DE102013113204A1

DE102013113204A1 - Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013113204A1
Application number: DE102013113204.9A
Authority: DE
Inventors: Markus von Scheven
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-05-28

Abstract

Es sind Stellantriebe für Aggregate in Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor (10), welcher einen Stator (21) mit auf Statorpolen (22) gewickelten Spulen (24) sowie einen Rotor (19) mit Rotorpolen (20) aufweist, der mit einer Abtriebswelle (11) verbunden ist, einer Antriebswelle (13) eines Aggregates (14), die mit der Abtriebswelle (11) des Elektromotors (10) gekoppelt ist und einer Rückstellfeder (18), über die die Antriebswelle (13) in eine Notlaufposition fahrbar ist, bekannt. Die zu verwendenden Elektromotoren sind üblicherweise sehr groß, da das Drehmoment der Feder überwunden werden muss. Um kleinere Elektromotoren verwenden zu können, wird daher vorgeschlagen, dass die Anzahl der Rotorpole (20) größer der Anzahl der Statorpole (22) ist und die Rotorpole (20) eine Ausnehmung (26) aufweisen, die derart angeordnet ist, dass der radiale Abstand der Rotorpole (20) zum Stator (21) jeweils in eine gleiche Umfangsrichtung wächst, wobei die Kraft der Rückstellfeder (18) in der Umfangsrichtung wirkt, in der der radiale Abstand eines Rotorpols (20) zum Stator (21) wächst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor, welcher einen Stator mit auf Statorpolen gewickelten Spulen sowie einen Rotor mit Rotorpolen aufweist, der mit einer Abtriebswelle verbunden ist, einer Antriebswelle eines Aggregates, die mit der Abtriebswelle des Elektromotors gekoppelt ist und einer Rückstellfeder, über die die Antriebswelle in eine Notlaufposition fahrbar ist.
Elektromotorisch betriebene Stellantriebe in Kraftfahrzeugen sind bekannt und bestehen aus einem Elektromotor, dessen Abtriebswelle entweder direkt oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe mit einer Antriebswelle des Aggregates gekoppelt ist. Solche Stellantriebe werden im Bereich des Verbrennungsmotors beispielsweise zur Verstellung von Klappen oder Ventilen, wie Drosselklappen, Drallklappen, Abgasklappen oder Abgasrückführventilen verwendet. Um die Funktion des Verbrennungsmotors bei Ausfall der elektrischen Anschlüsse oder des Elektromotors selbst aufrecht erhalten zu können, werden diese Klappen oder Ventile bei Ausfall der Elektrik in eine Notlaufposition gedreht. Dies erfolgt üblicherweise mittels einer Rückstellfeder, welche entweder auf das zu verstellende Aggregat, den Elektromotor selbst oder ein zwischengeschaltetes Getriebe beziehungsweise die Abtriebswelle des Getriebes wirkt.
Als Elektromotor werden im Kraftfahrzeug zumeist elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren verwendet, an deren Rotoren Permanentmagnete angeordnet sind, die mit den auf den Statorpolen gewickelten Spulen zusammenwirken.
Ein Stellantrieb mit einem solchen Elektromotor ist beispielsweise aus der DE 10 2006 054 041 B3 bekannt. Der hier offenbarte Aktuator besteht aus einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor sowie einem dem Gleichstrommotor nachgeschalteten Planetengetriebe, dessen Abtriebswelle über eine Koppelstange mit einer Drehwelle einer Abgasrückführklappe gekoppelt ist. Das Getriebe des Stellers ist von einer Rückstellfeder umgebe, über welche der Elektromotor in eine Notlaufposition bei Ausfall des Elektromotors gedreht wird. Nachteilig an einem derartigen Stellantrieb ist es, dass bei Bewegung der Klappe in einer Richtung immer gegen die Federkraft gedreht werden muss, während in der anderen Richtung die Drehbewegung vollständig durch die Federkraft aufgebracht wird. Somit ist ein relativ großer Motor mit einem erhöhten Drehmoment zur Verstellung der Klappe notwendig.
