-
Bereich
-
Hier
wird ein Hilfsaggregat eines Verbrennungsmotors vorgestellt. Bei
dem Hilfsaggregat kann es sich zum Beispiel um einen Turbolader
mit variabler Turbinengeometrie handeln, der verstellbare Leitschaufeln
hat. Es sind jedoch auch andere Hilfsaggregate zum Bewegen, Führen, Lenken,
Steuern, Regeln Zumessen und Dosieren von einem oder mehreren Stoffströmen wie
Luft, Kraftstoff-Luftgemisch, Abgas, etc. im Umfeld eines Verbrennungsmotors
darunter zu verstehen, die geregelte oder gesteuerte, aktiv zu verstellende
Komponenten wie Fluidklappen (Luftklappen, Abgasklappen, Luftmengenregelklappen
oder dergl.) haben.
-
Hintergrund
-
Nicht
zuletzt die stetig zunehmenden Anforderungen an die NOx-
und COx-Emissionen erfordern ein sehr präzises und
hochdynamisches Motormanagement bei Verbrennungsmotoren und diesen
zugeordneten oder im Antriebsstrang nachgeschalteten Aggregaten,
das außerdem
mit kostengünstig
herstellbaren und zuverlässigen
Baugruppen zu bewerkstelligen ist. Als ein Beispiel hierfür sein die
Abgasrückführung genannt,
die einen sehr nennenswerten Einfluss auf die NOx-Emission
hat. Hierbei wird in Abhängigkeit
vom Motorkennfeld und der Motortemperatur ein Teil des Abgasstroms
mit der angesaugten Frischluft gemischt und den Motorzylindern wieder zugeführt. Dadurch
verringert sich der Sauerstoffanteil während der Verbrennung, was
zu einer niedrigeren Verbrennungstemperatur führt und eine reduzierte NOx-Emission bewirkt. Anfänglich wurden hier nur Ein-Aus-Ventile
zur Zumischung des Abgasstroms zur angesaugten Frischluft verwendet.
Mittlerweise sind auch pneumatische, geregelte Steller im Einsatz.
-
Zur
Steigerung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors kann auch ein
Verbund aus einem Verbrennungsmotor und einem Abgasturbolader eingesetzt
werden. Durch den erhöhten
Arbeitsdruck steigt die Ausnutzung der Abgasenergie. Außerdem wird
das Verhältnis
von mechanischer Verlustleistung zu zur Geamtleistung besser, wodurch sich
der Wirkungsgrad erhöht.
Aufgrund der hohen Drehzahlspanne (Stillstand bis mehrere Tausend Umdrehungen
pro Minute) steigt insbesondere der Volllast-Ladedruck besonders
hoch an, was zu einer nicht erwünschten
Belastung des Triebwerks führt. Um
den Ladedruck zu begrenzen kann ein sog. Waste-Gate (Bypassventil)
verwendet werden. Eine Annäherung
des Luftangebots des Turboladers an den betriebspunktabhängigen Luftbedarf
des Verbrennungsmotors kann auch durch eine variable Turbinengeometrie
erreicht werden. Dazu zählen
eine Turbine mit Düsenflügeln am
Turbinengehäuseumfang in
Ringausführung,
die zahlreiche ringförmige Flügel hat,
welche sich im Gehäuse,
außerhalb
vom Turbinenradumfang drehen lassen. Eine andere Variante ist eine
Turbine mit Düsenflügeln am
Turbinengehäuseumfang
mit mechanischer Koppelung. Hier hat die Turbine zum Beispiel acht
Flügel,
die mechanisch miteinander gekoppelt sind, so dass sie gemeinsam verstellt
und damit ihr Zwischenraum und der Einlassquerschnitt variiert werden
kann. Andere Varianten des Turboladers haben einen stufenlos verstellbaren Mündungsquerschnitt
durch gleichzeitige Betätigung der
Flügel.
