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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Veränderung von aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs.
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Zur Reduzierung der CO2-Emissionen von Fahrzeugen ist es bekannt, die Effizienz des Fahrzeugantriebs zu erhöhen und den Luftwiderstand durch Anpassen von aerodynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs durch schwenkbar gelagerte und durch einen Aktuator angetriebene Luftklappen in bestimmten Betriebszuständen des Fahrzeugs zu reduzieren, indem die geschlossenen Luftklappen eine im Wesentlichen ebene Anströmfläche ausbilden, verglichen mit anderen Betriebszuständen, in den die Luftklappen geöffnet sind, um zum Beispiel eine Luftströmung zu einem Wärmetauscher zu ermöglichen.
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Der steuerbare Aktuator muss jedoch zur Leistungsversorgung und gegebenenfalls zur Datenkommunikation an eine Verkabelung des Fahrzeugs angeschlossen werden. Ebenso wird ein zusätzlicher Sensor benötigt, um eine Referenz für eine Ansteuerung bereitzustellen. Beide diese Aspekte erhöhen sowohl die Kosten für die Vorrichtung als auch die zum Einbau der Vorrichtung benötigte Zeit.
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Die Aktuatoren umfassen bei bisherigen Lösungen meistens ein reibungsbehaftetes Reduktionsgetriebe, welches über ein reibungsbehaftetes Gestänge mit den Luftklappen der Vorrichtung verbunden ist, sodass der Motor des Aktuators dimensioniert wird, um die vorliegenden zusätzlichen Reibungsverluste zu bewältigen. In einem Kühlergrill werden meistens zwei separate Felder von Luftklappen vorgesehen, welche von einem gemeinsamen Aktuator unter Verwendung von Kniehebeln angetrieben werden. Während die Felder von Luftklappen im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind, ist eine spiegelsymmetrische Anordnung der Kniehebel häufig nicht möglich. Dies führt entweder zu an allen potentiellen Kraftangriffspunkten versteiften, und somit verteuerten, Luftklappen oder zu einer Deformation der Luftklappen.
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Eine als ein Kühlergrill mit schwenkbaren Luftklappen ausgebildete Vorrichtung zur Veränderung von aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der Position der Luftklappen ist in der
DE 10 2014 207 566 A1 gezeigt. Derartige Vorrichtungen zur Veränderung von aerodynamischen Eigenschaften von Fahrzeugen unterliegen einer Vielzahl von gesetzlichen Bestimmungen zu deren Einhaltung häufig eine direkte Messung der Winkellage der einzelnen Luftklappen erforderlich ist. Die Verkabelung der hierzu verwendeten Sensoren erhöht die Kosten, die Komplexität und das Gewicht derartiger Vorrichtungen. Ferner wird die Verkabelung von an beweglichen Luftklappen angebrachten Sensoren einer wiederkehrenden Deformierung unterworfen, welche zu Kabelbrüchen führen kann. Eine Winkellage einer Luftklappe ist insbesondere eine Winkelposition einer auf der Luftklappe definierten ersten Referenzrichtung bezogen auf eine auf dem Vorrichtungsrahmen definierten zweiten Referenzrichtung, wobei vorzugsweise die erste Referenzrichtung und die zweite Referenzrichtung senkrecht zur einer Drehachse der Luftklappe verlaufen und sich in ihr schneiden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders einfache Vorrichtung zur Veränderung von aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Insbesondere wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine aktive Vorrichtung zur Veränderung von aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs, umfassend: einen Vorrichtungsrahmen; eine am Vorrichtungsrahmen schwenkbar gelagerte Luftklappe; und einen Elektromotor zum Bewirken einer Schwenkbewegung der Luftklappe, welche eine Drehbewegung sein kann; wobei der Elektromotor als Direktantrieb für die Luftklappe ausgebildet ist. Insbesondere bildet der als Direktantrieb ausgebildete Elektromotor einen Aktuator der Luftklappen aus. Durch das Ausbilden des Elektromotors als Direktantrieb wird auf reibungsbehaftete Getriebe und Gestänge verzichtet, was die Vorrichtung aufgrund der geringeren Anzahl der Bauteile vereinfacht und somit auch weniger fehleranfällig und kostengünstiger gestaltet. Ferner muss bei der Ansteuerung des Elektromotors kein Spiel des Getriebes oder Gestänges berücksichtigt werden, der Hysteresewinkel beim Antrieb der Luftklappe ist entsprechend reduziert. Ferner treten keine Reibungsverluste an einem Getriebe oder Gestänge auf, sodass der Elektromotor mit geringerem Drehmoment ausgelegt werden kann. Der Verzicht auf ein Getriebe und ein Gestänge reduziert ferner den für die Vorrichtung benötigten Bauraum. Der als Direktantrieb ausgebildete Elektromotor kann ein magnetischer Direktantrieb sein. Die Vorrichtung, insbesondere der Elektromotor selbst, kann eine Regeleinheit und/oder Steuereinheit zum Regeln und/oder Steuern des Elektromotors umfassen, welche vorzugsweise jeweils ferner dafür eingerichtet ist, leitungslos, insbesondere direkt oder indirekt, mit einem Kommunikationsmodul der Vorrichtung zu kommunizieren, insbesondere Ansteuerbefehle von dem Kommunikationsmodul der Vorrichtung zu empfangen. Das Kommunikationsmodul kann am Vorrichtungsrahmen angeordnet sein oder von dem Vorrichtungsrahmen beabstandet in dem Fahrzeug angeordnet sein. Ebenso kann das Kommunikationsmodul mit einem Datenbus des Fahrzeugs verbunden sein. Die Luftklappe kann während einer Fahrt des Fahrzeugs vom Fahrtwind angeströmt werden. Durch die Schwenkbewegung der Luftklappe ändert sich ihre Stellung im Fahrtwind und der Luftwiderstand des Fahrzeugs ändert sich hierdurch.
