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Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Elektromotorische Aktuatoren kommen in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen, so zum Beispiel in automatisierten Schaltgetrieben, aktiven Verteilgetrieben, aktiven Fahrwerken, Servolenksystem oder anderen Anwendungen, zum Einsatz, um mithilfe der elektromotorischen Aktuatoren eine lineare und/oder rotatorische Stellbewegung für ein vom Aktuator betätigtes Stellglied bereitzustellen. Aus der Praxis bekannte, elektromotorische Aktuatoren verfügen über einen Elektromotor, eine Sensorik zur Erfassung der Drehung eines Läufers des Elektromotors, eine Elektronik zum Steuern und/oder Regeln des Elektromotors und eine Mechanik zur Umsetzung der Drehung des Läufers des Elektromotors in die translatorische und/oder rotatorische Stellbewegung des vom Aktuator betätigbaren Stellglieds. Derartige elektromotorische Aktuatoren verdrängen zunehmend hydraulische oder pneumatische Aktuatoren, wobei die Aktuatoren entweder ortsfest an einem Gehäuse befestigt oder auch in ein bewegtes Bauteil, zum Beispiel in eine Welle, integriert sein können.
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Bei aus der Praxis bekannten elektromotorischen Aktuatoren sind zumindest der Elektromotor, die Sensorik und die Elektronik jeweils als separate, funktional und räumlich getrennte Teilsysteme des elektromotorischen Aktuators ausgeführt. Dadurch ist es erforderlich, den Elektromotor mit der Elektronik und die Sensorik mit der Elektronik jeweils aufwendig zu verkabeln. Derartige elektromotorische Aktuatoren verfügen einerseits über einen komplexen und damit teuren Aufbau, andererseits sind dieselben störungsempfindlich, da sich die Verkabelung einerseits zwischen Elektromotor und Elektronik und andererseits zwischen Elektronik und Sensorik im Betrieb unbeabsichtigt lösen kann.
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Aus der
DE 10 2007 000 446 A1 ist ein bürstenloser Elektromotor mit zugehörigem Sensor bekannt, wobei ein rotorseitiger Läufer des bürstenlosen Elektromotors über eine Welle in zwei Lager, nämlich in einem A-Lager und einem B-Lager, gelagert ist, und wobei sich ein Sensor zur Erfassung der Drehung des Läufers des Elektromotors durch eine Gehäusewand desselben erstreckt, die benachbart zum B-Lager des bürstenlosen Elektromotors positioniert ist.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, einen neuartigen elektromotorischen Aktuator zu schaffen.
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Dieses Problem wird durch einen elektromotorischen Aktuator gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der Elektromotor als bürstenloser Elektromotor ausgebildet, der zusammen mit der Sensorik und der Elektronik in einem gemeinsamen Gehäuse positioniert ist, wobei die Sensorik zumindest zwei digitale Hallsensoren umfasst.
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Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals ein elektromotorischer Aktuator vorgeschlagen, dessen Elektromotor zusammen mit der Sensorik und der Elektronik in einem gemeinsamen Gehäuse positioniert ist, wobei der Elektromotor des elektromotorischen Aktuators als bürstenloser Elektromotor ausgebildet ist, und wobei die Sensorik zumindest zwei digitale Hallsensoren zur Erfassung der Drehung und damit der Lage des Läufers des Elektromotors umfasst. Ein solcher elektromotorischer Aktuator bedarf keiner aufwendigen Verkabelung zwischen Elektromotor und Elektronik sowie zwischen Sensorik und Elektronik. Er zeichnet sich durch eine einfache und kompakte Bauform aus und eignet sich insbesondere zur Integration in bewegte bzw. rotierende Systeme. So ist es zum Beispiel möglich, den erfindungsgemäßen, elektromotorischen Aktuator in sich mit einer hohen Drehzahl drehende Wellen zu integrieren.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematisierte Darstellung eines elektromotorischen Aktuators nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematisierte Darstellung eines elektromotorischen Aktuators nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 ein Detail, nämlich ein B-Lageschild, des elektromotorischen Aktuators der 1; und
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4 ein weiteres Detail, nämlich eine Einheit aus Sensorik und Elektronik, des elektromotorischen Aktuators der 1 oder 2.
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1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen, elektromotorischen Aktuators 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Der elektromotorische Aktuator 1 der 1 verfügt über einen Elektromotor 2, eine Sensorik 3 und eine Elektronik 4, wobei mithilfe der Sensorik 3 die Drehung eines Läufers 5 des Elektromotors 2 gegenüber einem Ständer 6 desselben erfasst werden kann, und wobei die Elektronik 4 der Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors 2 dient.