-
Bei
den meisten derartiger Hilfsaggregate bestehen sehr hohe Anforderungen
an die Temperaturfestigkeit deren Stellantriebe in der unmittelbaren, sehr
heißen
Umgebung des Verbrennungsmotors. So muss ein Stellantrieb eines
solchen Hilfsaggregate zum Beispiel auch bis zu 150 bis 160 Grad
Celsius und mehr als sichere Betriebstemperatur ausweisen können. Überdies
sind in der durch starke Vibrationen und Erschütterungen geprägten Umgebung
des Verbrennungsmotors auch die Stabilitätsanforderungen an einen Stellantrieb
derartiger Hilfsaggregate besonders hoch.
-
Zugrundeliegendes Problem
-
Demzufolge
ist die Aufgabe, ein Hilfsaggregat im Antriebsstrang eines Verbrennungsmotors
zu schaffen, dessen Stellantrieb präzise und hochdynamische (Winkel-)Stellbewegungen
auszuführen
in der Lage ist, und sich dabei für eine kostengünstige Serienfertigung
eignet. Die Winkelstellbewegungen können dabei zwischen wenigen
zehn Winkelgraden und einigen Tausend Winkelgraden betragen, wobei die
Anforderung bestehen kann, diese die Winkelstellbewegungen mit einer
Stellgenauigkeit von zum Beispiel einigen Zehntel Winkelgraden auszuführen. Zusätzlich zu
oder anstelle der Stellgenauigkeit kann auch noch die Anforderung
bestehen, dass die Winkelstellbewegungen mit hoher Winkelgeschwindigkeit
von zum Beispiel wenigen hundert Mikrosekunden pro Grad auszuführen sind.
Schließlich
kann die Vorgabe sein, dass das Hilfsaggregat Stellbewegungen ausführen kann,
die zum Beispiel einige Newtonmeter Drehmoment erfordern.
-
Lösung
-
Dazu
wird ein Hilfsaggregat eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, das
zur Ausführung
einer Stellbewegung mit einer Axialflussmaschine zu koppeln ist,
die einen Ständer
und einen Läufer
aufweist. Der Ständer
hat eine Spulenanordnung und der Läufer hat einen im Wesentlichen
becherförmigen
Träger
für Permanentmagnet-Elemente.
Die Spulenanordnung des Ständers
hat wenigstens eine zylindrische Wicklung und ist von zwei im Wesentlichen
topfförmigen
Magnetfluss-Jochen zumindest teilweise umgriffen. Jedes der topfförmigen Magnetfluss-Joche
hat Seitenbereiche mit Magnetflusspolen, deren Außenseiten
zu den Permanentmagnet-Elementen des Läufers hin orientiert sind.
Die Magnetflusspole des Stän ders
sind unter Bildung eines Luftspaltes von den Permanentmagnet-Elementen
des Läufers
beabstandet angeordnet. Die magnetische Orientierung benachbarter
Permanentmagnet-Elemente
zu dem Luftspalt hin ist jeweils abwechselnd. In bestimmten Positionen
des Läufers
relativ zum Ständer
sind die Permanentmagnet-Elemente mit wenigstens einigen der Magnetflusspole des
Läufers
zumindest teilweise fluchtend ausgerichtet. Der becherförmige Träger des
Läufers
ist als Tiefziehteil ausgebildet. Die topfförmigen Magnetfluss-Joche sind
als Stanzbiegeformteile oder als Gussteile ausgebildet.
-
Wenn
der Ständer
die Spulenanordnung hat und der Läufer mit den Permanentmagnet-Elementen versehen
ist vermeidet dies die Notwendigkeit bewegter (zum Beispiel rotierender)
Stromübergänge auf
eine im Läufer
vorhandene Spulenanordnung.
-
Der
Luftspalt zwischen den Magnetflusspolen des Ständers und den Permanentmagnet-Elementen des Läufers kann
zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 0,5 Millimeter betragen, wobei
alle dazwischen liegenden Werte als hier offenbart gelten.