Des Weiteren ist aus der DE 197 15 692 A1 ein geschalteter Reluktanzmotor mit acht Rotorpolen und zwölf Statorpolen bekannt, bei dem die Rotorpole zur Radialrichtung gekippt angeordnet sind. Hierdurch wird die in Umfangsrichtung wirkende magnetische Kraft verstärkt, so dass das erzeugbare Drehmoment in der Drehrichtung, in der die Rotorpole gekippt sind, verstärkt wird. Umgekehrt verringert sich jedoch das durch die Bestromung der Statorpole erzeugbare Drehmoment in der entgegengesetzten Drehrichtung.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Stellantrieb zu schaffen, bei dem ein kleinerer Elektromotor verwendet werden kann und mit dem in beide Richtungen ein ausreichendes Drehmoment zur Betätigung von Aggregaten im Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Anzahl der Rotorpole größer der Anzahl der Statorpole ist, wird ein geschalteter Reluktanzmotor verwendet, der unempfindlich gegen kurzzeitige Überlastungen ist. Das durch die Verwendung eines Reluktanzmotors verringerte Drehmoment wird in eine Drehrichtung dadurch erhöht, dass die Rotorpole eine Ausnehmung aufweisen, die derart angeordnet ist, dass der radiale Abstand der Rotorpole zum Stator jeweils in eine gleiche Umfangsrichtung wächst, so dass die in Umfangsrichtung wirkende magnetische Kraft im Vergleich zur radial wirkenden Kraft verstärkt wird. Gleichzeitig wirkt erfindungsgemäß die Kraft der Rückstellfeder in derjenigen Umfangsrichtung, in der der radiale Abstand eines Rotorpols zum Stator wächst. Daraus folgt, dass die Drehbewegung des Stellers in der Richtung, in der aufgrund der Ausnehmung lediglich ein geringeres Drehmoment erzeugt werden kann, durch die Federkraft unterstützt wird. Andererseits arbeitet der Elektromotor in der Drehrichtung, in der ein hohes Drehmoment erzeugt werden kann, gegen die Federkraft. Insgesamt wird durch diese Maßnahmen ein Stellantrieb geschaffen, dessen Antriebsmotor eine geringere Baugröße aufweist und dennoch in beide Richtungen ein ausreichendes Drehmoment erzeugt.
Vorzugsweise sind in den Rotorpolen Permanentmagnete angeordnet, so dass eine hybride Reluktanzmaschine als Elektromotor verwendet wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Antriebs verbessert und der Leistungsfaktor im Vergleich zum geschalteten Reluktanzmotor ohne Permanentmagnete verbessert.
Die Permanentmagnete sind dabei vorteilhafterweise in Umfangsrichtung am zur Ausnehmung entgegengesetzten Bereich jedes Rotorpols angeordnet, wodurch das gegen die Federkraft arbeitende Drehmoment erhöht wird.
Dabei kann die Ausnehmung sich bis zu einem Rotorpolfuß erstrecken, so dass eine im Vergleich zur radialen Richtung des Elektromotors schräg gestellte Schwerpunktgerade des Rotorpols erzeugt wird, wodurch besonders gute Ergebnisse bezüglich des erreichbaren Drehmoments in der Vorzugsrichtung erzielt werden.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist eine den Rotorpol in Richtung der Ausnehmung begrenzende Kante gerade geformt, was den Herstellprozess des Rotors vereinfacht.
In einer hierzu alternativen Ausführungsform ist die den Rotorpol in Richtung der Ausnehmung begrenzende Kante gebogen geformt, wodurch Drehmomentschwankungen verringert werden.
Bei der Anwendung zur Verstellung von Klappen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Elektromotor sechs Rotorpole und vier Statorpole aufweist. Ein solcher Antrieb weist einerseits eine ausreichend gute Regelbarkeit und gleichzeitig geringe Produktionskosten auf.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung sind die Abtriebswelle des Elektromotors und die Antriebwelle des Aggregats über ein Getriebe miteinander gekoppelt, so dass sehr genaue Stellwinkel angefahren werden können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wirkt die Rückstellfeder auf ein Zahnradsegment des Getriebes. So kann auf die Ausformung zusätzlicher Anschlagpunkte für die Rückstellfeder verzichtet werden.