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Ferner verfügt der elektromotorische Aktuator 1 über eine Mechanik, im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Welle 7, mithilfe derer die Drehung des Läufers 5 des Elektromotors 2 in eine Stellbewegung eines vom erfindungsgemäßen Aktuator 1 betätigbaren Stellglieds umgewandelt bzw. umgesetzt werden kann.
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Der Elektromotor 2, die Sensorik 3 und die Elektronik 4 des erfindungsgemäßen, elektromotorischen Aktuators 1 sind gemäß 1 in einem gemeinsamen Gehäuse 8 positioniert. Beim Elektromotor 2 handelt es sich erfindungsgemäß um einen bürstenlosen Elektromotor, bevorzugt um einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der auch als elektrisch kommutierender Motor oder Stromrichtermotor bezeichnet wird. Die Sensorik 3, mithilfe derer die Drehung des Läufers 5 des Elektromotors 2 erfasst werden kann, umfasst zumindest zwei digitale Hallsensoren, nämlich im gezeigten Ausführungsbeispiel drei digitale Hallsensoren 9.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Läufer 5 des bürstenlosen Elektromotors 3, nämlich des bürstenlosen Gleichstrommotors, im gemeinsamen Gehäuse 8 über ein A-Lager 10 und ein B-Lager 11 gelagert. Beim A-Lager 10 handelt es sich um das abtriebsseitige Lager, beim B-Lager 11 um das dem abtriebsseitigen Lager gegenüberliegende Lager. Das A-Lager 10 ist in einem sogenannten A-Lagerschild 12, das B-Lager in einem sogenannten B-Lagerschild 13 aufgenommen. Wie der schematisierten Darstellung der 1 entnommen werden kann, sind die Hallsensoren 9 der Sensorik 3 unmittelbar beim B-Lagerschild 13 positioniert. Die digitalen Hallsensoren 9 sind vorzugsweise zwischen dem B-Lagerschild 13 und der Elektronik 4 positioniert.
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Dann, wenn, wie im Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt, das B-Lagerschild 13 ein von den digitalen Hallsensoren 9 zu detektierendes Magnetfeld des Läufers 5 des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 verdeckt, ist dem Läufer 5 des Elektromotors 2 ein Magnetgeberrad 14 zugeordnet. Das Magnetgeberrad 14 rotiert zusammen mit dem Läufer 5 des bürstenlosen Gleichstrommotors 2, sodass dann die digitalen Hallsensoren 9 das Magnetfeld des Magnetgeberrads 14 erfassen, um so die Lage des Läufers 5 des Elektromotors 2 mittelbar zu bestimmen. Das Magnetgeberrad 14 ist vorzugsweise zwischen den digitalen Hallsensoren 9 der Sensorik 3 und dem B-Lager 11 positioniert.
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Im Unterschied zum gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 ist es möglich, dass das B-Lagerschild 13 ein von den digitalen Hallsensoren 9 zu detektierendes Magnetfeld des Läufers 5 des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 nicht verdeckt. In diesem Fall kann auf das Magnetgeberrad 14 verzichtet werden, wobei dann die Hallsensoren 9 das Magnetfeld des Läufers 5 direkt erfassen, um so dessen Lage unmittelbar zu bestimmen.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektromotorischen Aktuators 15, dessen Läufer 5 des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 ausschließlich über ein A-Lager 10 mit zugeordnetem A-Lagerschild 12 im gemeinsamen Gehäuse 8 gelagert ist. So ist im Ausführungsbeispiel der 2 kein B-Lager und damit auch kein B-Lagerschild vorhanden. In diesem Fall kann dann auch auf ein Magnetgeberrad verzichtet werden, wobei dann die digitalen Hallsensoren 9 der Sensorik 3 das Magnetfeld des Läufers 5 direkt erfassen können, um so dessen Lage wiederum unmittelbar zu bestimmen. Die Hallsensoren 9 sind dann unmittelbar benachbart zu einem vom A-Lagerschild 12 abgewandten Ende des Läufers 5 des Elektromotors 2 positioniert, und zwar derart, dass dieselben zwischen diesem Ende des Läufers 5 des Elektromotors 2 und der Elektronik 4 angeordnet sind.
