DE102008000425A1

DE102008000425A1 - Elektromagnetischer Aktor

Info

Publication number: DE102008000425A1
Application number: DE200810000425
Authority: DE
Inventors: Martin Rossmann; Michael Pantke
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2009-09-03

Abstract

Es wird ein elektromagnetischer Aktor (1) vorgeschlagen, umfassend einen in einem Zylinderraum (2) verschiebbar angeordneten elektromagnetisch angetriebenen Kolben (3), welcher zwischen zwei elektrisch voneinander getrennten Magnetspulen (4, 5) in Abhängigkeit der Bestromung verfahrbar ist, wobei dem elektromagnetisch angetriebenen Kolben (3) eine hydraulische Übersetzung nachgeschaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Aktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der Automobiltechnik werden in der Regel Aktoren bzw. Steller verwendet, um bewegliche Teile, wie beispielsweise Kupplungen, Bremsen etc. zu verschieben. Zur Verschiebung der zu verschiebenden Teile wird hydraulische, pneumatische oder elektrische Energie verwendet, wobei die Umsetzung der Energie in eine Stellbewegung in Zylindern, Elektromotoren bzw. Elektromagneten erfolgt.
Elektromagnetische Aktoren bzw. Steller weisen prinzipbedingt aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der Kraft vom Hub (d. h. die Kraft nimmt bei linearer Wegvergrößerung quadratisch ab) in nachteiliger Weise sehr begrenzte Stellwege auf, sodass in der Automobiltechnik in der Regel elektromotorische Steller eingesetzt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktor anzugeben, bei dem der erzielbare Stellweg im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Aktoren derart vergrößert wird, dass der Aktor für Stellaufgaben in einem Fahrzeug, beispielsweise im Getriebe oder im Fahrwerk, eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein elektromagnetischer Aktor vorgeschlagen, umfassend einen in einem Zylinderraum verschiebbar angeordneten elektromagnetisch angetriebenen Kolben, welcher zwischen zwei elektrisch voneinander getrenn ten Magnetspulen in Abhängigkeit der Bestromung verfahrbar ist, wobei dem elektromagnetisch angetriebenen Kolben eine hydraulische Übersetzung nachgeschaltet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zylinderraum des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens mit einem Zylinderraum eines hydraulisch betätigbaren Kolbens kleineren Durchmessers fluidtechnisch mittels einer Hydraulikflüssigkeit verbunden.
Gemäß der Erfindung ist der Zylinderraum an der druckabgewandten Seite des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens zur Atmosphäre hin offen, wodurch vermieden wird, dass Unterdruck erzeugt wird.
Durch das Flächenverhältnis zwischen dem elektromagnetisch angetriebenen Kolben und dem Kolben kleineren Durchmessers entsteht eine Übersetzung, welche proportional zu dem Flächenverhältnis ist. Hierbei nimmt der Weg linear zu, wobei die durch den elektromagnetischen Aktor erzielte Kraft am Kolben kleineren Durchmessers linear abnimmt. Bei einer rein elektromagnetischen Lösung ohne die erfindungsgemäße Hydraulikübersetzung würde in nachteiliger Weise die Kraft bei linearer Wegvergrößerung quadratisch abnehmen.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption werden auf einfache Weise im Vergleich zu bekannten elektromagnetischen Aktoren längere Stellwege ermöglicht. In vorteilhafter Weise ist die Kraft bzw. der Druck des Aktors über die Bestromung des elektromagnetischen Aktors steuerbar bzw. regelbar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figur, welche eine schematische Schnittansicht eines gemäß der Erfindung ausgeführten elektromagnetischen Aktors ist, beispielhaft näher erläutert.
In der beigefügten Figur ist ein elektromagnetischer Aktor 1 dargestellt. Er umfasst einen in einem Zylinderraum 2 verschiebbar angeordneten elektromagnetisch angetriebenen Kolben 3, wobei der Kolben 3 zwischen zwei elektrisch voneinander getrennten Magnetspulen 4, 5 in Abhängigkeit der Bestromung verfahrbar ist. Der Kolben 3 ist vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material hergestellt und kann auch als Dauermagnet ausgeführt sein. Die beiden Magnetspulen 4, 5 sind mit einer Steuerelektronik 6 verbunden, welche sie derart bestromt, dass der Kolben 3 zwischen den Endlagen des Zylinders verfährt. Zur Erzeugung einer Stellbewegung des Aktors 1 werden die Magnetspulen 4, 5 bei Verwendung eines dauermagnetischen Kolbens 3 vorzugsweise gleichzeitig mit einer gleichgerichteten