewegungsrichtung die erste Mitnehmervorrichtung zum Aufδau einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten ersten Federkraft Angriff an dem nicht fixierbaren Ende des zumindest einen Federelements findet, und/oder zumindest bei Bewegung des Stellglieds aus der Notposition in eine sich von der ersten Bewegungsrichtung unterscheidenden, zweiten Bewegungsrichtung die zweite Mitnehmervorrichtung zum Aufbau einer der zweiten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Federkraft Angriff an dem nicht fixierbaren Ende des zumindest einen Federelements findet.
Eine vorteilhafte Weitererfindung des erfindungsgemäßen Stellantriebs ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Federkraft einstellbar sind, insbesondere beide Federkräfte von unterschiedlicher Größe sind.
Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß das Stellglied, vorzugsweise mittels zwischen dem Stellglied und mit dem Federelement zumindest teilweise in Wirkverbindung stehenden Abstützscheiben angeordneten Lagern, wie Gleit- oder Nadellagern, im wesentlichen reibungsfrei relativ zum Federelement bewegbar ist.
Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß ein elektromotorischer Stellantrieb zum Antrieb einer Systemkomponente eines Kraftfahrzeugs so ausgeführt werden kann, daß ein genauer Antrieb bei gleichzeitig hoher Dynamik möglich ist, indem ein Elektromotor einer Antriebseinheit des Stellantriebs als modulare Dauermagnetmaschine (MDM) ausgeführt ist, d. h. daß der Motor eine ungleiche Anzahl von Polen im Rotor und Stator aufweist. Dieser Aufbau des Elektromotors erlaubt eine kleinere Schrittweite beim Betrieb des Motors, wodurch zur Erzielung der gleichen Stellgenauigkeit des Stellantriebs ein Getriebe mit einer geringeren Übersetzung ausreicht. Dies führt zu einem geringeren Trägheitsmoment des Stellantriebs, das im allgemeinen quadratisch mit der Getriebeübersetzung steigt, und damit zu einer höheren Dynamik des Stellantriebs bei gleichbleibender Genauigkeit des Stellantriebs. Ferner muß bei der Auslegung des Stellantriebs nicht mehr ein Kompromiß zwischen einem kleinen, hochdrehenden Motor mit großer Übersetzung und einem großen, drehmomentstarken Motor mit kleiner Übersetzung eingegangen werden, da die spezielle Art der MDMs den Vorteil eines sehr großen Drehmoments bei kleinem Bauraum aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind. Dabei zeigt:
Fig. 1a eine Längsschnittansicht eines in einem erfindungsgemäßen Stellantrieb verwendbaren Elektromotors;
Fig. 1b eine Querschnittansicht eines weiteren in einem erfindungsgemäßen Stellantrieb verwendbaren Elektromotors;
Fig. 2 eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen elektromotorischen Stellantriebs;
Fig. 3 den elektromotorischen Stellantrieb der Fig. 2 im geschlossenen Zustand; und
Fig. 4 eine Längsschnittansicht des erfindungsgemäßen elektromotorischen Stellantriebs der Fig. 3.
In Fig. 1a ist ein Elektromotor 1, der als Antrieb für einen erfindungsgemäßen elektromotorischen Stellantrieb verwendet werden kann, dargestellt. Der Elektromotor 1 umfaßt dabei einen Kern 3 sowie einen Topf 5 und ist als Außenläufer konzipiert. D. h. der Kern 3 fungiert als Stator und wird über eine Öffnung 7 innerhalb eines erfindungsgemäßen Stellantriebs befestigt, während der Topf 5 als Rotor dient und fest mit einer Welle 9 verbunden ist. Die Welle 9 ist über Kugellager 11 und eine Hülse 12 im Kern 3 gelagert. Erfindungsgemäß ist der Elektromotor 1 als modulare Dauermagnetmaschine (MDM) aufgebaut, weshalb die Anzahl der Pole, welche im Kern 3 in Form von Wicklungen 13 auf Halterungen 14 vorhanden sind, unterschiedlich zur Anzahl der Pole des Topfes 5, welche in einem aufmagnetisierbaren Material 1 S. das sich an der Innenwand des Topfes 5 befindet, gebildet sind, ist. Die Verwendung des Materials 15 anstelle von im Topf 5 befestigten Dauermagneten bietet den Vorteil, daß während der Produktion des Elektromotors 1 das gewünschte Verhältnis von Stator- zu Rotorpolen in einfacher Weise eingestellt werden kann, indem das Material 15 in der gewünschten Art aufmagnetisiert wird.
In Fig. 1b ist eine weitere Ausführungsform eines Elektromotors 20 dargestellt, der in dem erfindungsgemäßen Stellantrieb eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1a dargestellten Elektromotor 1 sind im Elektromotor 20 auf der Innenseite eines als Rotor wirkenden Topfes 21 Dauermagneten derart angeordnet, daß insgesamt vierzehn Pole 22 gebildet werden. Zur Veranschaulichung sind zwei Pole 22 als S für Südpol bzw. N für Nordpol gekennzeichnet. Im Inneren des Topfes 21 befindet sich ein sternförmiger Kern 23. Der Kern 23 umfaßt insgesamt zwölf Arme 24. Auf jedem dieser Arme 24 sind Wicklungen 25 angeordnet, wobei aus Übersichtsgründen in Fig. 1b nur zwei Wicklungen 25 eingezeichnet sind. Aufgrund dieser Anordnung weist der Elektromotor 20 zwölf Statorpole und vierzehn Rotorpole auf.
In Fig. 2 ist eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Stellantriebs 30 dargestellt. Als Antriebseinheit ist in dem Stellantrieb 30 ein Elektromotor 32 eingesetzt, welcher als MDM, jedoch im Gegensatz zu dem in Fig. 1a dargestellten Elektromotor 1, in Form eines Innenläufers ausgeführt ist.
Der Stellantrieb 30 umfaßt zwei Gehäuseschalen 34 und 36, die aus einer hitzebeständigen Keramik bestehen, so daß der Stellantrieb 30 hohen Temperaturen, z. B. bis 150°C, standhalten kann und somit in Hochtemperaturbereichen eines Kraftfahrzeugs einsetzbar ist. Die in Fig. 2 untere Gehäuseschale 34 weist eine Ausnehmung 38 zur Aufnahme des Elektromotors 32 und eine Öffnung 40 zur Durchführung einer Antriebsstange 42 auf. Die Antriebsstange 42 ist ferner über ein Nadellager 44 gegen das Gehäuse 34, 36 gelagert. Fest mit der Antriebsstange 42 ist eine erste Scheibe 46, die ein Zahnelement 48 und einen ersten Mitnehmer 50umfaßt, verbunden. In Fig. 2 oberhalb der ersten Scheibe 46 ist eine erste Abstützscheibe 52 angeordnet, welche über ein weiteres Nadellager 54 auf der Antriebsstange 42 gelagert ist. Zwischen der ersten Abstützscheibe 52 und einer zweiten Abstützscheibe 56, die über ein noch weiteres Nadellager 58 auf der Antriebsstange 42 gelagert ist, ist ein Federelement in Form einer Spiralfeder 60 angeordnet. In Fig. 2 oberhalb der zweiten Abstützscheibe 56 ist eine zweite Scheibe 62, welche fest mit der Antriebsstange 42 verbunden ist, angeordnet. Die zweite Scheibe 62 weist einen zweiten Mitnehmer 64 auf. Die durch die untere Gehäuseschale 34 hindurchtretende Antriebsstange 42 ist in einer Aussparung 66 der in Fig. 2 oberen Gehäuseschale 36 aufgenommen. Die Antriebsstange 42 weist ferner eine Nut 68 auf, mittels welcher sie gegenüber der unteren Gehäuseschale 34 gelagert wird.