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Dann, wenn, wie im Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt, ein B-Lagerschild 13 vorhanden ist, welches der Aufnahme des B-Lagers 11 dient, kann dasselbe zum Beispiel wie in 3 gezeigt, ausgeführt sein. Ein solches B-Lagerschild ist typischerweise aus einem magnetisch unwirksamen Werkstoff, zum Beispiel aus Aluminium oder Kunststoff, gefertigt.
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Gemäß 3, die eine Ansicht auf eine Vorderseite 16 in einer Ausführungsvariante eines B-Lagerschilds 13 zeigt, verfügt das B-Lagerschild 13 an dieser Vorderseite 16 über einen Zapfen 17, welcher der Aufnahme des B-Lagers 11 dient.
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Die Vorderseite 16 des B-Lagerschilds 13, die den Zapfen 17 aufweist, ist dabei im montierten Zustand dem Elektromotor 2, nämlich dem bürstenlosen Gleichstrommotor, des elektromotorischen Aktuators 1 zugewandt.
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An einer gegenüberliegenden Rückseite des B-Lagerschilds 13 verfügt dasselbe über Ausnehmungen 18, die in der Darstellung der 3 lediglich gestrichelt gezeigt sind, da dieselben der Darstellung der 3 von der Vorderwand 16 des B-Lagerschilds 13 verdeckt sind. In den Ausnehmungen 18 finden im montierten Zustand des elektromotorischen Aktuators 1 die Hallsensoren 9 der Sensorik 3 Aufnahme.
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Im Bereich der Ausnehmungen 18 verfügt demnach das B-Lagerschild 13 über eine reduzierte Wanddicke. Gegebenenfalls ist die Wanddicke des B-Lagerschilds 13 im Bereich der Ausnehmungen 18 so gering, dass die Hallsensoren 9 durch das B-Lagerschild 13 hindurch das Magnetfeld des Läufers 5 des Elektromotors 2 unmittelbar detektieren können, wobei dann in diesem Fall gegebenenfalls auf das Magnetgeberrad 14 verzichtet werden kann. Durch die geschlossene Vorderseite 16 des B-Lagerschilds 13 sind jedoch die die Hallsensoren 9 vor Beschädigungen und/oder Verschmutzungen geschützt.
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Gemäß 4 sind die Sensorik 3 und die Elektronik 4 des erfindungsgemäßen, elektromotorischen Aktuators 1 als Einheit ausgebildet. Diese Einheit aus Elektronik 4 und Sensorik 3 ist, wie bereits ausgeführt, zusammen mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor 2 des erfindungsgemäßen Aktuators 1 gemeinsam in dem Gehäuse 8 positioniert, wobei die Relativlage der Einheit aus Elektronik 4 und Sensorik 3 im Gehäuse 8 über Schlitze 19 definiert wird, in welche im montieren Zustand des erfindungsgemäßen Aktuators 1 Stege des Gehäuses 8 eingreifen.
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Das Lagerschild 13, welches in montiertem Zustand des erfindungsgemäßen, elektromotorischen Aktuators 1 zwischen der Einheit aus Elektronik 4 und Sensorik 3 sowie dem Elektromotor 2 positioniert ist, verfügt gemäß 3 über mehrere Schlitze 20, die über den Umfang des B-Lagerschilds 13 verteilt sind. Über diese Schlitze 20 ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Elektronik 4 mit dem Elektromotor 2, nämlich Wicklungen des Ständers 6 des Elektromotors 2, zu kontaktieren. Diese Kontaktierung der Elektronik 4 mit den Wicklungen des Ständers 6 erfolgt über Kontaktierungsstifte 21, die sich durch die Schlitze 20 im B-Lagerschild 13 im montierten Zustand des Aktuators 1 erstrecken. Es sind zur Kontaktierung der Elektronik 4 mit den drei Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 drei Paare aus Kontaktierungsstiften 21 vorhanden.
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Über weitere Kontaktierungsstifte 22 ist es zum Beispiel möglich, einen Temperatursensor, der im Elektromotor 2 verbaut ist, mit der Elektronik 4 zu kontaktieren. Auch diese Kontaktierungsstifte 22 erstrecken sich im montierten Zustand des Aktuators 1 durch die Schlitze 20 im B-Lagerschild 13.
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Das in 3 gezeigte B-Lagerschild 13 verfügt demnach über einen Zapfen 17 zur Aufnahme des eigentlichen B-Lagers 11, über Ausnehmungen 18 zur Aufnahme der digitalen Hallsensoren 9 der Sensorik 3 und über Schlitze 20, durch die zur Kontaktierung der Elektronik 4 mit den Wicklungen des Ständers 6 des Elektromotors 2 sowie zur Kontaktierung eines Temperatursensors mit der Elektronik 4 Kontaktierungsstifte 21 und 22 erstrecken.
