DE102017121406A1 - Phaser - Google Patents

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Jens Schäfer
Andreas Thoelke
Tim Schulte
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Abstract

Ein Nockenwellenversteller (1) umfasst einen Elektromotor (2) und ein mit diesem zusammenwirkendes Stellgetriebe (11), wobei eine Eingangswelle (4) des Stellgetriebes (11) von einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetrieben, eine Ausgangswelle (3) des Stellgetriebes (11) mit einer Nockenwelle (5) des Verbrennungsmotors drehfest verbunden und eine Verstellwelle (6) des Stellgetriebes (11) mit einem Rotor (8) des Elektromotors (2) gekoppelt ist. Der Elektromotor (2) ist als sensorloser elektronisch kommutierender Elektromotor ausgebildet. Zu dessen Ansteuerung ist eine Ansteuereinheit (12) mit zwei verschiedenen, jeweils einen geregelten Betrieb ermöglichenden Ansteuermodi vorgesehen, wobei ein erster Ansteuermodus vom Stillstand bis zu einer Drehzahlgrenze des Elektromotors (2) und ein zweiter Ansteuermodus ab der Drehzahlgrenze des Elektromotors (2) aktiviert ist.A camshaft adjuster (1) comprises an electric motor (2) and an actuating gear (11) cooperating therewith, wherein an input shaft (4) of the actuating gear (11) driven by a crankshaft of an internal combustion engine, an output shaft (3) of the adjusting gear (11) a camshaft (5) of the internal combustion engine rotatably connected and an adjusting shaft (6) of the adjusting gear (11) with a rotor (8) of the electric motor (2) is coupled. The electric motor (2) is designed as a sensorless electronically commutating electric motor. For its control, a drive unit (12) with two different, each a controlled operation enabling control modes is provided, wherein a first drive mode from standstill to a speed limit of the electric motor (2) and a second drive mode from the speed limit of the electric motor (2) is activated ,

Description

Die Erfindung betrifft einen für einen Verbrennungsmotor, nämlich Hubkolbenmotor, geeigneten Nockenwellenversteller, welcher einen Elektromotor und ein mit diesem zusammenwirkendes Stellgetriebe, insbesondere Wellgetriebe, umfasst.The invention relates to a for a combustion engine, namely reciprocating engine, suitable camshaft adjuster, which comprises an electric motor and a co-operating with this actuating gear, in particular wave gear.

Ein derartiger Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der US 2007/0101956 A1 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen elektromechanischen Nockenwellenversteller mit einem BLDC-Motor, das heißt einen elektronisch kommutierenden Motor. Hierbei werden Kommutierungssignale gleichzeitig zur Bestimmung der Drehwinkellage der Nockenwelle genutzt.Such a camshaft adjuster is for example from the US 2007/0101956 A1 known. It is an electromechanical camshaft adjuster with a BLDC motor, that is an electronically commutating motor. In this case, commutation signals are used simultaneously for determining the rotational angle position of the camshaft.

Weitere elektromechanische Nockenwellenversteller sind beispielsweise in den Dokumenten DE 10 2013 220 220 A1 und DE 10 2014 202 060 A1 offenbart.Further electromechanical camshaft adjusters are for example in the documents DE 10 2013 220 220 A1 and DE 10 2014 202 060 A1 disclosed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelten elektrischen Nockenwellenversteller mit besonders kompaktem, robustem und fertigungsfreundlichem Aufbau anzugeben.The invention has for its object to provide a comparison with the cited prior art further developed electric camshaft adjuster with a particularly compact, robust and production-friendly design.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Nockenwellenversteller, und umgekehrt.This object is achieved by a camshaft adjuster with the features of claim 1 and by a method for operating an electric camshaft adjuster according to claim 7. In the following in connection with the operating method explained advantages and embodiments of the invention apply mutatis mutandis to the device, that is the Camshaft adjuster, and vice versa.