-
Ausgestaltungen und Weiterbildungen
-
Der
becherförmige
Träger
des Läufers und/oder
die topfförmigen
Magnetfluss-Joche können
aus Reineisen geformt sein. Unter Reineisen ist dabei Eisenmetall
verstanden, das einen homogenen Kristallaufbau, einen niedrigen
Sauerstoffgehalt und eine hohe Schlackenreinheit hat. Die Summe
der Verunreinigungen kann bei Reineisen normalerweise unter etwa
0,10% liegen. Dabei kann Kohlenstoff unter etwa 0,01% liegen, Silizium
kann nur in Spuren vorliegen, Mangan kann unter etwa 0,06% liegen, Phosphor
kann unter etwa 0,01% liegen und Schwefel kann unter etwa 0,01%
liegen. Das Mikrogefüge eines
solchen Reineisens besteht aufgrund des geringen Kohlenstoff-Gehaltes
aus reinem Ferrit. Derartiges Reineisen ist sehr widerstandsfähig gegen
elektrolytische Selbstzerstörung,
die sich an den Grenzflächen
zwischen den Eisenkristallen und den eingelagerten Begleitelementen
vollzieht. Außerdem
hat es eine höhere
Widerstandsfähigkeit
gegen Korrosion, Oxidation sowie andere chemische Einwirkungen.
Es hat eine sehr gute Kaltumformbarkeit und sehr gute elektrische
und magnetische Eigenschaften Bei Hitzebeanspruchung wird Reineisen
von vielen Eisen zersetzenden Stoffen langsamer angegriffen als
unlegierte Stähle.
Außerdem
hat Reineisen eine hohe magnetische Sättigung, eine geringe Koerzitivfeldstärke und
Remanenz sowie eine hohe Permeabilität, vor allem in mittleren Induktionsbereichen.
-
Die
Seitenbereiche der Magnetfluss-Joche können voneinander beabstandete
Stege haben, welche die Magnetflusspole bilden. Stege eines Magnetfluss-Joches
können
dabei soweit voneinander beabstandet sein, dass sie und entsprechend
geformte Stege eines gegenüber befindlichen
Magnetfluss-Joches fingerartig ineinander greifen. Stege eines Magnetfluss-Joches können eine
im Wesentlichen quaderförmige
Gestalt haben. Es ist auch möglich,
ihnen eine sich zu ihren Enden hin in der Breite und/oder der Höhe verjüngende Gestalt
zu geben. Eine solche Formgebung verringert oder minimiert die magnetischen
Streuflüsse
zwischen benachbarten Stege der Magnetfluss-Joche. Dies ist in erster
Linie von der Betriebsfrequenz des die Spulenanordnung durchfließenden Stromes
abhängig,
da mit steigender Frequenz die Wirbelstromverluste in Magnetfluss-Leitstücken aus
massivem eisenhaltigem Metall zunehmen.
-
Jedes
Magnetfluss-Joch kann einen im Wesentlichen ebenen Bodenbereich
mit einer zentralen Öffnung
haben, um jedes Magnetfluss-Joch drehsicher auf einem Ständerträger anzuordnen.
Dazu ist die Öffnung
im Querschnitt nicht kreisrund und der Ständerträger als im Querschnitt annähernd gegengleich
geformter Zylinder ausgestaltet. Der Ständerträger kann ein zylindrisches
Rohr sein, das ebenfalls aus Reineisen geformt ist. Jedes Magnetfluss-Joch kann
eine von der zentralen Öffnung
im Bodenbereich ausgehende und zwischen zwei Stegen im Seitenbereich
reichende Unterbrechung haben. Gleichermaßen kann auch das zylindrische
Rohr des Ständerträgers einen
Längsschlitz
haben. Zwischen den Ausführungen
mit Schlitz und solchen ohne Schlitz sind auch Mischformen möglich. Dabei
kann der Schlitz sich nicht über
die gesamte Breite erstrecken oder zur Erhaltung/Steigerung der
Stabilität
der Anordnung können
ein oder mehrere Querstege vorgesehen sein. Dies ist sowohl vom
verwendeten Material als auch von den Belastungen abhängig, denen diw
Magnetfluss-Joche ausgesetzt sind. Damit wird das Auftreten von
Wirbelströmen
bzw. von nennenswertem magnetischem Fluss in Umfangsrichtung des Ständers so
gut wie vollständig
ausgeschlossen ist. Jedes Magnetfluss-Joch kann einteilig oder mehrteilig,
zum Beispiel zweiteilig aus einem Reineisenblech mit einer Materialdicke
zwischen etwa 1.5 Millimeter und etwa 5 Millimeter hergestellt sein
wobei alle dazwischen liegenden Werte als hier offenbart gelten.