Im Inneren des Gehäuses 34, 36 des Stellantriebs 30 befindet sich ferner ein Zwischenrad 70, das auf einem Stift 72, der in einer Öffnung 74 der unteren Gehäuseschale 34 angeordnet ist, gelagert ist. Ein am Rand des Zwischenrads 70 befindliches erstes Zahnelement 76 findet Eingriff in ein Ritzel 78, das auf einer Welle 80 des Elektromotors 32 angeordnet ist. Ferner findet ein zweites auf dem Zwischenrad 70 angeordnetes Zahnelement 82 Eingriff in das Zahnelement 48 der Scheibe 46. Ein Stift 84 ist an seinem ersten Ende in einer nicht dargestellen Aussparung der in Fig. 2 unteren Gehäuseschale 34 und an seinem zweiten Ende in einer Aussparung 86 in der in Fig. 2 oberen Gehäuseschale 36 befestigt.
Wie der Fachmann leicht erkennen kann, können die Nadellager 44, 54, 58 durch andere Gleitlager, die eine im wesentlichen reibungsfreie Lagerung ermöglichen, ersetzt werden.
In Fig. 3 ist der elektromotorische Stellantrieb 30 der Fig. 2 in geschlossener Form seiner beiden Gehäuseschalen 34 und 36 dargestellt. Die Bezugszeichen entsprechen denen der Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine Längsschnittansicht des elektromotorischen Stellantriebs 30 der Fig. 3. Die Bezugszeichen der Fig. 4 entsprechen denjenigen in Fig. 2 und 3. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind die erste und zweite Scheibe 46 und 62 fest mit der Antriebsstange 42verbunden, während die erste und zweite Abstützscheibe 52, 56 über die Nadellager 54 und 58 auf der Antriebsstange 42 gelagert sind. Ferner sind die beiden Abstützscheiben 52 und 56 so ausgeformt, daß die beiden äußeren Windungen der Spiralfeder 60 auf ersten Oberflächenbereichen 52a bzw. 56a der Abstützscheiben 52 bzw. 56 aufliegen. Die Kontur der beiden Abstützscheiben 52 und 56 weist ferner eine derartige Form auf, daß der Außenradius der Abstützscheiben 52 und 56 in zweiten Oberflächenbereichen 52b und 56b geringer ist, als der Außenradius in den ersten Oberflächenbereichen 52a bzw. 56a. Dadurch wird erreicht, daß die Windungen in den zweiten Oberflächenbereichen 52b und 56b der Abstützscheiben 52 und 56 in der in Fig. 4 dargestellten Notposition der Antriebsstange 42 nicht aufliegen. Erst bei einer Bewegung der Antriebsstange 42 aus der Notposition kommt es zu einer Verringerung des Radius der mittleren Windungen der Spiralfeder 60 und schließlich zu einem nicht dargestellten Aufliegen der mittleren Windungen auch auf den zweiten Oberflächenbereichen 52b bzw. 56b.
Wie aus Fig. 4 ferner ersichtlich, ist die Antriebsstange 42 an ihrem in Fig. 4 oberen Ende in dem Bereich der Aussparung 66 der oberen Gehäuseschale 36 gelagert und gegen eine Verschiebung entlang ihrer Längsachse über einen Zylinderstift 92, der in die Nut 68 der Antriebsstange 42 eingreift, gesichert. Am in Fig. 4 unteren Ende der Antriebsstange 42 ist ein Antriebshebel 94 angeordnet. Dieser Antriebshebel 94 ermöglicht es, den elektromotorischen Stellantrieb 30 insbesondere mit einem nicht dargestellten Turbolader einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges zu verbinden. Durch Drehung des Antriebshebels 94 mittels des elektromotorischen Stellantriebs 30 ist es damit möglich, die Turbinen- bzw. Strömungsgeometrie dieses Turboladers zu verstellen. Speziell in diesem Anwendungsfall führt die Bereitstellung einer Notposition zu einer erhöhten Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine. Durch diese wird nämlich sichergestellt, daß die Turbinengeometrie des Turboladers bei Ausfall der Antriebseinheit des elektromotorischen Stellantriebs 30, insbesondere des Elektormotors 32, in eine Position verfahren wird, die einen störungsfreien, sicheren und umweltfreundlichen Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine in einem weiten Leistungsbereich ermöglicht. Würde nämlich der Turbolader in einer anderen Position unabhängig von der Lastsituation der Brennkraftmaschine verbleiben, so könnte ein Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine behindert oder sogar unmöglich werden bzw. die Brennkraftmaschine würde einen erhöhten Emissionsausstoß aufweisen.