Der Nockenwellenversteller umfasst in an sich bekanntem Grundaufbau einen Elektromotor und ein von diesem betätigtes Stellgetriebe. Das Stellgetriebe weist eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle und eine Verstellwelle auf. Hierbei wird die Eingangswelle von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, beispielsweise über einen Ketten- oder Riementrieb oder über ein Zahnradgetriebe, angetrieben. Die Ausgangswelle des Stellgetriebes ist mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors drehfest verbunden oder identisch. Die Verstellwelle des Stellgetriebes ist mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt, wobei optional ein weiteres Getriebe zwischen den Elektromotor und die Verstellwelle des Stellgetriebes geschaltet ist. In jedem Fall handelt es sich bei dem Elektromotor um einen sensorlosen elektronisch kommutierenden Elektromotor, wobei der Begriff „sensorlos” auf eine Winkelsensorik bezogen ist. Dies heißt, dass weder eine absolute noch eine inkrementelle Winkelsensorik des elektromotors vorgesehen ist. Die Ansteuerung des Elektromotors erfolgt in jedem Betriebszustand des Nockenwellenverstellers in einem von zwei Ansteuermodi, welche jeweils einen geregelten Betrieb des Elektromotors ermöglichen. Hierbei ist ein erster Ansteuermodus vom Stillstand des Elektromotors bis zu einer nicht notwendigerweise festen Drehzahlgrenze wirksam, wogegen ein zweiter Ansteuermodus bei Drehzahlen ab der Drehzahlgrenze aktiviert ist.The camshaft adjuster comprises a known per se basic construction, an electric motor and actuated by this actuating gear. The actuating mechanism has an input shaft, an output shaft and an adjusting shaft. Here, the input shaft is driven by the crankshaft of an internal combustion engine, for example via a chain or belt drive or via a gear transmission. The output shaft of the adjusting gear is rotatably connected or identical to the camshaft of the internal combustion engine. The adjusting shaft of the adjusting gear is coupled to the rotor of the electric motor, wherein optionally another gear is connected between the electric motor and the adjusting shaft of the adjusting gear. In any case, the electric motor is a sensorless electronically commutating electric motor, the term "sensorless" being based on an angle sensor. This means that neither an absolute nor an incremental angle sensor of the electric motor is provided. The control of the electric motor takes place in each operating state of the camshaft adjuster in one of two Ansteuermodi, each of which allow a controlled operation of the electric motor. Here, a first drive mode is effective from standstill of the electric motor to a not necessarily fixed speed limit, whereas a second drive mode is activated at speeds from the speed limit.

Bei dem ersten, im unteren Drehzahlbereich wirksamen Ansteuermodus handelt es sich vorzugsweise um einen impulsbasierten Modus. Hierbei werden Testimpulse in Form von Spannungsimpulsen, deren Dauer extrem kurz sein kann, beispielsweise nur einige Mikrosekunden beträgt, in Statorwicklungen des Elektromotors eingespeist. Durch Messung des generierten Phasenstroms wird die Winkelstellung des Rotors des Elektromotors ermittelt. Im höheren Drehzahlenbereich, das heißt im zweiten Ansteuermodus, wird dagegen eine in Statorwicklungen des Elektromotors induzierte elektromotorische Kraft ausgewertet, um den Elektromotor anzusteuern. Dieses Verfahren wird auch als BEMF-Verfahren (back electro-magnetic force) bezeichnet. Zum technischen Hintergrund wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2012 211 356 A1 sowie DE 10 2011 017 517 A1 verwiesen.The first, in the lower speed range effective drive mode is preferably a pulse-based mode. Here are test pulses in the form of voltage pulses whose duration can be extremely short, for example, only a few microseconds, fed into stator windings of the electric motor. By measuring the generated phase current, the angular position of the rotor of the electric motor is determined. In the higher rotational speed range, that is, in the second drive mode, however, an electromotive force induced in stator windings of the electric motor is evaluated in order to drive the electric motor. This method is also referred to as BEMF (back electro-magnetic force). The technical background is an example of the documents DE 10 2012 211 356 A1 such as DE 10 2011 017 517 A1 directed.

Zur Durchführung der verschiedenen Ansteuermodi sowie zur Umschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Ansteuermodus weist der Nockenwellenversteller eine Ansteuereinheit auf, bei welcher es sich nicht notwendigerweise um eine einzige bauliche Einheit handelt. Die Ansteuereinheit kann in den Elektromotor integriert oder räumlich vom Elektromotor getrennt sein.For carrying out the various activation modes and for switching over between the first and the second activation mode, the camshaft adjuster has a drive unit, which is not necessarily a single structural unit. The drive unit can be integrated into the electric motor or spatially separated from the electric motor.

Die Ansteuerung eines Elektromotors mit einem impulsbasierten Verfahren im unteren Drehzahlbereich sowie bei Stillstand des Elektromotors und mit einem Verfahren, welches eine induzierte elektromagnetische Kraft nutzt, im oberen Drehzahlbereich ist beispielsweise in folgender Publikation beschrieben:
M. Schrödl, E. Robeischl: Sensorlose Drehzahl- und Lageregelung von Permanentmagnet-Synchronmaschinen auf Basis des INFORM-Verfahrens; e&i Elektrotechnik und Informationstechnik, Februar 2000, Volume 117, Issue 2, pp 103–112
(online veröffentlicht bei Springer Link)The control of an electric motor with a pulse-based method in the lower speed range and at standstill of the electric motor and with a method which uses an induced electromagnetic force in the upper speed range is described for example in the following publication:
M. Schrödl, E. Robeischl: Sensorless speed and position control of permanent magnet synchronous machines based on the INFORM process; e & i Electrical Engineering and Information Technology, February 2000, Volume 117, Issue 2, pp 103-112
(published online at Springer Link)

Die Abkürzung INFORM steht hierbei für INdirekte Flussermittlung durch Online-Reaktanz-Messung.The abbreviation INFORM stands for INdirect flow determination by online reactance measurement.