-
Die
Permanentmagnet-Elemente des Läufers
können
als Guss- oder Schnitt-Teile aus einer AlNi- oder AlNiCo-Legierung,
aus Barium- oder Strontiumferrit, aus einer SmCo-, oder NdFeB-Legierung gebildet
sein. Damit sind Energieprodukte (BH)max von
Permanentmagneten im Bereich von etwa 30 bis etwa 300 KiloJoule/Kubikmeter – auch im
erhöhten Temperaturbereich
von etwa 150 bis etwa 180 Grad Celsius – erreichbar.
-
Zur
Verbesserung der mechanischen Stabilität können die Permanentmagneten
auch als Pulverteilchen eingebettet in temperaturbeständige Kunststoffbinder
enthaltend zum Beispiel Polyamid, Polyphensulfid, Duroplast, Epoxidharz,
oder dergl. gebildet sein. Es kann sich bei dem temperaturbeständigen Kunststoffbinder
auch um Methacrylatklebstoff, Epoxidharzkleber, Polyurethanklebstoff,
Phenolharzklebstoff, Epoxydharz mit Faserverstärkung, oder hydrophobiertes
Epoxydharzgießharz
handeln.
-
Die
Permanentmagnet-Elemente können eine
im Wesentlichen quaderförmige
Gestalt haben. Sie können
eine Gestalt haben, die im Wesentlichen mit der Gestalt der Stege
der Magnetfluss-Joche übereinstimmt;
sie können
in der Draufsicht zum Luftspalt hin also rechteckig, trapez- oder
dreieck-, bzw. rautenförmig,
oder dergl. sein. Dabei kann zum Erreichen eines im Spaltmaß im Wesentlichen
konstanten Luftspalt die Kontur des Läufers gegengleich in die Permanentmagnet-Elemente
eingearbeitet sein.
-
Die
Axialflussmaschine kann ein als Tiefziehteil oder als Gussteil ausgebildetes
Gehäuse
haben, zum Beispiel aus Stahlblech oder aus Kunststoff, oder aus
Aluminium.
-
Aus
dem Gehäuse
der Axialflussmaschine kann eine Abtriebswelle herausragen, die
mit dem becherförmigen
Träger
des Läufers
drehfest verbunden ist und zumindest abschnittsweise in dem zylindrischen
Rohr des Ständerträgers drehbar
gelagert sein kann.
-
In
dem Gehäuse
der Axialflussmaschine kann eine elektronische Steuereinheit aufgenommen sein,
die mit einer Stromversorgung zu verbinden und mit einem Positions-
oder Winkelsollsignal zu speisen ist, und die mit einem Drehbewegungen
der Abtriebswelle erfassenden Drehpositions- oder Drehwinkelgeber
zu verbinden ist, um die Spulenanordnung des Ständers entsprechend anzusteuern.
-
Die
Axialflussmaschine kann mit einem zu stellenden Organ im Hilfsaggregat über-/untersetzungsgetriebelos
zu koppeln sein. Darunter ist zum Beispiel ein Planetengetriebe,
Stirnradgetriebe, Kegelradgetriebe, Schneckengetriebe oder ein anderes,
Drehzahl und/oder Drehmoment veränderndes, rotatorisches
Getriebe verstanden. Ein Kniehebel oder ein Exzentertrieb, Kurven-/
oder Nockenscheibe oder dergl. zur Umsetzung der Drehbewegung in eine
Längs-/Schwenk-Stellbewegung
sei darunter nicht verstanden.
-
Kurzbeschreibung der Figuren
-
Weitere
Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden
für einen
Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der
auf die beigefügte
Zeichnung Bezug genommen ist.
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeuges,
wobei exemplarisch dem Verbrennungsmotor ein Hilfsaggregat in Form
eines Turboladers mit verstellbarer Geometrie zugeordnet ist.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Stellantriebes des Hilfsaggregates
aus 1, wobei der Stellantrieb eine Axialflussmaschine
ist.
-
3 zeigt
eine schematische Längsschnittdarstellung
der Axialflussmaschine aus 2.
