-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reluktanzaktor für aktive Lager, insbesondere für Motorlager in einem Kraftfahrzeug.
-
Stand der Technik
-
Aktive Motorlager sind Bestandteil verschiedener PKWs und reduzieren die Vibrationsübertragung des Verbrennungsmotors an das Fahrgestell. Dies verringert unter anderem die Entwicklung und Übertragung von Geräuschen. Aktive Motorlager sind beispielsweise aus der
DE 10 2011 081 291 A1 bekannt.
-
Als Basis für ein aktives Motorlager werden beispielsweise Hydrolager genutzt. Dabei wird eine angreifende Lagerkraft F
L auf ein Hydraulikfluid in einer Hydraulikkammer übertragen, und eine Gegenkraft F
G zur Kompensation dieser Lagerkräfte wird eingebracht, indem der Druck des Hydraulikfluids über einen Aktor verändert wird. Hydrolager als aktive Motorlager sind beispielsweise aus der
DE 10 2011 011 328 A1 bekannt.
-
Als Aktorprinzipien sind Reluktanz-, Lorentz- und Piezo-Aktoren sowie Hybridlösungen, etwa Lorentz-Reluktanz-Aktoren, bekannt. Die Aktoren werden über ein vom Motorsteuergerät getrenntes externes Steuergerät angesteuert.
-
-
Offenbarung der Erfindung
-
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Reluktanzaktor entwickelt. Dieser Reluktanzaktor umfasst mindestens einen ferromagnetischen Stator, eine Erregerspule zum Einbringen eines magnetischen Flusses Φ in den Stator sowie ein ferromagnetisches Wirkelement, das beweglich gegen den Stator gelagert ist. Das gesamte magnetische System, vor allem des Movers, ist stark gesättigt. Die Induktivität L der mit dem Stator zusammenwirkenden Erregerspule ist daher von der Position p des Wirkelements und vom Strom I durch die Erregerspule abhängig.
-
Wird die Erregerspule bestromt, so wirkt auf das Wirkelement eine Kraft, die bestrebt ist, die Induktivität L zu maximieren. Mit einem einzelnen Reluktanzaktor kann das Wirkelement durch Bestromung der Erregerspule aus einem gewissen Einzugsbereich von Positionen p um die Position pM, in der die Induktivität L maximal ist, in diese Position pM überführt werden. Das Wirkelement kann alternativ oder auch in Kombination hierzu durch Bestromung der Erregerspule in einer Richtung auf die Position pM zu bewegt und in der anderen Richtung durch eine Rückstellkraft, beispielsweise eine Federkraft, von dieser Position weg bewegt werden. Das Wirkelement kann beispielsweise in einer Weise beweglich gelagert sein, dass es in einer Dimension linear bewegbar ist.
-
Der Reluktanzaktor umfasst weiterhin mindestens eine Spannungsquelle und mindestens ein Steuerelement für die Bestromung der Erregerspule mittels der Spannungsquelle. Das Steuerelement bildet mit der Erregerspule einen Zweipol. Dieser Zweipol muss nicht ausschließlich das Steuerelement und die Erregerspule umfassen, sondern kann auch weitere Komponenten enthalten, wie beispielsweise eine oder mehrere Dioden zum Abbau und/oder zur Verhinderung einer in der Erregerspule erzeugten Selbstinduktionsspannung. Der Zweipol ist also im weitesten Sinne die Einheit aus Ansteuerung und Erregerspule, die aus der Spannungsquelle versorgt wird und den magnetischen Fluss Φ in den Stator einbringt.
-
Erfindungsgemäß ist ein Kondensator parallel zu dem Zweipol geschaltet. Dieser Kondensator ist so dimensioniert, dass er mit einer Frequenz f von mindestens 50 Hz zu mindestens einem Drittel seiner Kapazität durch den Zweipol ladbar bzw. entladbar ist.