Der elektromotorische Stellantrieb 30 der Fig. 2 bis 4 kann wie folgt betrieben werden:
Der elektromotorische Stellantrieb 30 kann in einem Kraftfahrzeug montiert sein und umfaßt eine nicht dargestellte erste Regel- bzw. Diagnoseeinheit, die vorzugsweise mit weiteren Komponenten des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Diese Verbindung zwischen dem Stellantrieb 30 und dem Kraftfahrzeug wird über ein nicht dargestelltes elektronisches Bussystem hergestellt, das es ermöglicht, daß der Stellantrieb 30 Befehle zum Antrieb einer Komponente des Kraftfahrzeugs, mit welcher der Stellantrieb 30 verbunden ist, wie z. B. des Turboladers, erhält. Ferner ermöglicht es die erste Regel- bzw. Diagnoseeinheit, daß der Stellantrieb 30 Daten über seinen Betriebszustand abgeben kann. Diese Daten können insbesondere an eine nicht dargestellte zweite Regel- bzw. Diagnoseeinheit innerhalb des Kraftfahrzeugs übermittelt und in bekannter Weise bei der Wartung des Kraftfahrzeugs dazu benutzt werden, Betriebszustände abzufragen bzw. Fehlererkennungen von Komponenten des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. Ferner ist die erste Regel- bzw. Diagnoseeinheit mit einem nicht dargestellten Sensor verbunden, der eine Bestimmung der Position der Antriebsstange 42 ermöglicht.
Erhält die erste Regel- bzw. Diagnoseeinheit einen Befehl zur Veränderung der Steilposition des Stellantriebs 30, so wird der Elektromotor 32 angesteuert, um die Welle 80 und das darauf befindliche Ritzel 78 anzutreiben. Eine entsprechende Drehung der Welle 80 und des Ritzels 78 wird über das Zahnelement 76 auf das Zwischenrad 70 übertragen. Die Drehung des Zwischenrades 70 wird dann über das Zahnelement 82 auf das Zahnelement 48 und damit auf die Scheibe 46 übertragen. Da die Scheibe 46 fest mit der Antriebsstange 42 verbunden ist, führt die Drehung der Welle 80 des Elektromotors 32 schließlich zu einer Drehung der Antriebsstange 42.
Der Elektromotor 32 ist erfindungsgemäß als MDM ausgeführt, und daher kann das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehung des Ritzels 78 und der Drehung der Scheibe 46 und damit der Antriebsstange 42 verhältnismäßig klein gewählt werden. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Schrittweite eines MDMs geringer sind, als die eines herkömmlichen Elektromotors. Somit kann das Übersetzungsverhältnis relativ klein gewählt werden, um eine bestimmte Schrittweite bei der Drehung der Antriebsstange 42 zu erreichen. Dieses Übersetzungsverhältnis ist ferner positiv für das Dynamikverhalten des elektromotorischen Stellantriebs 30, da das Trägheitsmoment im allgemeinen quadratisch mit dem Übersetzungsverhältnis eines Getriebes steigt.
Der elektromotorische Stellantrieb 30 weist ferner eine Positioniereinrichtung auf, die bei Ausfall des Elektromotors 32 ein Verfahren der Antriebsstange 42 in eine vordefinierte Notposition sicherstellt. Diese Positioniereinrichtung wird duch die Abstützscheiben 52, 56, das Federelement in Form der Spiralfeder 60, den Stift 84 und die Mitnehmer 50, 64 gebildet.