-
4 zeigt
eine schematische perspektivische Darstellung eines Ständers der
Axialflussmaschine aus 3.
-
5 zeigt
eine schematische vergrößerte perspektivische
Darstellung eines Ständerpaketes eines
Ständers
aus 4.
-
6 zeigt
eine schematische perspektivische Darstellung eines Läufers der
Axialflussmaschine aus 2.
-
Detaillierte Beschreibung der Figuren
-
1 zeigt
einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor,
Kupplung, Schaltgetriebe, Differential und zwei angetriebenen Rädern, wobei
dem Verbrennungsmotor als Hilfsaggregat ein Turbolader mit verstellbarer
Turbineneintrittsgeometrie zugeordnet ist. Der gesamte Abgasstrom
des Verbrennungsmotors wird mittels einer – nicht im Detail veranschaulichten – Anordnung
aus einer Vielzahl von (zum Beispiel acht bis zehn) schwenkbaren
Leitschaufeln am Radialturbineneintritt des Turboladers betriebspunktgerecht
verarbeitet um vom Lufteintritt kommende Frischluft unter Druck zu
setzen und dem Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen. Mit dieser
Steuerung des Abgasstroms können
ein schneller Hochlauf der rotierenden Teile und damit ein rascher
Ladedruckaufbau und damit auch eine höhere Nennleistung bei verringertem
Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges erzielt werden.
-
Eine
Motormanagement-ECU liefert an einen Stellantrieb SA des Hilfsaggregates
im Antriebsstrang eines Verbrennungsmotors entsprechende Ansteuersignale.
Der Stellantrieb SA ist über
einen lediglich schematisch angedeuteten Kurbeltrieb mit den schwenkbaren
Leitschaufeln am Radialturbineneintritt des Turboladers getriebelos
gekoppelt.
-
Wie
in 2 veranschaulicht, ist der Stellantrieb SA als
Axialflussmaschine ausgestaltet. In dem Gehäuse der Axialflussmaschine
ist eine nicht im Detail dargestellte elektronische Steuereinheit
aufgenommen, die mit einer Stromversorgung zu verbinden und mit
einem Positionssollsignal zu speisen ist, und die mit einem Drehwinkel-
oder Drehpositionsgeber zu verbinden ist, um eine Verstellung der schwenkbaren
Leitschaufeln zu bewirken. Anstelle einer in dem Gehäuse der
Axialflussmaschine angeordneten elektronischen Steuereinheit zur
Verarbeitung von Positions-Soll-signalen kann auch die Signalverarbeitung
komplett in der Motormanagement – ECU erfolgen, wobei in diesem
Fall ein von dem Drehwinkel- oder Drehpositionsgebererzeugtes Positions-Ist-signal
der Motormanagement – ECU
zuzuführen
ist, damit diese die Ansteuerung der Axialflussmaschine direkt übernehmen
kann.
-
In 3 ist
ein Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
einer Axialflussmaschine 10 in der Ausgestaltung als Außenläufermaschine
gezeigt. Die Axialflussmaschine 10 hat einen Ständer 12 und
einen Läufer 14.
Der Läufer 14 hat
einen becherförmigen
Träger 14a aus
Reineisen für
Permanentmagnet-Elemente N, S. Der Ständer 12 hat mehrere
(hier vier) Spulenanordnungen 28. Jede Spulenanordnung 28 des
Ständers 12 hat
eine kreisringzylindrische Wicklung und ist von zwei im Wesentlichen
topfförmigen
Magnetfluss-Jochen 30 an ihrer Außenseite umgriffen. Jedes der
topfförmigen
Magnetfluss-Joche 30 hat Seitenbereiche 32 mit
Magnetflusspolen 34. Die Außenseiten der Magnetflusspole 34 sind
zu den Permanentmagnet-Elementen N, S des Läufers 14 hin orientiert.
-
Zwischen
dem Läufer 14 und
dem Ständer 12 ist
ein ringzylindrischer Luftspalt 16 gebildet. Die magnetische
Orientierung zueinander benachbarter Permanentmagnet-Elemente N,
S des Läufers 14 ist zu
dem Luftspalt 16 hin jeweils abwechselnd. In bestimmten
Positionen des Läufers 12 relativ
zum Ständer 14 sind
die Permanentmagnet-Elemente N, S mit den Magnetflusspole 34 des
Läufers 12 fluchtend ausgerichtet.