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Eine leitungslose Verbindung oder Kommunikation ist eine Datenverbindung oder Datenkommunikation, welche zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, über WLAN, Bluetooth, ZigBee oder unter Zuhilfenahme einer anderen kabellosen und leitungslosen Spezifikation für einen Datentransfer verläuft.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor dafür eingerichtet, mechanische Arbeit in Form einer Drehbewegung um eine Motordrehachse zu verrichten; und der Elektromotor ist so an dem Vorrichtungsrahmen angeordnet, dass die Motordrehachse kollinear mit einer Schwenkachse oder Drehachse der Luftklappe ausgebildet ist. Dies erlaubt eine besonders einfache Kopplung des Elektromotors an die Luftklappe. Ferner kann aus der Relativposition des Stators und des Rotors des Elektromotors auf die Positionsänderung der Luftklappe geschlossen werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da über eine Wechselwirkung zwischen Spulen der Elektromagnete und Permanentmagneten in dem Elektromotor, welche auf einer BMMF (back mmf, back magneto motoric force) oder einer BMEF (back EMF, back electromotive force) basieren kann, der Elektromotor selbst Informationen liefern kann aus welchen auf eine Änderung der Relativposition des Stators bezüglich des Rotors, z.B. in der Regeleinheit und/oder Steuereinheit zum Regeln und/oder Steuern des Elektromotors, geschlossen werden kann. Der als Direktantrieb ausgebildete Elektromotor kann ein Torquemotor sein, wobei hier Innenläufer und Außenläufer infrage kommen. Wird eine genaue Ansteuerung der Position gewünscht, kann der als Direktantrieb ausgebildete Elektromotor auch ein Schrittmotor sein, wobei aufgrund des vereinfachten Aufbaus die Ausbildung des Schrittmotors als ein Reluktanz-Schrittmotor bevorzugt wird.
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Um die Vorrichtung zu vereinfachen kann zumindest an einem Ende der Luftklappe auf eine separate Lagerung der Luftklappe verzichtet werden. Hierzu kann die Schwenkachse der Luftklappe durch einen Wellenabschnitt der Luftklappe definiert sein, und der Elektromotor kann ein Lager des Wellenabschnitts umfassen, welches insbesondere von einem Gehäuse des Elektromotors getragen und/oder abgestützt und/oder gehalten ist. Hierbei wird die Verwendung eines Magnetlagers aufgrund der genauen und verschleißfreien Positionierung bevorzugt. Alternativ kann ein Gleitlager vorgesehen sein, dessen zumindest eine, bevorzugt alle Gleitflächen in einem Spritzgussverfahren ausgebildet sind, beispielsweise durch Umspritzen ausgebildet sind. Eine durch ein solches Umspritzen ausgebildete Schicht aus Spritzgussmaterial kann den darunterliegenden Teil oder Abschnitt des Elektromotors, z.B. einen Rotorabschnitt oder einen Statorabschnitt, vor Korrosion schützen. In dieser Anmeldung kann ein Spritzgussmaterial ein Thermoplast sein.
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Die Luftklappe der Vorrichtung ist vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren ausgebildet. Es wird entsprechend bevorzugt, dass eine zur Übertragung der Drehbewegung eingerichtete Verbindung zwischen einem Rotor des Elektromotors und der Luftklappe durch ein Spritzgussverfahren ausgebildet ist, um die Verbindung stabil und kostengünstig ausbilden zu können.
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Es wird bevorzugt, dass der Elektromotor einen Innenrotationsabschnitt und einen Außenrotationsabschnitt umfasst, welche relativ zueinander drehbar vorgesehen sind, wobei ein Abschnitt aus dem Innenrotationsabschnitt und dem Außenrotationsabschnitt den Rotor des Elektromotors umfasst oder ausbildet und wobei der andere Abschnitt aus dem Innenrotationsabschnitt und dem Außenrotationsabschnitt einen Stator des Elektromotors umfasst oder ausbildet, wobei der Innenrotationsabschnitt eine Öffnung umfasst, und wobei ein Spritzgussmaterial, welches vorzugsweise den Innenrotationsabschnitt mit dem Vorrichtungsrahmen oder der Luftklappe verbindet, an einer Innenwand der Öffnung anliegt. Dieses Spritzgussmaterial kann die Öffnung zumindest abschnittsweise, besonders bevorzugt zu mehr als 30% des Volumens der Öffnung, insbesondere im Wesentlichen vollständig, ausfüllen. Auf diese Art und Weise wird eine besonders feste und zuverlässige Verbindung zwischen dem Innenrotationsabschnitt, insbesondere wenn der Elektromotor ein Innenläufer ist, und der Luftklappe oder, insbesondere wenn der Elektromotor ein Außenläufer ist, und dem Vorrichtungsrahmen ausgebildet. Um die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen kann die Öffnung eine entlang einer Richtung quer zur Motordrehachse ausgebildete Öffnung (im Folgenden als Queröffnung bezeichnet), welche insbesondere als Durchgangsöffnung ausgebildet ist, und/oder eine entlang einer Richtung parallel zur Motordrehachse ausgebildete Öffnung (im Folgenden als Axialöffnung bezeichnet) umfassen, welche insbesondere als Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Hierbei wird bevorzugt, dass ein Hohlraum der Queröffnung mit einem Hohlraum der Axialöffnung in Fluidkommunikation steht, insbesondere in diesen übergeht, sodass eine besonders feste Verankerung des Innenrotationsabschnitts in dem Spritzgussmaterial ausgebildet wird. Um die Festigkeit der Verankerung zu erhöhen, kann das Spritzgussmaterial einen zusammenhängenden Körper ausbilden, welcher sich entlang einer Innenwand der Queröffnung und entlang einer Innenwand der Axialöffnung erstrecken kann und besonders bevorzugt von der Queröffnung in die Axialöffnung übergeht.