Bei dem Elektromotor des Nockenwellenverstellers kann es sich beispielsweise um einen Permanentmagneterregten Motor oder um einen Synchron-Reluktanzmotor handeln. Als Stellgetriebe innerhalb des Nockenwellenverstellers kommt beispielsweise ein Wellgetriebe, das heißt ein Getriebe mit einem flexiblen Verzahnungsbauteil, oder ein Dreiwellengetriebe sonstiger Bauart, zum Beispiel ein Planetengetriebe, ein Innenexzentergetriebe oder ein Taumelscheibengetriebe, zum Einsatz.The electric motor of the camshaft adjuster may be, for example, a permanent magnet excited motor or a synchronous reluctance motor. As a control gear within the camshaft adjuster comes, for example, a corrugated transmission, that is, a transmission with a flexible Verzahnungsbauteil, or a three-shaft transmission of any other type, for example, a planetary gear, a Innenexzentergetriebe or a swash plate gear, used.

Mit dem Nockenwellenversteller ist folgendes Verfahren durchführbar:

  • – Bei Stillstand des Elektromotors wird im ersten Ansteuermodus die Winkelstellung des Rotors des Elektromotors durch Beaufschlagung von Statorwicklungen des Elektromotors mit Testsignalen, nämlich Spannungimpulsen, und Auswertung der Antwortsignale, nämlich Stromsignale, bestimmt,
  • – der erste Ansteuermodus wird bis zu einer Drehzahlgrenze des Elektromotors, welche optional veränderlich ist, beibehalten,
  • – mit Überschreitung der Drehzahlgrenze wird die Ansteuerung des Elektromotors auf den zweiten Ansteuermodus, nämlich BEMF-Modus, umgestellt.
The following procedure can be carried out with the camshaft adjuster:
  • At standstill of the electric motor, the angular position of the rotor of the electric motor is determined in the first control mode by applying stator windings of the electric motor with test signals, namely voltage pulses, and evaluation of the response signals, namely current signals.
  • The first drive mode is maintained up to a speed limit of the electric motor, which is optionally variable,
  • - When the speed limit is exceeded, the control of the electric motor to the second drive mode, namely BEMF mode, switched.

Der Elektromotor ist vorzugsweise als Innenläufermotor ausgebildet. Prinzipiell kann es sich bei dem Elektromotor auch um einen Motor in Außenläuferbauart handeln.The electric motor is preferably designed as an internal rotor motor. In principle, the electric motor can also be an external-rotor motor.

Gemäß einer Weiterentwicklung des Verfahrens erfolgt die Umschaltung zwischen den beiden Ansteuermodi in Abhängigkeit sowohl von der Drehzahl des Elektromotors als auch von der Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors. Ebenso können Drehzahländerungen des Verbrennungsmotors, insbesondere die Geschwindigkeit von Drehzahländerungen, Einfluss auf die Umschaltung zwischen den verschiedenen Ansteuermodi des Elektromotors haben. So kann beispielsweise bei einem schnellen Hochlaufen des Verbrennungsmotors eine besonders frühe Umschaltung zwischen dem ersten Ansteuermodus und dem zweiten Ansteuermodus vorgesehen sein.According to a further development of the method, the switching between the two activation modes takes place as a function of both the rotational speed of the electric motor and the crankshaft rotational speed of the internal combustion engine. Likewise, speed changes of the internal combustion engine, in particular the speed of speed changes, can influence the switching between the different drive modes of the electric motor. Thus, for example, in the case of a fast start-up of the internal combustion engine, a particularly early changeover between the first activation mode and the second activation mode can be provided.

Bei jedem Ansteuermodus erfolgt die Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit von der Winkelstellung dessen Rotors. Somit ist auch bei dem im unteren Drehzahlbereich und bei Stillstand des Elektromotors gegebenen, impulsbasierten Ansteuermodus des Elektromotors kein „blinder” Betrieb des Elektromotors und damit keine Vergleichbarkeit mit dem Betriebsmodus eines Schrittmotors gegeben.In each control mode, the control of the electric motor takes place in dependence on the angular position of the rotor. Thus, even in the given in the lower speed range and at standstill of the electric motor, pulse-based drive mode of the electric motor no "blind" operation of the electric motor and thus no comparability with the operating mode of a stepping motor is given.