Die Spiralfeder 60 ist so ausgeführt, daß ein erstes Ende 88 der Spiralfeder 60 an einer ersten Seite des Stifts 84 anliegt, während ein zweites Ende 90 der Spiralfeder 60 an der zweiten Seite des Stifts 84 anliegt, wenn sich der elektromotorische Stellantrieb 30 in der Notposition befindet. Kommt es zu einer Drehung der Antriebsstange 42 in eine erste Drehrichtung a, in Fig. 2 entgegen dem Uhrzeigersinn, so findet der erste Mitnehmer 50 Angriff am ersten Ende 88 der Spiralfeder 60. Aufgrund der starren Verbindung der Antriebsstange 42 mit der Scheibe 46 führt eine weitere Drehung der Antriebsstange 42, also nach Angriff des ersten Mitnehmers 50 an die Spiralfeder 60, zu einer Auslenkung des ersten Endes 88 der Spiralfeder 60, so daß durch eine der Drehung der Antriebsstange 42 eine der Drehrichtung a entgegengesetzte Federkraft erzeugt wird. Bei einer Drehung der Antriebsstange 42 in eine zweite Drehrichtung b, in Fig. 2 im Uhrzeigersinn, findet dagegen der an der Scheibe 62 angeordnete zweite Mitnehmer 64 Angriff am zweiten Ende 90 der Spiralfeder 60 und führt schließlich bei einer weiteren Drehung der Antriebsstange 42 in die Drehrichtung b, ebenfalls zum Aufbau einer der Drehrichtung b entgegengesetzten Federkraft.
Kommt es zu einem Ausfall des Elektromotors 32, so bewirken die jeweils in der Spiralfeder 60 gespeicherte Federkraft ein Rückstellmoment. Dieses Rückstellmoment bewirkt eine Bewegung der Scheiben 46 bzw. 62 über die Mitnehmer 50 bzw. 64 und damit der Antriebsstange 42 in die Notposition. Diese Bewegung wird über das Zahnelement 48, das Zwischenrad 70 und das Ritzel 78 auf die Welle 80 des Elektormotors 32 übertragen. Bei dieser Rückstellung wirkt sich die Verwendung eines MDMs als Elektromotor 32 ebenfalls positiv aus. Aufgrund des geringeren benötigten Übersetzungsverhältnisses und des damit verbundenen geringeren Trägheitsmoments wird der Rückstellbewegung eine geringere Gegenkraft entgegengesetzt. Ferner wirkt sich positiv aus, daß ein MDM ein geringeres Rastmoment als ein vergleichbarer normaler Elektromotor aufweist. Somit wird durch die Verwendung eines Elektromotors 32 in Form eines MDMs eine leichtere Rückstellung der Antriebsstange 42 in die Notposition erreicht.
Durch die Verwendung eines MDMs vereint der elektromotorische Stellantrieb 30 zwei gegensätzliche Anforderungen, daß nämlich einerseits bei einer aktiven Bewegung des Stellantriebs 30 eine hohe Dynamik vorhanden und andererseits bei einer passiven Bewegung des Stellantriebs 30 ein geringes Gegenmoment vorhanden sein soll. Ferner bietet der elektromotorische Stellantrieb durch die Verwendung eines MDMs die Vorteile, daß er den Lebensdaueranforderungen im Nutzfahrzeugbereich (> 20.000 Stunden) gerecht werden kann und sehr kompakt ausgeführt werden kann, so daß ein hochdynamischer Stellantrieb auf kleinstem Bauraum verwirklicht werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Bezugszeichenliste 1 Elektromotor
3 Kern
5 Topf
7 Öffnung
9 Welle
11 Kugellager
12 Hülse
13 Wicklung
14 Halterungen
15 aufmagnetisierbares Material
20 Elektromotor
21 Topf
22 Pol
23 Kern
24 Arm
25 Wicklung
30 Stellantrieb
32 Elektromotor
34 Gehäuseschale
36 Gehäuseschale
38 Ausnehmung
40 Öffnung
42 Antriebsstange
44 Nadellager
46 Scheibe
48 Zahnelement
50 erster Mitnehmer
52 Abstützscheibe
52a, 52b Oberflächenbereich
54 Nadellager
56 Abstützscheibe
56a, 56b Oberflächenbereich
58 Nadellager
60 Spiralfeder
62 Scheibe
64 zweiter Mitnehmer
66 Aussparung
68 Nut
70 Zwischenrad
72 Stift
74 Öffnung
76 Zahnelement
78 Ritzel
80 Welle
82 Zahnelement
84 Stift
86 Aussparung
88 erstes Ende
90 zweites Ende
92 Zylinderstift
94 Antriebshebel
a erste Drehrichtung
b zweite Drehrichtung
N Nordpol
S Südpol