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Um den Innenrotationsabschnitt vor Korrosion zu schützen kann eine dem Außenrotationsabschnitt zugewandte Wandung des Innenrotationsabschnitts mit dem Spritzgussmaterial oder einem Kunststoff, insbesondere einem weiteren Spritzgussmaterial, beschichtet sein. Hierdurch kann ebenso eine Gleitfläche eines zwischen dem Außenrotationsabschnitt und dem Innenrotationsabschnitt wirkenden Gleitlagers ausgebildet sein.
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Um den Außenrotationsabschnitt ebenso sicher und kostengünstig zu verankern wird bevorzugt, dass der Außenrotationsabschnitt zur Befestigung in dem Vorrichtungsrahmen, wobei dies bei der Ausbildung des Elektromotors als Innenläufer bevorzugt wird, oder in der Luftklappe, wobei dies bei der Ausbildung des Elektromotors als Außenläufer bevorzugt wird, in einem Spritzgussmaterial eingebettet und/oder an dem Vorrichtungsrahmen oder an der Luftklappe mit dem Spritzgussmaterial angespritzt und/oder durch Umspritzen mit dem Spritzgussmaterial befestigt ist. Durch diese Anordnung kann der bestromte Teil des Motors an dem Vorrichtungsrahmen bereitgestellt werden, welcher ausreichend Bauraum zum Vorsehen der Energieversorgung des Elektromotors bietet, der Vorteil gilt, mutatis mutandis, auch für die oben erwähne Verankerung des Innenrotationsabschnitts.
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Um den Außenrotationsabschnitt vor Korrosion zu schützen, kann eine dem Innenrotationsabschnitt zugewandte Wandung des Außenrotationsabschnitts mit dem Spritzgussmaterial oder einem Kunststoff, insbesondere einem weiteren Spritzgussmaterial, beschichtet sein. Hierdurch kann ebenso eine weitere Gleitfläche des oben erwähnten zwischen dem Außenrotationsabschnitt und dem Innenrotationsabschnitt wirkenden Gleitlagers ausgebildet sein.
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Um eine Überprüfung des Betriebszustands des Fahrzeugs zu erlauben, kann die Vorrichtung einen Sensor und/oder einen Drehgeber zur Bestimmung einer Winkellage der Luftklappe um eine Schwenkachse umfassen, wobei besonders bevorzugt der Elektromotor auch als ein Servomotor ausgebildet ist. Der Sensor und/oder der Drehgeber kann ein Halleffekt-Sensor, ein Inkrementalgeber, ein Rotary Variable Differential Transformer (RVDT), ein Potentiometergeber oder ein Absolutgeber sein.
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Es ist jedoch insbesondere möglich, einen Weg- oder Positionssensor an der Luftklappe anzuordnen, bevorzugt anzuspritzen oder zu umspritzen oder in ein Material der Luftklappe einzubetten. Als Weg- oder Positionssensor kommt hierbei insbesondere ein kapazitiver Abstandssensor oder ein auf einer Laufzeitmessung basierender Sensor in Frage. Dem Sensor und/oder dem Drehgeber kann eine leitungslose Datentransfereinheit zugeordnet sein, welche insbesondere dafür eingerichtet ist, über Radiowellen Messdaten des Sensors und/oder des Drehgebers an ein Kommunikationsmodul der Vorrichtung zu senden. Der Sensor und/oder der Drehgeber kann zusammen mit einer Datentransfereinheit als eine vorzugsweise gekapselte Einheit ausgebildet sein. Hierbei kommt insbesondere eine Ausbildung des Sensors und/oder des Drehgebers als passiver oder aktiver RFID-Sensor in Frage. Die Datentransfereinheit kann eine Radiofrequenz-Antenne umfassen. Das Kommunikationsmodul kann als Teil einer Regelungseinheit und/oder Steuerungseinheit ausgebildet sein.
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Der Sensor und/oder der Drehgeber bzw. auch deren Teile, und/oder die Datentransfereinheit und/oder die Radiofrequenz-Antenne kann an dem Vorrichtungsrahmen und/oder der Luftklappe angeordnet sein, insbesondere mit Spritzgussmaterial angespritzt oder mit Spritzgussmaterial umspritzt sein. Insbesondere kann das Funktionsprinzip des Sensors und/oder des Drehgebers auf einer kontaktlosen Messmethode, beispielsweise der Messung eines Magnetfelds, beruhen.
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Um das durch eine Verkabelung bewirkte Gewicht und den mit der Verkabelung verbundenen Verkabelungsaufwand zu reduzieren wird bevorzugt, dass der Sensor und/oder Drehgeber dafür eingerichtet sind, von ihnen erfasste Messdaten leitungslos an ein Kommunikationsmodul der Vorrichtung, oder/und an eine Steuerungsvorrichtung der Vorrichtung und/oder an eine Regelungsvorrichtung der Vorrichtung oder/und eine Fahrzeug-Auswerteeinheit, insbesondere direkt oder indirekt, zu übertragen, welche jeweils zum Empfang dieser Messdaten eingerichtet sind.. Ist der Signalausgang des Sensors und/oder des Drehgebers nicht ortsfest bezüglich des Vorrichtungsrahmens angeordnet, zum Beispiel auf der Luftklappe angeordnet, so wird hierdurch auch das Problem des Auftretens von Signalunterbrechungen durch Kabelbrüche in Signalleitungen an wiederholt gebogenen Kabelabschnitten gelöst.