Ein elektromechanischer Nockenwellenversteller hat gegenüber einem hydraulischen Nockenwellenversteller generell den Vorteil, dass eine Verstellung der Nockenwelle bereits bei Stillstand des Verbrennungsmotors möglich ist. Im vorliegenden Fall kann auch die Umschaltung zwischen dem ersten Ansteuermodus und dem zweiten Ansteuermodus des Elektromotors schon bei Stillstand der Kurbelwelle erfolgen. Vorzugsweise wird bei einer Drehzahl des Elektromotors, welche mindestens 3% und höchstens 20% der Nenndrehzahl des Elektromotors beträgt, vom ersten Ansteuermodus in den zweiten Ansteuermodus gewechselt.An electromechanical camshaft adjuster generally has the advantage over a hydraulic camshaft adjuster that an adjustment of the camshaft is possible even when the internal combustion engine is at a standstill. In the present case, the switching between the first drive mode and the second drive mode of the electric motor can already be done at standstill of the crankshaft. Preferably, at a speed of the electric motor, which is at least 3% and at most 20% of the rated speed of the electric motor, is changed from the first drive mode in the second drive mode.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Herein show:

1 einen elektromechanischen Nockenwellenversteller in grob schematisierter Darstellung, 1 an electromechanical camshaft adjuster in a rough schematic representation,

2 in einem Diagramm verschiedene Betriebsmodi des Nockenwellenverstellers nach 1, 2 in a diagram different operating modes of the camshaft adjuster after 1 .

3 in einem weiteren Diagramm einen Anlassvorgang eines Verbrennungsmotors mit dem Nockenwellenversteller nach 1. 3 in a further diagram, a starting operation of an internal combustion engine with the camshaft adjuster after 1 ,

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter elektrischer Nockenwellenversteller umfasst einen Elektromotor 2, nämlich sensorlosen BLDC-Motor, und dient der Phasenverstellung einer nur ansatzweise gezeigten Nockenwelle 5 eines Verbrennungsmotors, nämlich Hubkolbenmotors, in Relation zur nicht dargestellten Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktionsweise des Nockenwellenverstellers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.A total with the reference numeral 1 characterized electric camshaft adjuster comprises an electric motor 2 , Sensorless BLDC motor, and serves the phase adjustment of a camshaft shown only partially 5 an internal combustion engine, namely reciprocating engine, in relation to the crankshaft of the internal combustion engine, not shown. With regard to the basic mode of operation of the camshaft adjuster 1 Reference is made to the cited prior art.

Bei einem mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichneten Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers 1 handelt es sich um ein Wellgetriebe. Eine gehäusefeste Eingangswelle 4 des Stellgetriebes 11 ist mit einem Antriebsrad 7 verbunden, welches mittels eines Ketten- oder Riementriebs von der Kurbelwelle angetrieben wird. Die mit 3 bezeichnete Ausgangswelle des Stellgetriebes 11 ist mit der Nockenwelle 5 identisch oder drehfest verbunden.In one with the reference numeral 11 characterized actuating mechanism of the camshaft adjuster 1 it is a wave gear. A housing-fixed input shaft 4 of the adjusting gear 11 is with a drive wheel 7 connected, which is driven by means of a chain or belt drive from the crankshaft. With 3 Designated output shaft of the actuating gear 11 is with the camshaft 5 identical or rotatably connected.

Eine Verstellwelle 6 des Stellgetriebes 11 ist mit einem Rotor 8 des Elektromotors 2 entweder – wie in 1 skizziert – direkt oder über eine zwischengeschaltete Ausgleichskupplung, nämlich Oldham-Kupplung, gekoppelt. Mit 9 sind Statorwicklungen, mit 10 das Gehäuse des Elektromotors 2 bezeichnet. Insgesamt handelt es sich bei dem Elektromotor 2 um einen permanentmagneterregten Motor. Dessen Ansteuerung erfolgt mit Hilfe einer Ansteuereinheit 12.An adjusting shaft 6 of the adjusting gear 11 is with a rotor 8th of the electric motor 2 either - as in 1 sketched - directly or via an intermediate balancing clutch, namely Oldham coupling, coupled. With 9 are stator windings, with 10 the housing of the electric motor 2 designated. Overall, it is the electric motor 2 around a permanent magnet excited motor. Its control takes place with the aid of a drive unit 12 ,

Die Ansteuereinheit 12 ist dazu ausgebildet, den Elektromotor 2 in zwei verschiedenen Ansteuermodi zu betreiben, wie im Folgenden anhand 2 näher erläutert wird.The drive unit 12 is designed to be the electric motor 2 operate in two different drive modes, as shown below 2 is explained in more detail.