-
In einem aktiven Lager übt der Reluktanzaktor eine Gegenkraft FG zur Kompensation der von außen angreifenden Lagerkraft FL aus, sobald die Erregerspule bestromt ist. Da sich die Lagerkraft FL im Allgemeinen ständig ändert, muss die Gegenkraft FG, und damit auch der Strom I durch die Erregerspule, ständig nachgeführt werden. In den Phasen, in denen der Strom I durch die Erregerspule erhöht wird, wird Energie aus der Spannungsquelle benötigt. Es wurde nun erkannt, dass der Austausch von Energie zwischen dem Kondensator und dem Zweipol in zweierlei Hinsicht vorteilhaft für den Einsatz des Reluktanzaktors in einem aktiven Lager, und hier speziell in einem Motorlager, ist:
Zum Einen werden durch den Kondensator Spannungsoberwellen und Oszillationen in dem Frequenzbereich der typischerweise von einem Motorlager aufzunehmenden Schwingungen, beispielsweise in einem Bereich zwischen 50 und etwa 200 Hz, wirksam unterdrückt. Dadurch kann der Reluktanzaktor in diesem Frequenzbereich passgenauer und zeitnaher mit der Gegenkraft FG auf die angreifende Lagerkraft FL reagieren, d.h., der Zeitverlauf der Gegenkraft FG kann den Zeitverlauf der Lagerkraft FL besser abbilden.
-
Zum Anderen kann Energie eingespart werden. Der Kondensator ermöglicht es, die bei Verminderung des Stroms I durch die Erregerspule frei werdende Energie zumindest teilweise zwischenzuspeichern und bei der nächsten Erhöhung des Stroms I erneut zu nutzen.
-
Weiterhin wird jedes Mal, wenn die Erregerspule bestromt ist und die Lagerkraft FL das Wirkelement gegen den Widerstand der Gegenkraft FG auslenkt, Arbeit gegen diese Gegenkraft FG verrichtet. Dadurch wird in dem aktiven Lager zusätzliche Energie deponiert, die wiederum in den Kondensator überführbar ist.
-
Durch die betriebspunktabhängige Zwischenspeicherung zurückgewonnener, bzw. aus der äußeren Bewegung „geernteter“, Energie im Kondensator wird zum Einen die mittlere Leistung, die für den Betrieb des aktiven Lagers aus der Spannungsquelle zugeführt werden muss, reduziert. Zum Anderen werden auch Bedarfsspitzen abgedeckt. Im Ergebnis kann etwa ein Motorlager für ein Kraftfahrzeug mit so wenig mittlerer Leistung und mit so geringer Spitzenleistung auskommen, dass es praktikabel wird, das aktive Motorlager über das Motorsteuergerät anzusteuern und ein zusätzliches externes Steuergerät einzusparen.
-
Es wurde in diesem Zusammenhang erkannt, dass die von aktuellen Motorsteuergeräten bereitgestellte Rechenleistung den zusätzlichen Rechenaufwand für die Ansteuerung des aktiven Motorlagers durchaus bewältigen kann und auch der Einbau der zusätzlich notwendigen Hardware mit größeren Gehäuseformen und passenden Entwärmungskonzepten für kleinere Fahrzeuge, ohne besondere Schwierigkeiten realisierbar ist. Durch die Reduzierung der genannten Bedarfsspitzen kann der Hardwareaufwand für die Ansteuerung des Reluktanzaktors, für seine Kühlung und für seine Leistungselektronik reduziert werden.
-
Der mögliche Wegfall eines zusätzlichen Steuergeräts allein für das aktive Motorlager kann entsprechend den Bauraum, die Materialkosten und den Aufwand für zusätzliche Verkabelung einsparen. Weiterhin ist es aus Sicht von Fahrzeugherstellern generell günstig, mit möglichst wenigen Steuergeräten auszukommen. Schließlich wirkt sich die Energieeinsparung im aktiven Motorlager auch günstig auf den Kraftstoffverbrauch und damit auf den CO2-Ausstoß aus. Schließlich bewirkt der Kondensator auch eine Spannungsglättung und vermindert so die Rückwirkung der hohen Stromimpulse des Reluktanzaktors auf das Bordnetz.