Polung bestromt, wodurch die elektromagnetischen Felder der Magnetspulen 4, 5 gleichgerichtet sind und der Kolben 3 gleichzeitig von einer Magnetspule 5 angezogen wird und von einer anderen Magnetspule 4 abgestoßen wird. Zur Erzeugung einer Rückstellung des Aktors 1 wird die Polung der Bestromung der beiden Magnetspulen 4, 5 umgekehrt, wodurch der Kolben 3 nunmehr von der einen Magnetspule 5 abgestoßen wird und von der anderen Magnetspule 4 angezogen wird. Auf den Kolben 3 wirkt hierdurch eine besonders große Kraft, welche eine hohe Verfahrgeschwindigkeit und eine hohe abgreifbare Stellkraft des Aktors 1 bewirkt. Bei Verwendung eines nicht dauermagnetischen Kolbens 3 werden die Magnetspulen 4, 5 zur Erzeugung einer Stell- und Rückstellbewegung des Aktors 1 hingegen abwechselnd bestromt, wodurch der Kolben 3 bei der Stellbewegung lediglich durch die eine Magnetspule 5 angezogen wird und bei der Rückstellbewegung lediglich durch die andere Magnetspule 4 angezogen wird.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist dem elektromagnetisch angetriebenen Kolben 3 eine hydraulische Übersetzung nachgeschaltet. Hierbei ist der Zylinderraum 2 des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens 3 des Aktors 1 mit einem Zylinderraum 7 eines hydraulisch betätigbaren weiteren Kolbens 8 kleineren Durchmessers fluidtechnisch mittels einer Hydraulikflüssigkeit verbunden, wobei der Zylinderraum 2 des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens 3 an der druckabgewandten Seite des Kolbens 3 zur Atmosphäre hin offen ist. Die beiden Zylinderräumen 2, 7 sind hierbei mit einem Verbindungsstück 10 gekoppelt, wobei dieses zur Reduzierung von Strömungsverlusten und zur Verkürzung des Aktors 1 auch entfallen kann, wodurch der Zylinderraum 2 des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens 3 unmittelbar mit dem Zylinderraum 7 des hydraulisch betätigten weiteren Kolben 8 verbunden sein kann.
Der Durchmesser und die Form des Verbindungsstücks 10 kann nahezu beliebig sein, wodurch der Aktor 1 besonders vorteilhaft an die baulichen Beschränkungen in einem Kraftfahrzeug wie Platzknappheit oder verwinkelte Einbauräume angepasst werden kann. Dabei verbindet das Verbindungsstück 10 die beiden Zylinderräume 2, 7 vorzugsweise derart, dass im Inneren des Verbindungsstücks 10 und an den inneren Übergängen zwischen den Zylinderräumen 2, 7 und dem Verbindungsstück keine abrupte Übergänge wie beispielsweise Ecken, Kanten oder Durchmessersprünge auftreten, was die Strömungsverluste auf ein Minimum reduziert. Besonders vorteilhaft ist daher ein Verbindungsstück 10, dessen Inneres eine kegelstumpfartige Form aufweist, wobei an dem im Durchmesser größeren Ende des Kegelstumpfes der Zylinderraum 2 des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens 3 angeordnet ist und an dem im Durchmesser kleineren Ende des Kegelstumpfes der Zylinderraum 7 des hydraulisch betätigten weiteren Kolbens 8 angeordnet ist. Hierbei können die Übergänge zwischen den Zylinderräumen 2, 7 und dem Verbindungsstück 10 vorteilhaft abgerundet sein.
Durch die unterschiedlichen Durchmesser des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens 3 und des hydraulisch betätigbaren Kolbens 8 entsteht eine Übersetzung, welche proportional zu dem Oberflächenverhältnis der beiden Kolben 3, 8 ist. Hierdurch vergrößert sich der Stellweg des weiteren Kolbens 8 und somit der Stellweg der mit dem weiteren Kolben verbundenen Kolbenstange 9, an welcher die Stellbewegung des Aktors 1 abgegriffen werden kann gegenüber dem Stellweg des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens 3 in dem Maße, wie die an dem weiteren Kolben 8 und der Kolbenstange 9 abgreifbare Stellkraft gegenüber der an dem elektromagnetisch angetriebenen Kolben 3 abreifbaren Stellkraft abnimmt.
Die Stellkraft- bzw. Stellwegverhältnisse werden in der beigefügten Figur durch die Breite bzw. Länge der Pfeile veranschaulicht; je breiter der Pfeil, desto größer ist die Stellkraft, wobei ein langer Pfeil einen langen Stellweg andeutet.
Durch die erfindungsgemäß erzielbare Vergrößerung der Stellwege kann der hier vorgestellte elektromagnetische Aktor 1 als Getriebesteller beispielsweise in Automatgetrieben, automatisierten Schaltgetrieben oder Doppelkupplungsgetrieben eingesetzt werden. Des weiteren kann der erfindungsgemäß ausgeführte elektromagnetische Aktor 1 beispielsweise in Servolenkungen, in Fahrwerksystemen oder in Bremssystemen eingesetzt werden.