In 2 sind verschiedene Ansteuermodi des Elektromotors 2 in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehzahl (nK) des Verbrennungsmotors sowie von der Nockenwellendrehzahl (nN) und der Drehzahl des Elektromotors 2 veranschaulicht. Erfolgt keine Phasenverstellung der Nockenwelle 5 in Relation zur Kurbelwelle, so ist ein proportionaler Zusammenhang zwischen Nockenwellendrehzahl und Kurbelwellendrehzahl gegeben. Im Diagramm nach 2 ist dieser Zusammenhang durch die Proportionalitätslinie PL visualisiert. Hierbei stimmt die Drehzahl nN der Nockenwelle 5 mit der Drehzahl des Rotors 8 überein. Sobald die Drehzahl der Verstellwelle 6, das heißt Rotordrehzahl des Elektromotors 2, von der Drehzahl der Eingangswelle 4 abweicht, wird die Phase der Nockenwelle 5 relativ zur Kurbelwelle verstellt.In 2 are different driving modes of the electric motor 2 as a function of the crankshaft speed (n K ) of the internal combustion engine and of the camshaft speed (n N ) and the Speed of the electric motor 2 illustrated. There is no phase adjustment of the camshaft 5 In relation to the crankshaft, so a proportional relationship between the camshaft speed and crankshaft speed is given. In the diagram 2 this relationship is visualized by the proportionality line PL. In this case, the speed n N of the camshaft is correct 5 with the speed of the rotor 8th match. As soon as the speed of the adjusting shaft 6 that is, rotor speed of the electric motor 2 , from the speed of the input shaft 4 deviates, the phase of the camshaft 5 adjusted relative to the crankshaft.

Unabhängig davon, ob die Nockenwelle 5 mit konstanter Phasenrelation zur Kurbelwelle rotiert oder verstellt wird, wird der Elektromotor 2 im größten Teil des möglichen Drehzahlbandes des Verbrennungsmotors im BEMF-Verfahren betrieben. Dies entspricht dem zweiten Ansteuermodus, in 2 mit M2 bezeichnet.Regardless of whether the camshaft 5 is rotated or adjusted with constant phase relation to the crankshaft, the electric motor 2 operated in the largest part of the possible speed range of the internal combustion engine in the BEMF process. This corresponds to the second drive mode, in 2 denoted by M2.

Bereits bei Stillstand des Verbrennungsmotors, sowie bei niedrigen Kurbelwellendrehzahlen, insbesondere während des Anlassvorgangs des Verbrennungsmotors, ist die Nockenwelle 5 mittels des Nockenwellenverstellers 1 verstellbar. Der Elektromotor 2 wird hierbei in einem ersten, impulsbasierten Ansteuermodus betrieben. In diesem ersten, in 2 mit M1 bezeichneten Ansteuermodus werden Statorwicklungen 9 mit Hilfe der Ansteuereinheit 12 mit sehr kurzen, im Extremfall nur wenige Mikrosekunden dauernden Spannungsimpulsen beaufschlagt. Da die Impedanzen von der Winkelstellung des Rotors 8 abhängig sind, kann durch eine ebenfalls mittels der Ansteuereinheit 12 erfolgenden Rückmessung des Phasenstroms auf die Winkelstellung des Rotors 8 geschlossen werden. Auf diese Weise wird der Elektromotor 2 bereits ab Stillstand des Rotors 8 geregelt betrieben. Wie weiter aus 2 hervorgeht, kann bereits während des Stillstandes der Kurbelwelle ein Übergang zwischen dem ersten, impulsbasierten Betriebsmodus des Elektromotors 2 und dem zweiten Ansteuermodus, das heißt BEMF-Verfahren, erfolgen. Ebenso ist eine Umschaltung zwischen den beiden Ansteuermodi möglich, nachdem die Rotation der Kurbelwelle begonnen hat. Bei Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors und höheren Drehzahlen kommt ausschließlich das BEMF-Verfahren zum Einsatz.Already at standstill of the internal combustion engine, and at low crankshaft speeds, especially during the starting process of the internal combustion engine, the camshaft 5 by means of the camshaft adjuster 1 adjustable. The electric motor 2 is operated here in a first, pulse-based drive mode. In this first, in 2 Drive mode designated M1 becomes stator windings 9 with the help of the control unit 12 subjected to very short, in extreme cases only a few microseconds lasting voltage pulses. Since the impedances of the angular position of the rotor 8th are dependent, by a likewise by means of the drive unit 12 taking back measurement of the phase current to the angular position of the rotor 8th getting closed. In this way, the electric motor 2 already at standstill of the rotor 8th operated regulated. How farther 2 As can be seen, a transition between the first, pulse-based operating mode of the electric motor can already during the standstill of the crankshaft 2 and the second driving mode, that is, BEMF method. Likewise, a changeover between the two drive modes is possible after the rotation of the crankshaft has started. At idling speed of the internal combustion engine and higher speeds only the BEMF process is used.