-
Ein Reluktanzaktor hat in einem aktiven Lager allgemein den Vorteil, dass er ohne Permanentmagnete auskommt, die in der Regel aus Seltenen Erden bestehen und entsprechend hohe Materialkosten verursachen. Weiterhin sind Amplitude und Frequenz der durch den Reluktanzaktor ausgeübten Gegenkraft FG getrennt voneinander einstellbar.
-
Es sind moderne Fahrzeuge bekannt, bei denen das durch die Batterie einerseits und durch die Lichtmaschine andererseits gespeiste Bordnetz durch einen Kondensator, beispielsweise durch einen Supercap, gepuffert ist. Die zu diesem Zweck verwendeten Kondensatoren sind nicht für die Rückgewinnung, bzw. für das „Ernten“, von Energie in einem aktiven Lager geeignet, da sie insbesondere nicht schnell genug umgeladen werden können. Geeignet für die Energiespeicherung im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Keramikkondensatoren oder Folienkondensatoren, da sie eine besonders geringe parasitäre Induktivität bei gleichzeitig geringer parasitärer Impedanz aufweisen. Beides begünstigt ein schnelles Umladen. Die geringe parasitäre Impedanz führt darüber hinaus dazu, dass sich der Kondensator insbesondere bei sehr häufigem Umladen in schneller Folge nicht unzulässig erwärmt.
-
Weiterhin ist ein Kondensator, der das Bordnetz oder große Bereiche hiervon puffert, regelmäßig zu weit von der Erregerspule entfernt. Ein zu großer Anteil der Energie aus der Erregerspule geht daher beim Transport verloren. Weiterhin wird gerade der schnelle Transport von Energie durch eine Vielzahl von Impedanzen im Bordnetz behindert.
-
Vorteilhaft ist der Kondensator so dimensioniert, dass er mindestens mit Frequenzen f im Bereich zwischen 100 Hz und 250 Hz zu mindestens einem Drittel seiner Kapazität durch die Reihenschaltung ladbar bzw. entladbar ist. Er ist dann in diesem Bereich optimal auf seine Funktionen der Zwischenspeicherung und Spannungsglättung abgestimmt. Das Frequenzspektrum der Lagerkraft FL, die in einem aktiven Motorlager für ein Kraftfahrzeug wirkt, enthält besonders große Anteile in diesem Frequenzbereich.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das mit der Erregerspule verbundene Tor des Steuerelements über eine antiparallel zur Stromrichtung durch das Steuerelement gepolte Diode mit dem Kondensator verbunden. Eine solche Diode leitet eine durch Selbstinduktion in der Erregerspule induzierte Spannung U nicht nur ab, sondern vermindert zugleich die Selbstinduktion. Es kann beispielsweise ein Transistor als Steuerelement in Reihe mit der Erregerspule geschaltet sein, und die Erregerspule kann wiederum mit einer antiparallel zur Stromrichtung durch den Transistor gepolten Diode überbrückt sein. Wird nun der Transistor durch die Ansteuerung vom leitenden in den nichtleitenden Zustand überführt, so bewirkt die Selbstinduktion eine Potentialdifferenz, die die Diode leitend macht. Es fließt dann ein Kreisstrom durch die Erregerspule und die Diode, der die in der Erregerspule gespeicherte Energie am Widerstand der Diode dissipiert.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuerelement dazu ausgebildet und/oder beschaltet, unabhängig von seiner Ansteuerung eine in der Erregerspule induzierte Spannung U, die einen vorgegebenen Schwellwert Ut überschreitet, in den Kondensator abzuleiten. Die Rückgewinnung, bzw. das „Ernten“, von Energie muss dann nicht zwangsläufig mit der Bestromung der Erregerspule zeitlich koordiniert werden. Dadurch kann im zeitlichen Mittel insgesamt mehr Energie im Kondensator gespeichert und der gesamte Energieverbrauch des aktiven Lagers weiter vermindert werden. Zugleich schützt die Ableitung der induzierten Spannung U auch das Steuerelement vor Spannungsspitzen.