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Um die oben für die Signalleitungen beschriebenen Probleme ebenso für die Verkabelung zur Energieversorgung für Bauteile der Vorrichtung zu lösen kann die Vorrichtung ferner eine Empfangsvorrichtung zum Empfang einer leitungslos übertragenen Energie, insbesondere ein Leistungs-Empfangsteil einer Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung und/oder eine Energy-Harvesting-Vorrichtung jeweils zum Versorgen des Elektromotors und/oder eines Sensors und/oder eines Drehgebers und/oder einer Steuerungsvorrichtung und/oder einer Regelungsvorrichtung umfassen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, eine Winkellage der Luftklappe repräsentierende Daten unter Verwendung eines Fahrzeug-Datenbusses an eine Fahrzeug-Auswerteeinheit zu übertragen, um dem Fahrzeug eine Diagnose des Zustandes der Vorrichtung zu erlauben.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit und/oder Regeleinheit, welche dafür eingerichtet ist, den Elektromotor zu regeln und/oder zu steuern. Ebenso kann die Steuereinheit und/oder Regeleinheit dafür eingerichtet sein, Signale und/oder Daten von dem Sensor und/oder Drehgeber zu empfangen.
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Die eine oben eingehend beschriebene Luftklappe wird im Folgenden als Antriebsluftklappe bezeichnet. Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise mindestens eine, vorzugsweise mehrere weitere Luftklappen, welche an dem Vorrichtungsrahmen schwenkbar angeordnet sind.
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Die Antriebsluftklappe ist vorzugsweise unter Verwendung eines Gestänges derart mit mindestens einer, vorzugsweise einer Mehrzahl von weiteren Luftklappen verbunden, dass ein Übergang der Antriebsluftklappe von einer Geschlossen-Stellung in eine Geöffnet-Stellung einen Übergang von mit dem Gestänge verbundenen weiteren Luftklappen von einer Geschlossen-Stellung in eine Geöffnet-Stellung dieser weiteren Luftklappen bewirkt und dass ein umgekehrter Übergang der Antriebsluftklappe von der Geöffnet-Stellung in die Geschlossen-Stellung einen Übergang von mit dem Gestänge verbundenen weiteren Luftklappen von der Geöffnet-Stellung in die Geschlossen-Stellung dieser weiteren Luftklappen bewirkt.
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Über eine Verbindung mit dem Gestänge ist die Winkellage jeder der mit dem Gestänge verbundenen weiteren Luftklappe vorzugsweise eindeutig bestimmt, sodass die Winkellage der Antriebsluftklappe als Basis zur Bestimmung der Winkellage jeder der mit dem Gestänge verbundenen weiteren Luftklappe verwendet werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann jedoch, um Fehlern bei der Bestimmung der Position der weiteren Luftklappen auf Basis der Position der Antriebsluftklappe vorzubeugen, welche z.B. durch ausgebrochene Verbindungen des Gestänges mit einer der Luftklappen hervorgerufen werden können, die Vorrichtung für jede weitere Luftklappe jeweils einen Sensor und/oder Drehgeber zur Bestimmung der Winkellage der jeweiligen weiteren Luftklappen umfassen, wobei die für die Antriebsluftklappe genannten Sensor- und Drehgebertypen auch bei den weiteren Luftklappen verwendet werden können.
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Ebenso kann die Vorrichtung ferner über die Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung und/oder eine Energy-Harvesting-Vorrichtung mindestens einen, vorzugsweise jeden der Sensoren und/oder Drehgeber zur Bestimmung der Winkellage der jeweiligen weiteren Luftklappe mit Energie versorgen. Zusätzlich oder alternativ kann die Vorrichtung ferner für eine Versorgung mit Energie eines einer weiteren Luftklappe zugeordneten Sensors und/oder Drehgebers jeweils eine Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung und/oder eine Energy-Harvesting-Vorrichtung umfassen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung und/oder die Energy-Harvesting-Vorrichtung ein jeweiliges zum Emittieren einer eine leistungsübertragenden elektromagnetischen Welle eingerichtetes Leistungs-Sendeteil und ein jeweiliges zum Empfangen der von dem Leistungs-Sendeteil emittierten elektromagnetischen Welle und zum Bereitstellen von Energie für einen Verbraucher eingerichtetes Leistungs-Empfangsteil. Das Leistungs-Empfangsteil kann an dem Vorrichtungsrahmen angeordnet sein und das Leistungs-Sendeteil kann beabstandet von dem Vorrichtungsrahmen, z.B. an dem Fahrzeug, angeordnet sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Elektromotor und/oder ein/der Sensor und/oder Drehgeber und/oder ein/der Leistungs-Empfangsteil der Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung und/oder ein/der Leistungs-Empfangsteil der Energy-Harvesting-Vorrichtung und/oder ein/der Leistungs-Sendeteil der Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung und/oder ein/der Leistungs-Sendeteil der Energy-Harvesting-Vorrichtung als eine Einheit vorgesehen, welche dafür eingerichtet ist, in eine Spritzgussform eingelegt zu werden und während des Spritzgussverfahrens in dieser Spritzgussform als Teil der Vorrichtung angespritzt oder umspritzt oder in Spritzgussmaterial eingebettet zu werden. Dies kann in einem einstufigen oder mehrstufigen Spritzgussverfahren erfolgen.