Durch den Entfall jeglicher Sensorik, etwa in Form von Hall-Sensoren, Resolvern oder Encodern, ist ein besonders kompakter und robuster Aufbau des Elektromotors 2 sowie des gesamten Nockenwellenverstellers 1 gegeben. Ebenso entfällt die Notwendigkeit, auf die Temperaturempfindlichkeit etwaiger Winkelsensorik zu achten. Die dennoch in jedem Betriebszustand verfügbare Information über die Winkellage des Rotors 8 ist nicht nur zur Ansteuerung des Elektromotors 2 nutzbar, sondern liefert auch eine Information betreffend die Phase der Nockenwelle 5.Due to the omission of any sensors, such as in the form of Hall sensors, resolvers or encoders, is a particularly compact and robust design of the electric motor 2 as well as the entire camshaft adjuster 1 given. Likewise, eliminating the need to pay attention to the temperature sensitivity of any angle sensor. The information about the angular position of the rotor, which is nevertheless available in every operating state 8th is not only for controlling the electric motor 2 usable, but also provides information regarding the phase of the camshaft 5 ,

Zustände des Verbrennungsmotors einschließlich des Nockenwellenverstellers 1 während des Anlassens des Verbrennungsmotors sind in 3 veranschaulicht. Vor dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl wird der Elektromotor 2 zunächst im ersten Ansteuermodus M1 betrieben. Mit steigender Drehzahl wird auf den zweiten Ansteuermodus M2 umgestellt.States of the internal combustion engine including the camshaft adjuster 1 during cranking of the internal combustion engine are in 3 illustrated. Before reaching the idle speed, the electric motor 2 initially operated in the first drive mode M1. As the speed increases, it switches to the second control mode M2.

Bei gleichbleibender Drehzahl wird im weiteren Betrieb des Verbrennungsmotors eine Verstellung des mit α bezeichneten Stellwinkels der Nockenwelle 5 betrachtet: Der Übergang zu einem größeren Stellwinkel α wird durch eine kurzzeitige, in 3 als Peak erkennbare Beschleunigung des Rotors 8 des Elektromotors 2 bewerkstelligt. Die Drehzahl des Elektromotors 2, das heißt des Rotors 8, ist in 3 mit nE bezeichnet. Um den Stellwinkel α wieder auf den ursprünglichen Wert zurück zu stellen, ist kurzzeitig eine langsamere Rotation des Rotors 8 erforderlich. Während dieser Herabsetzung der Drehzahl nE des Elektromotors 2 wird dessen Ansteuerung vorübergehend auf den ersten Ansteuermodus M1 zurückgesetzt. Mit Beendigung des die Nockenwelle 6 betreffenden Verstellvorgangs, welcher im Beispiel nach 3 unter Beibehaltung der Motordrehzahl nK des Verbrennungsmotors durchgeführt wird, erfolgt eine erneute Umstellung auf den zweiten Ansteuermodus M2 des Elektromotors 2. Im Fall sehr niedriger Leerlaufdrehzahlen ist in nicht dargestellter Weise auch eine Beibehaltung des ersten Ansteuermodus M1 während des Leerlaufs möglich.At constant speed is an adjustment of the angle of the camshaft designated α in the further operation of the internal combustion engine 5 considered: The transition to a larger angle α is characterized by a short, in 3 as peak recognizable acceleration of the rotor 8th of the electric motor 2 accomplished. The speed of the electric motor 2 that is the rotor 8th , is in 3 denoted by n E. In order to restore the setting angle α back to the original value, a slower rotation of the rotor is for a short time 8th required. During this reduction of the speed n E of the electric motor 2 its drive is temporarily reset to the first drive mode M1. With completion of the camshaft 6 relevant adjustment process, which in the example according to 3 is carried out while maintaining the engine speed n K of the internal combustion engine, there is a renewed changeover to the second drive mode M2 of the electric motor 2 , In the case of very low idle speeds, maintaining the first drive mode M1 during idling is also possible in a manner not shown.

In Zeiträumen, in denen eine Umstellung zwischen den Ansteuermodi M1, M2, welche auch als Standardphasen bezeichnet werden, erfolgt, kann eine aus den vereinfachten 2 und 3 nicht hervorgehende Zwischenphase vorgesehen sein, in der vorübergehend keiner der Ansteuermodi M1, M2 zum Einsatz kommt. In einer solchen Zwischenphase werden beispielsweise Kommutierungsschritte entsprechend einem Schrittmotor durchgeführt. Aufgrund der kurzen Dauer der Zwischenphase und der gegebenen Trägheitsmomente ist der Elektromotor 2 während der Zwischenphase „blind” betreibbar, wobei zugleich dessen Betriebszustand einschließlich der Winkellage des Rotors 8 mit guter Genauigkeit als bekannt angenommen werden kann.In periods in which a change between the Ansteuermodi M1, M2, which are also referred to as standard phases, takes place, one of the simplified 2 and 3 not occurring intermediate phase may be provided in the temporarily none of the Ansteuermodi M1, M2 is used. In such an intermediate phase, for example, commutation steps are carried out in accordance with a stepping motor. Due to the short duration of the intermediate phase and given moment of inertia is the electric motor 2 during the intermediate phase "blind" operable, wherein at the same time its operating state including the angular position of the rotor 8th can be assumed to be known with good accuracy.