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Das B-Lagerschild 13 ist dabei aus einem magnetisch unwirksamen Material gefertigt, wobei dann, wenn die Materialdicke bzw. Wandstärke im Bereich der Ausnehmungen 18 gering genug ist, gegebenenfalls direkt durch das B-Lagerschild 13 ein Magnetfeld des Läufers 5 des Elektromotors 2 detektiert werden kann, wobei in diesem Fall dann auf ein Magnetgeberrad 14 verzichtet werden kann.
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Wie bereits ausgeführt, bilden die Elektronik 4 und die Sensorik 3 zusammen eine Einheit. Die Elektronik 4 kann dabei als Dickschichthybridschaltung ausgeführt sein, wobei in diesem Fall dann die Elektronik 4 ins B-Lagerschild eingelegt ist und nach dem Kontaktieren der Wicklungen des Ständers 6 des Elektromotors 2 mit diesen vergossen ist. In diesem Fall bilden dann Elektronik 4, Sensorik 3, B-Lagerschild 13 und die Wicklungen des Ständers 6 des Elektromotors 2 eine Einheit.
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Die Elektronik 4 kann auch als Platine mit dem Inneren derselben eingebrachten, aktiven Bauelementen ausgeführt sein, wobei in diesem Fall die Elektronik eine sogenannte Aktivmultilayerelektronik bildet. Die Elektronik kann dann in diesem Fall eine metallisierte Oberfläche aufweisen, um dieselbe direkt in das B-Lagerschild einzupressen.
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Ferner kann die Elektronik 4 auch als bestückte FR4-Platine ausgeführt sein. In diesem Fall kann dann wiederum nach dem Kontaktieren der Elektronik 4 mit den Wicklungen des Ständers 6 des Elektromotors 2 Elektronik 4 mit dem Lagerschild 13 zu einer Einheit vergossen werden.
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Erfindungsgemäße, elektromotorische Aktuatoren sind insbesondere zur Integration in bewegte Baugruppen, zum Beispiel in eine mit hoher Drehzahl rotierende Welle, geeignet. So ist es zum Beispiel möglich, den erfindungsgemäßen, elektromotorischen Aktuator 1 bzw. 15 in eine rotierende Welle eines automatisierten Schaltgetriebes zu integrieren. Ebenso ist es möglich, die erfindungsgemäßen Aktuatoren in andere bewegte Systeme, wie zum Beispiel in ein aktives Fahrwerk, zu integrieren.
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Der erfindungsgemäße, elektromotorische Aktuator kann über eine in der Zeichnung nicht-gezeigte Bus-Schnittstelle an einen Datenbus angeschlossen werden.
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So ist es zum Beispiel möglich, abhängig von der Anwendung, in welcher der elektromotorische Aktuator verbaut ist, dass derselben über eine Bus-Schnittstelle an einen CAN-Bus oder ein Feldbussystem, wie zum Beispiel einen Profibus angeschlossen ist.
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Über eine weitere nicht-gezeigte Schnittstelle kann der elektromotorische Aktuator 1 bzw. 15 mit Spannung bzw. Strom, beispielsweise mit Gleichspannung bzw. Gleichstrom, versorgt werden, wobei die Spannungsversorgung bzw. Stromversorgung ein beliebiges Spannungsniveau bzw. Stromniveau aufweisen kann, welches abhängig von der Anwendung ist, in welcher der elektromotorische Aktuator 1 bzw. 15 verbaut ist. In der Elektronik 4 kann auch eine Gleichrichtung der Versorgungsspannung integriert sein, so dass der Aktuator 1, 15 mit Wechselspannung beliebiger Frequenz versorgt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Elektromotor
- 3
- Sensorik
- 4
- Elektronik
- 5
- Läufer
- 6
- Ständer
- 7
- Mechanik
- 8
- Gehäuse
- 9
- Hallsensoren
- 10
- A-Lager
- 11
- B-Lager
- 12
- A-Lagerschild
- 13
- B-Lagerschild
- 14
- Magnetgeberrad
- 15
- Aktuator
- 16
- Vorderseite
- 17
- Zapfen
- 18
- Ausnehmung
- 19
- Schlitz
- 20
- Schlitz
- 21
- Kontaktierungsstift
- 22
- Kontaktierungsstift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007000446 A1 [0004]