Es wird somit ein Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug geschaffen, der kostengünstig herzustellen ist und gleichzeitig nur wenig Bauraum benötigt, da ein kleinerer Antriebsmotor verwendet werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellantriebs wird im Folgenden anhand der Figuren beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs.
Der erfindungsgemäße Stellantrieb besteht aus einem Elektromotor 10, der eine Antriebswelle 11 antreibt. Über ein Getriebe 12 wird die Bewegung der Abtriebswelle 11 auf eine Antriebswelle 13 eines Aggregates 14 untersetzt übertragen, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel als auf der Antriebswelle 13 angeordnete Klappe 14 ausgebildet ist. Diese dient zur Regelung eines Durchströmungsquerschnitts eines Kanals 16. Die Klappe 14 wird über eine Rückstellfeder 18 in Richtung einer Notlaufposition belastet und muss zur Verstellung aus dieser Notlaufposition entgegen der Kraft der Rückstellfeder 18 durch den Elektromotor 10 gedreht werden.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass als Elektromotor 10 ein geschalteter Reluktanzmotor verwendet wird. Solche Reluktanzmotoren weisen einen Rotor 19 mit Rotorpolen 20 sowie einen Stator 21 mit Statorpolen 22 auf, wobei die Anzahl der Rotorpole 20 und der Statorpole 22 unterschiedlich ist. Die Statorpole 22 sind mit Spulen 24 bewickelt, die jeweils abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die gerade bestromten Statorpole 22 ziehen jeweils die nächstgelegenen Rotorpole 20 durch ihr elektromagnetisches Feld an und werden kurz bevor die Rotorpole 20 den jeweils bestromten Statorpolen 22 gegenüberstehen, abgeschaltet. In dieser Position werden die zur jeweils nächsten Phase zugehörigen Statorpole 22 bestromt, so dass weitere Rotorpole 20 angezogen werden.
Der hier gezeigte Elektromotor 10 hat zwei Phasen mit jeweils zwei gegenüberliegenden Statorpolen 22, also insgesamt vier Statorpolen 22 und sechs Rotorpolen 20. Um im richtigen Zeitpunkt die Bestromungen der jeweiligen Phasen umzuschalten, wird der Elektromotor 10 mit einem Sensor zur Lagerückmeldung ausgestattet.
Das sich durch die Verwendung des Reluktanzmotors etwas verringerte Drehmoment wird bei dem dargestellten Elektromotor 10 durch zwei Maßnahmen deutlich gesteigert. Wie aus der Figur ersichtlich ist, weisen die Rotorpole 20 eine etwa dreieckförmige Ausnehmung 26 auf, die jeweils an der linken Seite jedes Rotorpols 20 angeordnet ist, so dass eine schräge Gerade als den Rotorpol 20 begrenzende Kante 27 entsteht. Bei Betrachtung jedes Rotorpols 20 in einer Lage direkt gegenüber zu einem Statorpol 22 wächst somit in Umfangsrichtung entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn der Abstand jedes Rotorpols 20 zum Stator 21 linear bis zum Rotorpolfuß 28 des jeweiligen Rotorpols 20 an. Die in Umfangsrichtung wirkende magnetische Kraft wird durch diese Ausnehmung 26 im Vergleich zur radial wirkenden Kraft verstärkt, so dass im Uhrzeigersinn ein höheres Drehmoment erzeugt werden kann.