Claims

1. Elektromotorischer Stellantrieb (30) zum Antrieb einer, insbesondere von einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfaßten und/oder mit dieser in Wirkverbindung stehenden ersten Systemkomponente des Kraftfahrzeugs, wie einem Turbolader oder dergleichen, wobei der Stellantrieb (30) eine mit einem Stellglied (42) in Wirkverbindung stehende Antriebseinheit aufweist, die zumindest einen elektronisch kommutierten Elektromotor (1, 20, 32) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronisch kommutierte Elektromotor (1, 20, 32) in Form einer modularen Dauermagnetmaschine aufgebaut ist.

2. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromotorische Stellantrieb (30) mittels des Stellglieds, das vorzugsweise in Form einer mit einem Antriebshebel (94) in Wirkverbindung stehenden, drehbaren Antriebsstange (42) ausführbar ist, mit dem Turbolader, insbesondere zur Verstellung der Turbinen- bzw. Strömungsgeometrie des Turboladers mittels des elektromotorischen Stellantriebs (30), verbindbar ist.

3. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Welle (9, 80) der Antriebseinheit, insbesondere über ein Getriebe (46, 48, 70 ,76, 78, 82) oder direkt, mit dem Stellglied (42) verbindbar ist.

4. Elektromotorischer Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronisch kommutierte Elektromotor (32) als Innenläufer aufbaubar ist, wobei vorzugsweise ein als Rotor wirkender Kern mit der Welle (80) der Antriebseinheit verbindbar ist, und ein den Kern zumindest teilweise umgebender Topf als Stator wirkt.

5. Elektromotorischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronisch kommutierte Elektromotor (1, 20) als Außenläufer aufbaubar ist, wobei vorzugsweise ein als Rotor wirkender sowie einen Kern (3, 23) des Elektromotors (1, 20) zumindest teilweise umgebender Topf (5, 21) mit zumindest einer Welle (9) der Antriebseinheit verbindbar ist und der Kern (3, 23) als Stator wirkt.

6. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf (5) oder der Kern zumindest teilweise ein aufmagnetisierbares Material (15) umfaßt oder trägt, vorzugsweise über ein auf zumindest einer Oberfläche des Topfes (21) bzw. Kerns aufgebrachtes, das aufmagnetisierbare Material (15), wie in Form zumindest eines ferritischen Füllstoffs, beinhaltendes Trägermaterial, wie in Form eines Kunststoffs, umfaßt, und erste Pole des Topfs oder des Kerns durch lokale Aufmagnetisierung dieses Materials (15) bildbar sind.

7. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf (21) oder der Kern Dauermagneten umfaßt oder trägt, und erste Pole des Topfs (21) oder des Kerns durch die Dauermagneten bildbar sind.

8. Elektromotorischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3, 23) oder der Topf fest mit Wicklungen (13, 25) verbunden ist, die zweite Pole bilden.

9. Elektromotorischer Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Steuer-, Regel- und/oder Diagnoseeinheit, die mit der Antriebseinheit, (1, 20, 32) einer zweiten mit zumindest einer zweiten Systemkomponente des Kraftfahrzeugs, wie die Elektronikeinheit der Brennkraftmaschine, einer Bremsvorrichtung oder dergleichen, verbindbaren Steuer-, Regel- und/oder Diagnoseeinheit und/oder zumindest einem mit dem Stellglied (42) in Wirkverbindung stehenden Sensor zur Bestimmung der Position des Stellglieds (42) verbindbar ist.

10. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Verbindung bzw. Verbindungen zwischen der ersten Steuer-, Regel und/oder Diagnoseeinheit, der zweiten Steuer-, Regel und/oder Diagnoseeinheit, der ersten Systemkomponente, der zweiten Systemkomponente und/oder dem Sensor mittels zumindest eines elektronischen Bussystems herstellbar ist bzw. sind.

11. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor induktiv, kapazitiv, magnetisch, optoelektronisch und/oder berührungslos arbeitet.

12. Elektromotorischer Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromotorische Stellantrieb (30) ein Gehäuse (34, 36) umfaßt, wobei das Gehäuse zumindest teilweise aus einem hitzebeständigen Material, insbesondere umfassend eine Keramik, ein Metall, ein Kunststoff und/oder dergleichen, herstellbar ist.