1: elektromagnetischer Aktor
2: Zylinderraum
3: Kolben
4: Magnetspule
5: Magnetspule
6: Steuerelektronik
7: Zylinderraum
8: Kolben
9: Kolbenstange
10: Verbindungsstück

Claims

Elektromagnetischer Aktor (1) umfassend einen in einem Zylinderraum (2) verschiebbar angeordneten elektromagnetisch angetriebenen Kolben (3), welcher zwischen zwei elektrisch voneinander getrennten Magnetspulen (4, 5) in Abhängigkeit der Bestromung verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektromagnetisch angetriebenen Kolben (3) eine hydraulische Übersetzung nachgeschaltet ist.
Elektromagnetischer Aktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderraum (2) des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens (3) des elektromagnetischen Aktors (1) mit einem Zylinderraum (7) eines hydraulisch betätigbaren weiteren Kolbens (8) kleineren Durchmessers fluidtechnisch mittels einer Hydraulikflüssigkeit verbunden ist, wobei der Zylinderraum (2) des elektromagnetisch angetriebenen Kolbens (3) an der druckabgewandten Seite des Kolbens (3) zur Atmosphäre hin offen ist.
Elektromagnetischer Aktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetisch angetriebene Kolben (3) aus einem ferromagnetischen Material besteht.
Elektromagnetischer Aktor (1) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetisch angetriebene Kolben (3) aus einem dauermagnetischen Material besteht.
Elektromagnetischer Aktor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen (4, 5) bei einer Erzeugung einer Stell- und Rückstellbewegung des Aktors (1) gleichzeitig und derart bestromt sind, dass die dabei erzeugten elektromagnetischen Felder immer gleichgerichtet sind.
Elektromagnetischer Aktor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen (4, 5) bei einer Erzeugung einer Stell- und Rückstellbewegung des Aktors (1) abwechselnd und derart bestromt sind, dass die dabei erzeugten elektromagnetischen Felder immer gleichgerichtet sind.
Elektromagnetischer Aktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Übersetzung unmittelbar mit dem Zylinder (2) des elektromagnetisch angetrieben Kolbens (3) verbunden ist.
Elektromagnetischer Aktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsstück (10) die hydraulische Übersetzung mit dem Zylinder (2) des elektromagnetisch angetrieben Kolbens (3) derart verbindet, dass im Inneren der Verbindung keine abrupten Übergänge auftreten.
Elektromagnetischer Aktor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Verbindungsstücks (10) eine kegelstumpfartige Form aufweist.
Elektromagnetischer Aktor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (1) im Sinne eines Stellelements in einem Fahrzeuggetriebe eingesetzt wird.