-
Zwecks Ableitung der induzierten Spannung U kann das Steuerelement beispielsweise mit einer Diode überbrückt sein, deren Durchlassrichtung antiparallel zur Stromrichtung durch das Steuerelement ist. Diese Diode kann separat vom Steuerelement sein, aber auch im Steuerelement selbst integriert sein. Beispielsweise enthalten viele MOSFETs antiparallel zwischen Source und Drain geschaltete Schutzdioden. Weiterhin sind speziell zur Ansteuerung induktiver Lasten Leistungs-MOSFETs verfügbar, bei denen der Durchbruch eines ohnehin vorhandenen np- oder pn-Übergangs kontrolliert abläuft, so dass der Transistor seine eigene Schutzdiode darstellt. Das Steuerelement umfasst somit vorteilhaft einen MOSFET bzw. einen Leistungs-MOSFET.
-
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Zweipol als H-Brücke ausgebildet, wobei in jeden durch die H-Brücke und die Erregerspule führenden Strompfad mindestens ein Steuerelement geschaltet ist. Eine H-Brücke schafft eine zusätzliche Wahlfreiheit bezüglich der Pfade, auf denen von der Erregerspule ausgehende Spannungen bzw. Ströme abgeleitet werden können. Solche Spannungen bzw. Ströme entstehen hauptsächlich in Folge zeitlicher Veränderungen der Bestromung der Erregerspule auf Grund von Selbstinduktion. Es erzeugt aber beispielsweise auch eine Bewegung des Wirkelements durch die äußere Lagerkraft FL auch ohne Permanentmagnet über die remanente Magnetisierung des Wirkelements einen magnetischen Fluss in der Erregerspule, der wiederum eine Spannung erzeugt.
-
Beispielsweise kann ein Bein des H eine Reihenschaltung aus einer in Sperrrichtung gepolten Diode und einem Steuerelement, welches beispielsweise ein Transistor sein kann, umfassen. Das zweite Bein des H kann eine Reihenschaltung aus einem weiteren Steuerelement und einer weiteren in Sperrrichtung gepolten Diode umfassen. Beide Beine des H sind über die Erregerspule als Querbalken an ihren Punkten zwischen dem jeweiligen Steuerelement und der jeweiligen Diode miteinander verbunden. In einer solchen Schaltung kann durch die Ansteuerung ein Strom durch die Erregerspule getrieben werden, wenn beide Steuerelemente leitend geschaltet sind. Wird nur eines der beiden Steuerelemente nichtleitend geschaltet, fließt ein Strom aus der Erregerspule in einem Kreis durch die mit dem nichtleitenden Steuerelement in Reihe geschaltete Diode und durch das noch leitende Steuerelement. Dadurch wird die in der Erregerspule gespeicherte Energie dissipiert, ohne dass es zu Spannungsspitzen kommt. Werden beide Steuerelemente nichtleitend geschaltet, fließt die in der Erregerspule gespeicherte Energie über beide Dioden in den Kondensator ab.
-
Alternativ können die beiden Dioden aber auch durch weitere Steuerelemente, beispielsweise Transistoren, ersetzt werden. Beispielsweise können die Transistoren dann so angesteuert werden, dass sie die gleiche Wirkung haben wie die Dioden, jedoch mit einem geringeren Spannungsabfall und dementsprechend mit einem größeren Wirkungsgrad.