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Optional können die Luftklappen und der Vorrichtungsrahmen separat voneinander in einem jeweiligen Spritzgussverfahren ausgebildet werden und im Anschluss daran montiert werden. Hierbei können die oben genannten Teile in jeweils der auszubildenden Luftklappe oder dem Vorrichtungsrahmen zugeordneten Einheiten in die jeweiligen Spritzgussformen eingelegt werden. Hierbei ist zu beachten, dass insbesondere der Innenrotationsabschnitt und der Außenrotationsabschnitt in unterschiedlichen zugeordneten Einheiten in die jeweiligen separaten Spritzgussformen eingelegt werden können.
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Ferner umfasst in einer Besonders bevorzugten Ausführungsform die Vorrichtung eine Regeleinheit und/oder Steuereinheit zum Regeln und/oder Steuern des Elektromotors. Es wird bevorzugt, dass das Leistungs-Empfangsteil der Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung und/oder das Leistungs-Empfangsteil der Energy-Harvesting-Vorrichtung mit der Regeleinheit und/oder Steuereinheit zum Regeln und/oder Steuern des Elektromotors verbunden ist und zum Datenaustausch mit dem Leistungs-Sendeteil der Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung und/oder dem Leistungs-Sendeteil der Energy-Harvesting-Vorrichtung eingerichtet ist, wobei insbesondere die Power-Transfer-Vorrichtung und/oder die Energy-Harvesting-Vorrichtung dafür eingerichtet ist, Motoransteuerungssignale von dem jeweiligen Leistungs-Sendeteil an das jeweilige Leistungs-Empfangsteil zu übertragen und die Winkellage einer, oder einer Mehrzahl, vorzugsweise aller Luftklappen an das Leistungs-Sendeteil zu übertragen. Das Leistungs-Empfangsteil kann auch zusätzlich als das oben beschriebene Kommunikationsmodul ausgebildet sein.
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Aktuatoren und/oder Regelungseinheiten und/oder Steuereinheiten können Leistung und Daten an Leuchtdioden und/oder Leuchtdiodenschaltkreise übertragen.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Figuren eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, es zeigen:
- 1 eine Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Antriebsluftklappen und zugeordneten weiteren Luftklappen in der Geöffnet-Stellung;
- 2 eine Ansicht der Ausführungsform aus 1 mit den zwei Antriebsluftklappen und den zugeordneten weiteren Luftklappen in der Geschlossen-Stellung;
- 3 ein Ausschnitt einer Ansicht von oben (in Richtung -Z) auf die Ausführungsform aus 1;
- 4 ein Ausschnitt eines A-A-Schnitts aus 3;
- 5 eine weitere Luftklappe der Ausführungsform aus 1;
- 6 eine optionale Ausführungsform einer weiteren Luftklappe der Ausführungsform aus 1;
- 7 eine Antriebsluftklappe der Ausführungsform aus 1; und
- 8 und 9 optionale Ausführungsformen einer Antriebsluftklappe der Ausführungsform aus 1.
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In einigen Figuren sind Bezugszeichen nicht widerholt worden, um die Übersichtlichkeit der Figuren zu erhöhen.
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Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Figuren zur vorliegenden Anmeldung weder maßstabsgetreu, noch hinsichtlich einer Relativbewegung von beweglichen Elementen abbildungstreu sind. Die Figuren dienen lediglich der prinzipiellen Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung und sind entsprechend schematischer Natur.
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In den 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer als eine Luftklappenvorrichtung 20 ausgebildeten Vorrichtung zur Veränderung von aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs gezeigt, in welches die Vorrichtung eingebaut ist. Hierbei ist in 1 ein Zustand der Luftklappenvorrichtung 20 gezeigt, in welcher sich Luftklappen 26la-26le und 26ra-26re in der Geöffnet-Stellung befinden, und in 2 ein Zustand der Luftklappenvorrichtung 20 gezeigt, in welcher sich die Luftklappen 26la-26le; 26ra-26re in einer Geschlossen-Stellung befinden. Die Luftklappenvorrichtung 20 umfasst dabei einen Vorrichtungsrahmen 22, welcher vorzugsweise ortsfest bezüglich einem Karosserie- oder Rahmenabschnitt des Fahrzeugs angeordnet ist. Die Luftklappenvorrichtung 20 kann ein Teil eines Kühlergrills des Fahrzeugs sein, welcher an einer durch einen Fahrtwind angeströmten Außenseite des Fahrzeugs, insbesondere in einer Vorwärtsfahrtrichtung vorne an dem Fahrzeug angeordnet ist. Durch ein Ausbilden einer ebeneren Anströmfläche in der Geschlossen-Stellung, wird der Luftwiderstand des Fahrzeugs, gegenüber dem Zustand, in welchem sich die Luftklappen in der Geöffnet-Stellung befinden, verändert.
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Der Vorrichtungsrahmen 22 weist eine Durchströmungsöffnung 24 auf, welche zwei Teil-Durchströmungsöffnungen 24l und 24r und einen zwischen den Teil-Durchströmungsöffnungen 24l und 24r liegenden Zwischenbereich 24z umfasst, vorzugsweise durch diese ausgebildet wird. In dem Zwischenbereich 24z können Aktuatoren, Sensoren und Ähnliches angeordnet werden, insbesondere ist üblicherweise dieser Zwischenbereich 24z von einem ein Fahrzeug-Emblem tragenden Karosserieabschnitt des Fahrzeugs überdeckt.