13. Elektromotorischer Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (42) bei Ausfall der Antriebseinheit (1, 20, 32) mittels einer Positioniereinrichtung (50, 52, 56, 60, 64), vorzugsweise automatisch, in eine Notposition verfahrbar ist.

14. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung zumindest ein ein erstes (88) und ein zweites Ende (90) aufweisendes Federelement, vorzugsweise in Form einer Spiral- (60), Schrauben-, und/oder Zylinderfeder, aufweist.

15. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (88) oder zweite Ende (90) des Federelements (60) relativ zum Stellglied (42) und das zweite (90) bzw. erste Ende (88) des Federelements (60) relativ zum Gehäuse (34, 36) fixierbar sind, wobei bei Bewegung des Stellglieds (42) aus der Notposition in eine erste Bewegungsrichtung (a) eine der ersten Bewegungsrichtung (a) entgegengesetzte erste Federkraft und/oder bei Bewegung des Stellglieds (42) aus der Notposition in eine sich von der ersten Bewegungsrichtung (a) unterscheidenden zweiten Bewegungsrichtung (b) eine der zweiten Bewegungsrichtung (b) entgegengesetzte zweite Federkraft erzeugbar ist.

16. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Angriff des ersten (88) und/oder des zweiten Endes (90) des, vorzugsweise vorgespannten, Federelements (60), insbesondere mittels eines mit zwei Gehäuseschalen (34, 36) des Gehäuses verbundenen Stifts (84), am Gehäuse (34, 36) erzeugbar ist.

17. Elektromotorischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung eine erste und zweite mit dem Stellglied verbundene Mitnehmervorrichtung (50, 64) umfaßt, wobei insbesondere die erste (50) und zweite Mitnehmervorrichtung (64) in einem ausgeführt sind.

18. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bewegung des Stellglieds (42) aus der Notposition in eine Bewegungsrichtung (a) die erste Mitnehmervorrichtung (50) zum Aufbau einer der ersten Bewegungsrichtung (a) entgegengesetzten, ersten Federkraft Angriff an dem ersten Ende (88) des zumindest einen Federelements (60) findet, und/oder bei Bewegung des Stellglieds (42) aus der Notposition in eine sich von der ersten Bewegungsrichtung (a) unterscheidenden zweiten Bewegungsrichtung (b) die zweite Mitnehmervorrichtung (64) zum Aufbau einer der zweiten Bewegungsrichtung (b) entgegengesetzten zweiten Federkraft Angriff an dem zweiten Ende (90) des zumindest einen Federelements (60) findet.

19. Elektromotorischer Stellantrieb nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (88) oder zweite Ende (90) des zumindest einen Federelements (60) in starrem Angriff relativ zum Gehäuse (34, 36) fixierbar ist, und bei Bewegung des Stellglieds (42) aus der Notposition in eine erste Bewegungsrichtung (a) die erste Mitnehmervorrichtung (50) zum Aufbau einer der ersten Bewegungsrichtung (a) entgegengesetzten ersten Federkraft Angriff an dem nicht fixierbaren Ende (90, 88) des zumindest einen Federelements (60) findet, und/oder zumindest bei Bewegung des Stellglieds (42) aus der Notposition in eine sich von der ersten Bewegungsrichtung (a) unterscheidenden, zweiten Bewegungsrichtung (b) die zweite Mitnehmervorrichtung (64) zum Aufbau einer der zweiten Bewegungsrichtung (b) entgegengesetzten zweiten Federkraft Angriff an dem nicht fixierbaren Ende (90, 88) des zumindest einen Federelements (60) findet.

20. Elektromotorischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Federkraft einstellbar sind, insbesondere beide Federkräfte von unterschiedlicher Größe sind.

21. Elektromotorischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (42), vorzugsweise mittels zwischen dem Stellglied (42) und mit dem Federelement (60) zumindest teilweise in Wirkverbindung stehenden Abstützscheiben (52, 56) angeordneten Lagern, wie Gleit- oder Nadellagern (54, 58), im wesentlichen reibungsfrei relativ zum Federelement (60) bewegbar ist.