-
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Statoren mit zugehörigen Erregerspulen und Wirkelementen vorgesehen. Die beiden Wirkelemente sind mechanisch gekoppelt, und der Abstand w zwischen den beiden Wirkelementen ist so dimensioniert, dass eine Erhöhung der Induktivität L der einen mit dem einen Stator zusammenwirkenden Erregerspule die Induktivität L der anderen mit dem anderen Stator zusammenwirkenden Erregerspule vermindert. Hierzu kann beispielsweise der Abstand w zwischen den beiden Wirkelementen vom Abstand s zwischen den beiden Statoren abweichen, wobei beide Abstände beispielsweise entlang einer gemeinsamen Achse gemessen sein können, entlang derer die beiden Wirkelemente linear beweglich gelagert sind.
-
Mit dieser Ausgestaltung lässt sich zum Einen besonders einfach eine Bewegung in zwei entgegengesetzte Richtungen realisieren, indem die beiden Erregerspulen im Wechsel bestromt werden. Im Unterschied zu einem Reluktanzaktor mit nur einer Erregerspule kann eine Feder oder eine andere Quelle für eine Rückstellkraft, die unerwünschter Weise eine mechanische Eigenfrequenz vorgibt, entfallen.
-
Zum Anderen kann über die jeweils nicht bestromte Erregerspule Energie zurückgewonnen und im Kondensator gespeichert werden. Insbesondere bei einer periodischen Bewegung des Reluktanzaktors kann die Energie dann gleichsam zwischen den Spulen und dem Kondensator pendeln, und im zeitlichen Mittel muss aus der Spannungsquelle deutlich weniger Energie netto zugeführt werden als bei bisherigen Reluktanzaktoren.
-
Des weiteren bilden die Abstände zwischen den Statoren und die Abstände zwischen den Wirkelementen zwei weitere Freiheitsgrade, über die die mechanischen Eigenfrequenzen des Reluktanzaktors einstellbar sind. Gerade beim Einsatz des Reluktanzaktors in einem aktiven Motorlager kommt es darauf an, dass das Motorlager speziell in dem Frequenzbereich, in dem das Frequenzspektrum der angreifenden Lagerkraft FL die größten Anteile hat, die unerwünschten Schwingungen besonders gut absorbieren kann.
-
Zu diesem Zweck bildet in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Kondensator mit der Erregerspule einen Schwingkreis, der in Resonanz mit mindestens einer Frequenz f einer periodischen angreifenden Lagerkraft FL ist.
-
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das aktive Lager als hydraulisches Lager mit einer Hydraulikkammer zur Aufnahme von Hydraulikfluid ausgebildet ist, wobei sich die Hydraulikkammer zwischen einer Aufnahmemembran zur Aufnahme der angreifenden Lagerkraft FL und einer an den Reluktanzaktor gekoppelten Aktormembran zur Ausübung der Gegenkraft FG erstreckt. Dadurch kann der Frequenzbereich, in dem das aktive Lager unerwünschte Schwingungen absorbiert, vorteilhaft erweitert und zugleich der Bedarf an elektrischer Leistung weiter reduziert werden. Ist beispielsweise die Hydraulikkammer über eine gedrosselte Verbindung mit einer Nebenkammer verbunden, so entsteht durch Reibungsverluste beim Fluidtransport auch ohne aktives elektrisches Zutun bereits eine Dämpfung im Lager. Dies kann bereits ausreichen, um die Schwingungen mit Frequenzen f unterhalb der hydraulischen Eigenfrequenz der Fluidsäule abzudämpfen. Der Reluktanzaktor wird dann nur noch für höhere Frequenzen f benötigt und verbraucht entsprechend weniger elektrische Energie.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
-
Ausführungsbeispiele
-
Es zeigt:
-
1 Ausführungsbeispiel des Reluktanzaktors 1 mit einer Erregerspule 3;
-
2 Ausführungsbeispiele für die Ansteuerung des in 1 gezeigten Reluktanzaktors;
-
3 Aktives hydraulisches Lager 100 mit einem Reluktanzaktor 1 mit zwei Erregerspulen 3a und 3b.
-
Nach 1 umfasst der Reluktanzaktor 1 einen ferromagnetischen Stator 2, auf den eine Erregerspule 3 gewickelt ist. Das ferromagnetische Wirkelement 4 ist auf einer Welle 42 gehalten und entlang der Achse dieser Welle 42 beweglich gelagert, also in seiner Position p veränderlich. Die Achse der Welle 42 ist mit der Achse 1a identisch, bezüglich welcher der Reluktanzaktor 1 rotationssymmetrisch ist. Das Wirkelement 4 ist durch einen Luftspalt mit der Breite d vom Stator 2 getrennt. Die Induktivität L der Erregerspule 3 wird maximal, wenn sich die Mittelachse 41 des Wirkelements 4 auf der mit pM bezeichneten Position befindet. Diese Position ist mit der Symmetrieachse des Stators 2 identisch.
-
Der rotationssymmetrische Aufbau des Reluktanzaktors 1 bietet für die Fertigung den Vorteil, dass die Erregerspule 3 vor der Endmontage des Reluktanzaktors 1 separat und mit gutem Füllfaktor auf den Stator 2 gewickelt werden kann.
-
In der in 1 gezeigten Situation ist die Erregerspule 3 unbestromt. Wird die Erregerspule 3 bestromt, so wird das Wirkelement 4 nach unten gezogen, bis seine Mittelachse 41 die Position pM erreicht. Wird die Bestromung anschließend unterbrochen, drückt die Rückstellfeder 11 die Welle 42, und damit auch das Wirkelement 4, in die ursprüngliche, in 1a gezeigte Position zurück.
-
2a zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Ansteuerung des in 1a gezeigten Reluktanzaktors 1. Eine Gleichspannungsquelle 5 speist einen Zweipol 7, der aus einem Steuerelement 6 und der Erregerspule 3 gebildet ist. Das Steuerelement 6 ist ein MOSFET mit einem Source-Anschluss S, einem Drain-Anschluss D und einem Gate-Anschluss G. Über die am Gate-Anschluss G anliegende Steuerspannung ist der zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Source-Anschluss S fließende Strom I einstellbar. Der Source-Anschluss S des Steuerelements 6, der mit der Erregerspule 3 verbunden ist, ist über die antiparallel zur Stromrichtung durch das Steuerelement 6 gepolte Diode 12 mit dem Kondensator 8 verbunden. Diese Diode 12 überbrückt zugleich die Erregerspule 3 und ist somit auch Teil des aus dem Steuerelement 6 und der Erregerspule 3 gebildeten Zweipols 7. Wird in der Erregerspule 3 eine Spannung U induziert, beispielsweise durch Selbstinduktion beim schnellen Abschalten des Stroms I durch die Erregerspule 3 oder auch durch eine Bewegung des Wirkelements 4 durch eine angreifende Lagerkraft FL, so treibt diese Spannung U, sobald sie einen Schwellwert Ut überschreitet, einen zwischen der Diode 12 und der Erregerspule 3 im Kreis geführten Strom I. Dieser Strom I dissipiert die in der Erregerspule 3 gespeicherte Energie. Dies geschieht auch dann, wenn das Steuerelement 6 gerade ausgeschaltet ist.
-
Die Diode 12 hat also die Wirkung, dass beim Abschalten des Steuerelements 6 der zu diesem Zeitpunkt durch die Erregerspule 3 fließende Strom nicht schlagartig unterbrochen wird, sondern über die Diode 12 zunächst als Kreisstrom weiterfließen kann und am Widerstand der Diode 12 sukzessive dissipiert wird. Dadurch wird vermieden, dass im Wege der Selbstinduktion eine sehr hohe Spannungsspitze entsteht.