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Da der Aufbau der Vorrichtung 22 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einer die Zeichenebene der 1 und 2 senkrecht durchsetzenden Symmetrieebene M ausgebildet ist, beschränkt sich im Folgenden die Beschreibung auf die linke Teil-Durchströmungsöffnung 24l und die darin angeordneten Luftklappen 26la bis 26le und die mit ihnen zusammenwirkenden Elemente und Teile der Vorrichtung 20. Die entsprechenden gespiegelten rechten Elemente sind mit dem Index „r“ versehen, so sind z.B. in der Teil-Durchströmungsöffnung 24r Luftklappen 26ra bis 26re vorgesehen, welche spiegelbildlich zu den Luftklappen 26la bis 26le in Bezug auf die Ebene M angeordnet sind. Die Beschreibung der linken Seite der Vorrichtung 20 ist entsprechend für die rechte Teil-Durchströmungsöffnung 24r und die darin angeordneten Luftklappen 26ra bis 26re und die mit ihnen zusammenwirkenden Elemente und Teile der Vorrichtung 20 anzuwenden, sofern sich nichts anderes aus der Beschreibung ergibt. Bezugszeichen von Elementen, Teilen, Abschnitten oder geometrischen Repräsentationen wie Drehachsen, die bei den Luftklappen 261a-261e oder deren Lagerung sich einander entsprechen, haben den gleichen Wert, wie z.B. das Bezugszeichen der im Folgenden eingeführte Drehachse DI, werden jedoch mit einem Laufindex von a bis e oder b bis e versehen und es wird nur ein Element, Abschnitt oder geometrische Repräsentation im Detail beschrieben, wobei diese Beschreibung auch auf die anderen Elemente, Abschnitte oder geometrische Repräsentationen mit demselben Wert des Bezugszeichens, jedoch einem anderen Laufindex, anzuwenden ist.
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Am Vorrichtungsrahmen 22 ist, bei Betrachtung in Richtung orthogonal zur Zeichenebene der 1 und 2, die jeweilige Teil-Durchströmungsöffnung 24l durchsetzend, eine Mehrzahl von Luftklappen 26la-26le an Drehachsen Dla-Dle drehbar positioniert. Die in 7 gezeigte Luftklappe 26la ist als eine Antriebsluftklappe ausgebildet und die Luftklappen 26lb-26le bilden jeweils vorzugsweise gleich ausgebildete weitere Luftklappen aus, wie sie in 5 gezeigt ist. Die Antriebsluftklappe 26la ist über eine Antriebsstange 28l mit den zugeordneten weiteren Luftklappen 26lb-26le zur gemeinsamen Bewegung verbunden. Zwischen dem Vorrichtungsrahmen 22 und der Antriebsluftklappe 26la ist ein als Direktantrieb ausgebildeter Elektromotor 30l zur Bewirkung einer Schwenkbewegung der Antriebsluftklappe 26la vorgesehen. Der besonders gut in den 3 und 4 dargestellte Elektromotor 30l ist vorzugsweise ein Torquemotor, dessen Rotationsachse mit der Drehachse Dla der Antriebsluftklappe 26la kollinear zusammenfällt. Die Drehachse Dla der Antriebsluftklappe 26la ist insbesondere durch eine Zentrallinie von kollinearen und einander gegenüberliegenden Wellenabschnitten 32la, 34la der Antriebsluftklappe 26la definiert. Der Wellenabschnitt 34la ist vorzugsweise in einem in dem Vorrichtungsrahmen 22 ausgebildeten Gleitlager 36la drehbar gelagert, während in dem Wellenabschnitt 32la ein einen Innenrotationsabschnitt des Elektromotors 30l ausbildender Rotor 38l des Elektromotors 30l durch Umspritzen mit Spritzgussmaterial 40l drehfest verankert ist, wobei insbesondere eine einem später noch zu beschreibenden Stator zugewandte Außenfläche 42l einer Wandung des Rotors 38l zum Schutz des Rotors 38l vor Korrosion mit dem Spritzgussmaterial 40l umspritzt ist, und somit eine Schutzschicht ausbildet. Eine solche Schicht kann auch auf der Stirnseite 44l des Wellenabschnitts 32la vorgesehen sein, um den Rotor 38l vor Korrosion schützen. In dem Rotor 38l ist vorzugsweise eine sich entlang der mit der Drehachse Dla zusammenfallenden Motordrehachse des Elektromotors 30l erstreckende erste Axial-Durchgangsöffnung 46l vorgesehen, welche vollständig mit dem Spritzgussmaterial 40l ausgefüllt ist. Ferner erstrecken sich durch den Rotor 38l zwei im Ausführungsbeispiel senkrecht zur Drehachse Dla verlaufende Quer-Durchgangsöffnungen 48l, 50l, deren Hohlräume in den Hohlraum der Axial-Durchgangsöffnung 46l übergehen und ebenso mit dem Spritzgussmaterial 40l vollständig ausgefüllt sind. Durch die so entstehende Materialbrücke zwischen jeder der Quer-Durchgangsöffnungen 48l, 50l und der Axial-Durchgangsöffnung 46l wird eine besonders feste Verankerung des Rotors 38l mit der Antriebsluftklappe 26la ausgebildet. Das Spritzgussmaterial 40l liegt insbesondere an den jeweiligen Innenwänden der Quer-Durchgangsöffnungen 48l, 50l und der Axial-Durchgangsöffnung 46l an.
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Ferner umfasst der Elektromotor 30l einen den Rotor 38l umgebenden Stator 52l, welcher einen Außenrotationsabschnitt des Elektromotors 30l ausbildet. Vorzugsweise umfasst der Rotor 38l eine Permanentmagnet-Anordnung und der Stator 52l umfasst vorzugsweise eine Elektromagnet-Anordnung zum Antrieb des Elektromotors 30l. Ferner kann durch eine geeignete Anordnung aus Permanentmagneten und/oder Elektromagneten des Elektromotors 30l in dem Innenrotationsabschnitt und dem Außenrotationsabschnitt ein Magnetlager zwischen dem Innenrotationsabschnitt und dem Außenrotationsabschnitt vorgesehen sein, welches auch ein Lager des Wellenabschnitts 32la ist und welches sich an einem Gehäuse des Elektromotors 30l über den Außenrotationsabschnitt abstützt. Falls ein sogenannter gehäuseloser Elektromotor verwendet wird, ist der Vorrichtungsrahmen als Gehäuse des Elektromotors anzusehen. Alternativ kann der Elektromotor 30l ein ebenso über den Außenrotationsabschnitt abgestütztes Gleitlager umfassen, welches auch den Wellenabschnitt 32la lagert.