Unabhängig davon, ob beim Übergang zwischen den Ansteuermodi M1, M2 eine Zwischenphase existiert, ist bei hintereinander erfolgenden Umschaltvorgängen in verschiedene Richtungen vorzugsweise eine Hysterese gegeben. Auf diese Weise werden unnötig häufige Umschaltvorgänge vermieden. Insofern sind die in 2 mit M1 und M2 markierten Flächen nicht unveränderlich. Vielmehr ist beispielsweise die mit M1 gekennzeichnete Fläche bei einem Betrieb des Elektromotors 2, in welchem mit dem ersten Ansteuermodus M1 gestartet und im weiteren Verlauf auf den zweiten Ansteuermodus M2 gewechselt wird, größer als in Fällen, in denen der Elektromotor 2 bereits im zweiten Ansteuermodus M2 läuft und – im Zuge der Absenkung der Motordrehzahl und/oder einer Verstellung der Nockenwelle 5 – auf den ersten Ansteuermodus M1 zurück gestellt wird. Insbesondere im letztgenannten Fall, das heißt bei einem Wechsel vom zweiten Ansteuermodus M2 auf den ersten Ansteuermodus M1, ist während eines Verstellvorgangs die Drehrichtung des Rotors 8 umkehrbar. Die umgekehrte Drehrichtung bedeutet im Fall eines positiven Stellgetriebes 11, dass die Drehrichtung des Rotors 8 der Drehrichtung der Nockenwelle 5 entgegengesetzt ist.Regardless of whether an intermediate phase exists at the transition between the drive modes M1, M2, a hysteresis is preferably given in successive switching operations in different directions. This avoids unnecessarily frequent switching operations. In this respect, the in 2 areas marked M1 and M2 are not fixed. Rather, it is For example, the area marked M1 during operation of the electric motor 2 in which is started with the first drive mode M1 and subsequently changed to the second drive mode M2, greater than in cases in which the electric motor 2 already running in the second control mode M2 and - in the course of lowering the engine speed and / or an adjustment of the camshaft 5 - is reset to the first drive mode M1. In particular, in the latter case, that is, in a change from the second drive mode M2 to the first drive mode M1, during a displacement operation, the direction of rotation of the rotor 8th reversible. The reverse direction of rotation means in the case of a positive adjusting gear 11 in that the direction of rotation of the rotor 8th the direction of rotation of the camshaft 5 is opposite.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
NockenwellenverstellerPhaser
22
Elektromotorelectric motor
33
Ausgangswelleoutput shaft
44
Eingangswelleinput shaft
55
Nockenwellecamshaft
66
Verstellwelleadjusting
77
Antriebsraddrive wheel
88th
Rotorrotor
99
Statorwicklungstator
1010
Gehäusecasing
1111
Stellgetriebeactuating mechanism
1212
Ansteuereinheitcontrol unit
αα
Stellwinkel der NockenwelleAdjusting angle of the camshaft
M1M1
erster Ansteuermodusfirst drive mode
M2M2
zweiter Ansteuermodussecond drive mode
NE N E
Drehlzahl des ElektromotorsNumber of revolutions of the electric motor
nK n K
KurbelwellendrehlzahlKurbelwellendrehlzahl
nN n N
NockenwellendrehzahlCamshaft speed
PLPL
ProportionalitätslinieProportionalitätslinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102013220220 A1 [0003] DE 102013220220 A1 [0003]
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Claims (10)