-
2b zeigt eine Ansteuerung des in 1 gezeigten Reluktanzaktors über eine asymmetrische H-Brücke als Zweipol 7. Im linken Bein des H ist eine erste in Sperrrichtung gepolte Diode 12a in Reihe mit einem ersten Steuerelement 6a geschaltet. Im rechten Bein des H ist ein zweites Steuerelement 6b in Reihe mit einer zweiten in Sperrrichtung gepolten Diode 12b geschaltet. Beide Steuerelemente 6a und 6b sind jeweils MOSFETs. Der Drain-Anschluss D des ersten Steuerelements 6a ist über die Erregerspule 3, die den Querbalken des H bildet, mit dem Source-Anschluss S des zweiten Steuerelements 6b verbunden.
-
Sind beide Steuerelemente 6a und 6b leitend, so wird von der Spannungsquelle 5 ein Strom I durch das zweite Steuerelement 6b, die Erregerspule 3 und das erste Steuerelement 6a getrieben. Wird das erste Steuerelement 6a abgeschaltet, fließt der Strom I zunächst als Kreisstrom weiter durch die erste Diode 12a und das noch leitende zweite Steuerelement 6b. Die in der Erregerspule 3 gespeicherte Energie wird also an den Widerständen der Diode 12a und des zweiten Steuerelements 6b sukzessive dissipiert. Wird umgekehrt das zweite Steuerelement 6b abgeschaltet, fließt der Strom I zunächst als Kreisstrom weiter durch die zweite Diode 12b und das noch leitende erste Steuerelement 6a, um an den entsprechenden Widerständen sukzessive dissipiert zu werden. Werden beide Steuerelemente 6a und 6b gleichzeitig abgeschaltet, wird die Energie über beide Dioden 12a und 12b in den Kondensator 8 eingespeist.
-
Die Dioden 12a und 12b müssen nicht identisch sein. Ebenso müssen die Steuerelemente 6a und 6b nicht identisch sein. Vielmehr können jeweils gezielt unterschiedliche Bauelemente verwendet werden, um beispielsweise durch die Auswahl, über welche der Dioden 12a und 12b der Strom I dissipiert wird, die Zeitkonstante dieser Dissipation zu beeinflussen.
-
2c zeigt eine Ansteuerung des in 1 gezeigten Reluktanzaktors über eine symmetrische H-Brücke als Zweipol 7. Die H-Brücke umfasst vier Steuerelemente 6a, 6b, 6c und 6d, die die Schenkel des H bilden. Der Querbalken des H wird durch die Erregerspule 3 gebildet. Jedes der Steuerelemente 6a, 6b, 6c und 6d ist als MOSFET ausgebildet, in den jeweils eine Diode 9a, 9b, 9c bzw. 9d zur Ableitung einer in der Erregerspule 3 induzierten Spannung U in den Kondensator 8 integriert ist. Die MOSFETs sind somit anderen Typs als die MOSFETs in den Ausführungsbeispielen gemäß den 2a und 2b.
-
Sind die Steuerelemente 6a und 6d gleichzeitig eingeschaltet, so fließt in der Erregerspule 3 ein Strom I von links nach rechts. Sind die Steuerelemente 6b und 6c gleichzeitig eingeschaltet, fließt der Strom I von rechts nach links durch die Erregerspule 3. Sind die Steuerelemente 6a und 6b, oder aber 6c und 6d, gleichzeitig eingeschaltet, ist die Erregerspule 3 kurzgeschlossen und wirkt als elektromagnetische Bremse. Zu vermeiden ist das gleichzeitige Einschalten der Steuerelemente 6a und 6c, bzw. 6b und 6d, weil in diesem Zustand die Spannungsquelle 5 direkt kurzgeschlossen würde.
-
Die Stromrichtung durch die Erregerspule 3 lässt sich mit der in 2c gezeigten symmetrischen H-Brücke umkehren. Die Richtung der vom Reluktanzaktor 1 ausgeübten Reluktanzkraft ist jedoch von dieser Stromrichtung unabhängig, da die Reluktanzkraft quadratisch vom Strom I durch die Erregerspule 3 abhängt.