Dies wird zusätzlich noch durch die Verwendung von Permanentmagneten 30 in den Rotorpolen 20 verstärkt, welche üblicherweise bei Reluktanzmotoren nicht verwendet werden. Diese sind nicht mittig im Rotorpol 20 angeordnet, sondern sind in Umfangsrichtung versetzt zu der von der Ausnehmung 26 abgewandten Seite angeordnet. Neben der reinen Drehbewegungserzeugung durch Reluktanz kann somit zusätzlich wie bei Synchronmotoren eine Bewegung durch magnetische Anziehungskraft erzeugt werden. Auf diese Weise kann das im Uhrzeigersinn wirkende Drehmoment im Vergleich zu üblichen elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren bei gleicher Baugröße verstärkt werden. Im Gegenzug wird jedoch durch die Ausnehmung das Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn verringert.
Der Stellantrieb wird entsprechend so ausgeführt, dass die Kraft der Rückstellfeder 18 entgegen dem Uhrzeigersinn wirkt, also in der Richtung in der der Abstand zum Statorpol 22 wächst und somit das geringere durch den Elektromotor 10 aufzubringende Drehmoment bei der Drehung unterstützt. Andererseits besteht durch das hohe zur Verfügung stehende Drehmoment im Uhrzeigersinn die Möglichkeit entgegen der Federkraft die Klappe 14 zu betätigen.
Entsprechend wird ein sehr robuster Stellantrieb geschaffen, bei dem erstmals die zur Verfügung stehenden Drehmomente optimal bezüglich der Verwendung mit einer Rückstellfeder angepasst werden, da sonst die verwendeten Elektromotoren immer so ausgelegt werden müssen, dass das Drehmoment auch bei entgegenwirkender Federkraft ausreicht, wodurch in der entgegengesetzten Richtung gar kein Drehmoment mehr erforderlich ist und somit eine deutliche Überdimensionierung in dieser Richtung vorliegt. Für den erfindungsgemäßen Stellantrieb kann entsprechend ein kleinerer Elektromotor verwendet werden.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Neben der dargestellten Klappe können auch andere in eine Notlaufposition zu fahrende Aggregate, wie zum Beispiel Hubventile betätigt werden. Die entsprechenden Drehrichtungen sind selbstverständlich ebenfalls anzupassen. Die Rückstellfeder kann auch im Gehäuse des Getriebes angeordnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006054041 B3 [0004]
DE 19715692 A1 [0005]

Claims

Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor (10), welcher einen Stator (21) mit auf Statorpolen (22) gewickelten Spulen (24) sowie einen Rotor (19) mit Rotorpolen (20) aufweist, der mit einer Abtriebswelle (11) verbunden ist, einer Antriebswelle (13) eines Aggregates (14), die mit der Abtriebswelle (11) des Elektromotors (10) gekoppelt ist und einer Rückstellfeder (18), über die die Antriebswelle (13) in eine Notlaufposition fahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Rotorpole (20) größer der Anzahl der Statorpole (22) ist und die Rotorpole (20) eine Ausnehmung (26) aufweisen, die derart angeordnet ist, dass der radiale Abstand der Rotorpole (20) zum Stator (21) jeweils in eine gleiche Umfangsrichtung wächst, wobei die Kraft der Rückstellfeder (18) in der Umfangsrichtung wirkt, in der der radiale Abstand eines Rotorpols (20) zum Stator (21) wächst.
Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rotorpolen (20) Permanentmagnete (30) angeordnet sind.
Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (30) in Umfangsrichtung am zur Ausnehmung entgegengesetzten Bereich jedes Rotorpols (20) angeordnet sind.
Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (26) sich bis zu einem Rotorpolfuß (28) erstreckt.
Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Rotorpol (20) in Richtung der Ausnehmung (26) begrenzende Kante (27) gerade geformt ist.
Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Rotorpol (20) in Richtung der Ausnehmung (26) begrenzende Kante gebogen geformt ist.
Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor sechs Rotorpole (20) und vier Statorpole (22) aufweist.
Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (11) des Elektromotors (10) und die Antriebswelle (13) des Aggregats (14) über ein Getriebe (12) miteinander gekoppelt sind.
Stellantrieb für Aggregate in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (18) auf ein Zahnradsegment des Getriebes (12) wirkt.