Die Permanentmagnet-Elemente sind einer SmCo-, oder NdFeB-Legierung
gebildet. Die topfförmigen
Magnetfluss-Joche 30 sind als Stanzbiegeformteile aus Reineisen
ausgebildet. Der Ständer 12 und
der Läufer 14 sind
in einem einstückigen tiefgezogenen
rohrförmigen
Gehäuse 18 aus
Stahlblech aufgenommen, das durch ein Lagerschild 20 mit
einem Gleitringlager 22 für eine Abtriebswelle 26 hermetisch
dicht abgeschlossen ist. Die Abtriebswelle 26 ist mit dem
Läufer 14 drehfest
verbunden, zum Beispiel verschweißt.
-
Im
Gehäuse 18 ist
weiterhin eine elektronische Steuereinheit 50 aufgenommen,
die mit einer Stromversorgung zu verbinden und mit einem Positionssollsignal
zu speisen ist. Diese elektronische Steuereinheit 50 erhält außerdem von
einem Drehbewegungen der Abtriebswelle 26 erfassenden Drehwinkel-
oder Drehpositionsgeber 52 Sensorsignale, um die Spulenanord nung 28 des
Ständers 12 entsprechend
anzusteuern. Die elektronische Steuereinheit 50 ist durch
eine Trennwand 54, an der auch die als Resolver ausgestaltete
Drehwinkel- oder Drehpositionsgeber 52 gehalten ist, von
der Axialflussmaschine getrennt. Anstelle des Resolvers sind auch
andere Sensoren, zum Beispiel Inkrementalgeber oder andere einsetzbar.
-
Wie
in den 4, 5 deutlicher zu sehen ist, haben
die Seitenbereiche 32 der Magnetfluss-Joche 30 an ihrem Umfang ein
Vielzahl voneinander beabstandeter Stege haben, welche die Magnetflusspole 34 bilden.
Stege 34 eines Magnetfluss-Joches 30 sind soweit
voneinander beabstandet, dass sie und entsprechend geformte Stege 34 eines
gegenüber
befindlichen Magnetfluss-Joches 30 finger- oder krallenartig
ineinander greifen und so die Spulenanordnung 28 des Ständers 12 an
ihrer Außenseite
umgreifen und einfassen. Jedes Magnetfluss-Joch 30 einen im Wesentlichen
ebenen Bodenbereich 36 mit einer zentralen Öffnung 38.
Dabei ist die zentrale Öffnung 38 asymmetrisch
gestaltet um jedes Magnetfluss-Joch 30 drehsicher auf einem
als Ständerträger 40 dienenden
zylindrischen, aus Reineisen geformten Rohr zu befestigen.
-
Jedes
Magnetfluss-Joch 30 hat eine von der zentralen Öffnung 38 im
Bodenbereich 36 ausgehende und zwischen zwei Stege 34 im
Seitenbereich 32 reichende Unterbrechung 42. Jedes
Magnetfluss-Joch 30 ist einteilig aus einem Reineisenblech mit
einer Materialdicke von etwa 1,5–5 Millimeter hergestellt durch
Stanzbiegen.
-
In 6 ist
der Läufer 14 der
Axialflussmaschine gezeigt. Der Läufer 14 hat den an
einer Stirnseite offenen becherförmigen,
tiefgezogenen Träger 14a,
an dessen kreiszylindrischer Innenwand die Permanentmagnet-Elemente
N, S in koaxialen Reihen, in Umfangsrichtung versetzt, angeklebt,
eingegossen oder anderweitig formschlüssig befestigt sind. Die Abtriebswelle 26 durchragt
das Innere des becherförmigen
Trägers 14a und
ist in dem in Längsrichtung
geschlitzten Ständerträger 40 drehbar
aufgenommen.
-
Die
in den Fig. gezeigten Verhältnisse
der einzelnen Teile und Abschnitte hiervon zueinander und deren
Abmessungen und Proportionen sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr
können
einzelne Abmessungen und Proportionen auch von den gezeigten abweichen.