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Der Stator 52l ist mit Spritzgussmaterial 54 des Vorrichtungsrahmens 22 umspritzt und somit an diesem drehfest angeordnet. Ebenso kann der Stator 52l an seiner dem Rotor 38l zugewandten Fläche 56l seiner Wandung zum Schutz vor Korrosion mit Spritzgussmaterial 54 beschichtet sein. Eine solche Beschichtung kann ebenso an axialen Endflächen 58l, 60l des Stators 52l zum Schutz vor Korrosion vorgesehen sein. In dem Stator 52l kann ein Hall-Sensor, z.B. ein Hall-Sensor mit einer Mehrzahl von räumlich getrennten Messfeldern, (e.g. Quadranten), zur Bestimmung einer Winkellage der Permanentmagnet-Anordnung des Rotors, und somit des Rotors selbst, relativ zum Stator vorgesehen sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann eine in den Windungen der Elektromagneten des Stators durch die Bewegung der Permanentmagnet-Anordnung des Rotors, insbesondere aufgrund einer BMMF (back mmf, back magneto motoric force) oder einer BMEF (back EMF, back electromotive force), hervorgerufene Spannung oder ein darin hervorgerufener Strom erfasst werden und zur Bestimmung der Position der Permanentmagnet-Anordnung des Rotors, und somit des Rotors selbst verwendet werden. Besonders bevorzugt ist der Elektromotor 30l als Servomotor ausgebildet, sodass keine separate Erfassung der Position des Rotors notwendig ist. Da der Stator 52l drehfest mit dem Vorrichtungsrahmen 22 und der Rotor 38l drehfest mit der Antriebsluftklappe 26la verbunden ist, wird in all diesen Varianten somit eine Winkellage der Antriebsluftklappe relativ zum Vorrichtungsrahmen 22 erfasst.
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Die weiteren Luftklappen 26lb-26le sind vorzugsweise identisch zueinander ausgebildet, an dem Vorrichtungsrahmen 22 gelagert und mit Sensoren versehen. Die Luftklappe 26lb ist um ihre Rotationsachse Dlb an Wellenabschnitten 62la und 64la in zugeordneten Gegenlagern 66lb und 68lb in dem Vorrichtungsrahmen 22 schwenkbar gelagert. Vorzugsweise ist an dem Wellenabschnitt 62la eine drehfest mit diesem Wellenabschnitt verbundene Magnetanordnung 70la mit einem Nordpol N und einem Südpol S vorgesehen, sodass die Winkellage der Magnetanordnung 70la relativ zum Vorrichtungsrahmen 22, um somit die Winkellage der Luftklappe 26lb relativ zum Vorrichtungsrahmen 22, durch einen bezüglich des Vorrichtungsrahmens 22 ortsfest angeordneten Hall-Sensors 72lb, z.B. einen Hall-Sensor mit vier Quadranten, erfasst werden kann. Die Lage der Magnetanordnungen der weiteren Luftklappen 26c-26e, und somit die Winkellage dieser einzelnen Luftklappen relativ zum Vorrichtungsrahmen 22, kann entsprechend durch nicht gezeigte, jeweils den einzelnen Luftklappen zugeordnete und bezüglich des Vorrichtungsrahmens 22 ortsfest angeordnete Hall-Sensoren erfasst werden. Es ist zu beachten, dass zur Wahrung der Übersichtlichkeit in den 1 und 2 die Hall-Sensoren nicht eingezeichnet worden sind.
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Die Antriebsluftklappe 26la weist an einem Ende ihres Luftklappenblatts 74la einen sich parallel zur Rotationsachse Dla der Antriebsluftklappe 26la erstreckenden Dorn 76la auf, welcher in die Antriebsstange 28l eingreift und drehbar in der Antriebsstange 28l in einem Lager gelagert ist. Ferner weist die weitere Luftklappe 26lb, welche identisch mit den weiteren Luftklappen 26lc-26le ausgebildet ist, ebenso einen sich parallel zur Rotationsachse Dlb der weiteren Luftklappe 26lb erstreckenden Dorn 76lb auf, welcher ebenso in die Antriebsstange 28l eingreift und drehbar in der Antriebsstange 28l in einem Lager gelagert ist. Gleichartig greifen die Dorne der weiteren Luftklappen 26lc-26le in gleichartige Lager in der Antriebsstange 28l ein, sodass eine Verschwenkung der Antriebsluftklappe 26la ebenso zu einer entsprechenden Verschwenkung aller weiteren Luftklappen 26lb-26le führt. Die Antriebsluftklappe 26la und/oder die weitere Luftklappen 26lc sind vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren derart ausgebildet, dass das Luftklappenblatt 74la, die Wellenabschnitte 32la, 34la und der Dorn 76la zusammenhängend, vorzugsweise integral ausgebildet sind. Entsprechendes gilt für das Luftklappenblatt 74lb, die Wellenabschnitte 62lb, 64lb und den Dorn 76lb.