-
In den in 2 gezeigten Schaltungen bilden der Kondensator 8 und die Erregerspule 3 jeweils gemeinsam einen LC-Schwingkreis, der in Resonanz mit mindestens einer Frequenz f einer periodischen angreifenden Lagerkraft FL ist. Da ein Fahrzeugmotor eine periodisch arbeitende Maschine ist, kommen solche periodischen Lagerkräfte FL insbesondere in Motorlagern vor.
-
3 zeigt ein aktives hydraulisches Lager 100, das um eine Achse 100a rotationssymmetrisch aufgebaut ist. In einem Gehäuse 106 ist eine Hydraulikkammer 101 zur Aufnahme von Hydraulikfluid 102 angeordnet. Diese Hydraulikkammer ist nach oben hin durch die aus einem Elastomer gebildete Aufnahmemembran 103 und nach unten hin durch die Aktormembran 104 begrenzt. Die Aufnahmemembran 103 nimmt die angreifende Lagerkraft FL auf; über die Aktormembran 104 wird die Gegenkraft FG ausgeübt. Die Aufnahmemembran 103 ist über das im Wesentlichen inkompressible Hydraulikfluid 102 mechanisch an die Aktormembran 104 angekoppelt. Die Hydraulikkammer 101 vermag über eine gedrosselte Verbindung Hydraulikfluid 102 mit einer Nebenkammer auszutauschen und so die Energie niederfrequenter Schwingungen zu dissipieren. Dies ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und daher in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.
-
Die Aktormembran 104 ist mit einer Welle 105 verbunden, die ihrerseits durch den Reluktanzaktor 1 bewegbar ist. Die Achse der Welle 105 stimmt mit der Symmetrieachse 100a des aktiven Lagers 100 überein. An der Welle 105 sind im Abstand w zueinander zwei umlaufende Wirkelemente 4a und 4b angebracht. Dem Wirkelement 4a ist eine erste Erregerspule 3a zugeordnet, die mit einem ersten Stator 2a zusammenwirkt. Dem Wirkelement 4b ist eine zweite Erregerspule 3b zugeordnet, die mit einem zweiten Stator 2b zusammenwirkt. Die Statoren 2a und 2b sind entlang der Achse 100a in einem Abstand s zueinander versetzt montiert. Die Wirkelemente 4a und 4b sind von den Statoren 2a und 2b jeweils durch einen Luftspalt mit der Breite d beabstandet.
-
Die Erregerspulen 3a und 3b werden im Wechsel bestromt. Wird die Erregerspule 3a bestromt, so wirkt auf das Wirkelement 4a eine Reluktanzkraft. Diese Reluktanzkraft bewegt die Mittelachse 4a1 des Wirkelements 4a in die Position pM1, in der sie mit der Symmetrieachse des Stators 2a übereinstimmt und die Induktivität L der mit dem Stator 2a zusammenwirkenden Erregerspule 3a maximal ist. Ausgehend von der in 2 gezeigten Situation bewegt sich hierzu die Welle 105, und damit auch die Aktormembran 104, nach unten. Ist diese Bewegung abgeschlossen, ist die Mittelachse 4b1 des Wirkelements 4b nicht mehr in Übereinstimmung mit der Symmetrieachse des Stators 2b in Übereinstimmung. Diese Symmetrieachse entspricht der Position pM2, in der sich die Mittelachse 4b1 des Wirkelements 4b befinden muss, um die Induktivität L der mit dem Stator 2b zusammenwirkenden Erregerspule 3b zu maximieren. Wird nun an Stelle der Erregerspule 3a die Erregerspule 3b bestromt, so wird auf das Wirkelement 4b eine Reluktanzkraft ausgeübt. Diese Reluktanzkraft bewegt die Mittelachse 4b1 des Wirkelements 4b zurück in die Position pM2. Damit wird der in 2 gezeigte Zustand wieder hergestellt.
-
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 102011081291 A1 [0002]
- DE 102011011328 A1 [0003]
- DE 19634342 A1 [0005]
- DE 102014204165 A1 [0005]
- DE 102014204286 A1 [0005]