Nockenwellenversteller (1), mit einem Elektromotor (2) und einem mit diesem zusammenwirkenden Stellgetriebe (11), wobei eine Eingangswelle (4) des Stellgetriebes (11) von einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetrieben, eine Ausgangswelle (3) des Stellgetriebes (11) mit einer Nockenwelle (5) des Verbrennungsmotors drehfest verbunden und eine Verstellwelle (6) des Stellgetriebes (11) mit einem Rotor (8) des Elektromotors (2) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) als sensorloser elektronisch kommutierender Elektromotor ausgebildet und zu dessen Ansteuerung eine Ansteuereinheit (12) mit zwei verschiedenen, jeweils einen geregelten Betrieb ermöglichenden Ansteuermodi vorgesehen ist, wobei ein erster Ansteuermodus vom Stillstand bis zu einer Drehzahlgrenze des Elektromotors (2) und ein zweiter Ansteuermodus ab der Drehzahlgrenze des Elektromotors (2) aktiviert ist.Camshaft adjuster ( 1 ), with an electric motor ( 2 ) and a co-operating with this actuating gear ( 11 ), wherein an input shaft ( 4 ) of the adjusting gear ( 11 ) driven by a crankshaft of an internal combustion engine, an output shaft ( 3 ) of the adjusting gear ( 11 ) with a camshaft ( 5 ) of the internal combustion engine rotatably connected and an adjusting shaft ( 6 ) of the adjusting gear ( 11 ) with a rotor ( 8th ) of the electric motor ( 2 ), characterized in that the electric motor ( 2 ) is designed as a sensorless electronically commutating electric motor and for its control a drive unit ( 12 ) is provided with two different, each a controlled operation enabling control modes, wherein a first drive mode from standstill to a speed limit of the electric motor ( 2 ) and a second drive mode from the speed limit of the electric motor ( 2 ) is activated. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Ansteuermodus ein impulsbasierter, durch Spannungsimpulse in Statorwicklungen (9) des Elektromotors (2) erzeugte Stromsignale auswertender Modus vorgesehen ist.Camshaft adjuster ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the first drive mode is a pulse-based, by voltage pulses in stator windings ( 9 ) of the electric motor ( 2 ) Generated current signals evaluating mode is provided. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Ansteuermodus ein eine in Statorwicklungen (9) des Elektromotors (2) induzierte elektromotorische Kraft auswertender Modus (BEMF-Modus) vorgesehen ist.Camshaft adjuster ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that as second drive mode, a in one stator windings ( 9 ) of the electric motor ( 2 ) induced electromotive force evaluating mode (BEMF mode) is provided. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (2) ein permanentmagneterregter Motor vorgesehen ist.Camshaft adjuster ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that as an electric motor ( 2 ) A permanent magnet excited motor is provided. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (2) ein Synchron-Reluktanzmotor vorgesehen ist.Camshaft adjuster ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that as an electric motor ( 2 ) A synchronous reluctance motor is provided. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgetriebe (11) als Wellgetriebe ausgebildet ist.Camshaft adjuster ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the actuating gear ( 11 ) is designed as a wave gear. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Nockenwellenverstellers (1), welcher zur Variation des Phasenverhältnisses zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle (5) eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist und einen sensorlosen, elektronisch kommutierenden Elektromotor (2) sowie ein Stellgetriebe (11) umfasst, mit folgenden Merkmalen: – Bei Stillstand des Elektromotors (2) wird in einem ersten Ansteuermodus die Winkelstellung dessen Rotors (8) durch Beaufschlagung von Statorwicklungen (9) mit Testsignalen und Auswertung der Antwortsignale bestimmt, – der erste Ansteuermodus wird bis zu einer Drehzahlgrenze des Elektromotors (2) beibehalten, – mit Überschreitung der Drehzahlgrenze wird die Ansteuerung des Elektromotors (2) auf einen zweiten Ansteuermodus, nämlich BEMF-Modus, umgestellt.Method for operating an electric camshaft adjuster ( 1 ), which for varying the phase relationship between crankshaft and camshaft ( 5 ) of an internal combustion engine and a sensorless, electronically commutating electric motor ( 2 ) and a control gear ( 11 ), with the following features: - at standstill of the electric motor ( 2 ) is in a first drive mode, the angular position of its rotor ( 8th ) by applying stator windings ( 9 ) determined with test signals and evaluation of the response signals, - the first drive mode is up to a speed limit of the electric motor ( 2 ), - when the speed limit is exceeded, the control of the electric motor ( 2 ) to a second drive mode, BEMF mode. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung vom ersten Ansteuermodus in den zweiten Ansteuermodus in Abhängigkeit sowohl von der Drehzahl des Elektromotors (2) als auch der Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors erfolgt.Method according to Claim 7, characterized in that the changeover from the first activation mode to the second activation mode depends on both the rotational speed of the electric motor ( 2 ) as well as the crankshaft speed of the internal combustion engine takes place. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen dem ersten Ansteuermodus und dem zweiten Ansteuermodus bei Stillstand der Kurbelwelle erfolgt.A method according to claim 7 or 8, characterized in that the switching between the first drive mode and the second drive mode is carried out at standstill of the crankshaft. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung vom ersten Ansteuermodus in den zweiten Ansteuermodus bei mindestens 3% und höchstens 20% der Nenndrehzahl des Elektromotors (2) erfolgt.Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the switching from the first drive mode in the second drive mode at least 3% and at most 20% of the rated speed of the electric motor ( 2 ) he follows.
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