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Der Elektromotor 30l ist vorzugsweise mit einem Leistungs-Empfangsteil 78 einer Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung der Vorrichtung 20 ausgebildet. Die Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung umfasst ein nicht abgebildetes Leistungs-Sendeteil, welches am Fahrzeug angeordnet ist. Die Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung ist ferner dafür eingerichtet einen Datentransfer in beide Richtungen zwischen Leistungs-Empfangsteil 78 und dem Leistungs-Sendeteil zuzulassen. Der Leistungs-Sendeteil kommuniziert über einen Transceiver mit einem Datenbus, z.B. einem CAN-Bus, des Fahrzeugs, welcher wiederrum mit einer Fahrzeug-Auswerteeinheit, z.B. einer ECU des Fahrzeugs kommuniziert. Vorzugsweise ist der Elektromotor 30l mit einer Steuereinheit und Regeleinheit ausgebildet, welche mit dem Leistungs-Empfangsteil 78 kabelgebunden oder leitungslos datentechnisch verbunden ist, um Steuerbefehle des Fahrzeugs über den Datenbus und die Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung zu erhalten. Das Leistungs-Empfangsteil 78 ist eine Ausbildungsform eines Kommunikationsmoduls der Vorrichtung 20.
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Vorzugsweise ist auch jeder der der Antriebsluftklappe 26la und den weiteren Luftklappen 26lb-26le zugeordneten Hall-Sensoren oder Sensoren zur Erfassung der jeweiligen Winkellage dafür eingerichtet, mit dem Leistungs-Empfangsteil 78 leitungslos zu Kommunizieren und über die Wireless-Power-Transfer-Vorrichtung und den Datenbus die jeweilige Winkellage der zugeordneten Antriebsluftklappe 26la und/oder jeder der weiteren Luftklappen 26lb-26le an das Fahrzeug zu übertragen, sodass diese Winkellagen z.B. einer OBD1-/ OBD2-Diagnose zur Verfügung stehen.
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Das Leistungs-Empfangsteil 78 kann ebenso die oben genannten Funktionen auch für den Elektromotor 30r und die den Luftklappen 26ra-26re zugeordneten Hall-Sensoren oder Sensoren zur Erfassung der jeweiligen Winkellage bereitstellen.
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In 6 ist eine optionale Ausführungsform der weiteren Luftklappe der Vorrichtung 20 gezeigt, wobei im Folgenden nur auf die Unterschiede zu den weiteren Luftklappen 26lb-26le eingegangen wird. Für die denen der eingangs beschriebenen Ausführungsform entsprechenden Elemente, Teilabschnitte, usw. dieser optionalen Ausführungsform werden um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet, wobei in Bezug auf diese Elemente, Teilabschnitte, usw. auf die Beschreibung der entsprechenden Elemente der eingangs beschriebenen Ausführungsform verwiesen wird. Die weiteren Bezugszeichen der Vorrichtung 20, ebenso wie Achsenbezeichnungen verbleiben diejenigen der eingangs beschriebenen Ausführungsform.
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Entsprechendes gilt für die in 8 gezeigte optionale Ausführungsform der Antriebsluftklappe, wobei für die denen der eingangs beschriebenen Ausführungsform entsprechenden Elemente, Teilabschnitte, usw. dieser optionalen Ausführungsform mit um 200 erhöhte Bezugszeichen verwendet werden. Analog werden in der in 9 gezeigten optionalen Ausführungsform der Antriebsluftklappe für die denen der eingangs beschriebenen Ausführungsform entsprechenden Elemente, Teilabschnitte, usw. dieser optionalen Ausführungsform mit um 300 erhöhte Bezugszeichen verwendet werden.
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Die weitere Luftklappe 126lb, vorzugsweise baugleich zu allen weiteren Luftklappen, unterscheidet sich von der weiteren Luftklappe 26lb dadurch, dass anstelle der Magnetanordnung zur Erfassung durch den Hall-Sensor 72lb in der Luftklappe 126lb ein RFID-Positionssensor 182lb vorgesehen ist, welcher dafür eingerichtet ist, die Winkellage der weiteren Luftklappe 126lb relativ zum Vorrichtungsrahmen 22 zu bestimmen und zu dem Leistungs-Empfangsteil 78 leitungslos zu übertragen, welches die Funktion eines RFID-Lesegeräts aufweisen kann. An dem Vorrichtungsrahmen 22 kann bei Vorsehen einer derartigen weiteren Luftklappe 126lb auf das Vorsehen des zugeordneten Hallsensors verzichtet werden.
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Die in 8 gezeigte Ausführungsform der Antriebsluftklappe 226la ist für die Verwendung in einer Vorrichtung 20 vorgesehen, in welcher der Außenrotationsabschnitt eine Anordnung aus Permanentmagneten umfasst und der Innenrotationsabschnitt eine Anordnung aus Elektromagneten umfasst. Entsprechend ist ein Leistungs-Empfangsteil 278 an einem Luftklappenblatt 274la der Antriebsluftklappe 226la zur Versorgung der Anordnung aus Elektromagneten in dem Innenrotationsabschnitt mit Energie vorgesehen.
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Die in 9 gezeigte Ausführungsform der Antriebsluftklappe 326la unterscheidet sich von der Antriebsluftklappe 226la dadurch, dass zur Bestimmung der Winkellage der Antriebsluftklappe 326la relativ zum Vorrichtungsrahmen 22 ein RFID-Positionssensor 384 vorgesehen ist, welcher vorzugsweise als aktiver RFID-Sensor ausgebildet ist und vorzugsweise von dem Leistungs-Empfangsteil 378 mit Energie versorgt wird. Der RFID-Positionssensor 384 ist vorzugsweise dafür eingerichtet, die Winkellage zu dem Leistungs-Empfangsteil 78 leitungslos zu übertragen, welches die Funktion eines RFID-Lesegeräts aufweisen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014207566 A1 [0005]
