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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug, auf ein Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung, auf ein entsprechendes Steuergerät und auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) wird in unterschiedlichen Dämpfern, Bremsen und Aktoren eingesetzt. Bremsen auf Basis von MRF basieren in der Regel auf einer oder mehreren Scheiben, die von MRF umgeben und bei Aktivierung der Bremse mit einem magnetischen Feld durchflossen werden. Die MRF wird bei diesem Prinzip auf Scherung belastet und erzeugt ein Haltemoment proportional zum Spulenstrom. Ein entsprechendes mechanisches Konzept mit einem zusätzlichen Permanentmagneten, der ein Grundmoment erzeugt, ist ebenfalls entwickelt. Ein alternatives Wirkprinzip verwendet ein mit MRF geflutetes Tonnenlager sowie verschiedene Ausführungen mit verzahnten Wälzkörpern und eine als Sterngeometrie bezeichnete Konturscheibe. Permanentmagneten in Verbindung mit magnetorheologischem Medium können beispielsweise in Dichtungen verwendet werden, bei denen die Partikel des magnetorheologischen Mediums gegenüber der Umgebung der Stellvorrichtung eine Barriere bilden.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Bedienvorrichtung für ein Fahrzeug, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung und ein verbessertes Steuergerät gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Stellvorrichtung mit verschiedenen Bestromungsarten betrieben werden kann, wobei die Bestromungsarten unterschiedliche Widerstandscharakteristiken für eine Drehbewegung eines Rotors bewirken können.
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Eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug weist einen Rotor, einen Stator, ein magnetorheologisches Medium, zumindest einen Permanentmagneten und zumindest eine Spule auf. Der Rotor ist mit einem Stellelement koppelbar. Der Rotor ist relativ zu dem Stator drehbar gelagert. Das magnetorheologische Medium ist in einem Zwischenraum zwischen Rotor und Stator angeordnet und ausgebildet, um abhängig von einem auf den Zwischenraum wirkenden Magnetfeld unterschiedliche Zustände einzunehmen, die unterschiedliche Widerstandscharakteristiken für eine Drehbewegung des Rotors bewirken. Der Permanentmagnet ist an dem Rotor angeordnet. Der Permanentmagnet ist ausgebildet, um ein auf den Zwischenraum wirkendes erstes Magnetfeld zu erzeugen, welches das magnetorheologische Medium in einen Aktivierungszustand versetzt, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Die Spule ist an dem Stator angeordnet. Die Spule ist ausgebildet, um abhängig von einer Bestromungsart ein zweites Magnetfeld zu erzeugen, wobei durch das zweite Magnetfeld das erste Magnetfeld in dem Zwischenraum beeinflussbar ist, um das magnetorheologische Medium in einen Ruhezustand zu versetzen, der eine geringe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt, oder in einen erhöhten Aktivierungszustand zu versetzen, der eine erhöhte Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Die hohe Widerstandscharakteristik liegt zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der erhöhten Widerstandscharakteristik.
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Bei einer Stellvorrichtung kann es sich um eine Vorrichtung zum Bedienen einer beliebigen Fahrzeugfunktion des Fahrzeugs handeln. Die Stellvorrichtung kann als eine Bedienvorrichtung oder als eine Betätigungsvorrichtung bzw. ein Aktor ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine solche Bedienvorrichtung von einem Insassen des Fahrzeugs bedient werden. Unter einem Rotor kann ein bewegliches, rotierendes Teil der Vorrichtung verstanden werden. Unter einem Stator kann ein feststehendes, unbewegliches Teil der Vorrichtung verstanden werden. Der Rotor kann außenliegend und der Stator innenliegend angeordnet sein. Bei einem magnetorheologischen Medium kann es sich um ein heterogenes Stoffgemisch von magnetisch polarisierbaren Partikeln handeln, das auch als magnetorheologische Flüssigkeit bezeichnet werden kann. Bei dem magnetorheologischen Medium kann es sich alternativ auch um ein Pulver handeln. Durch Anlegen des äußeren Magnetfelds können viskoelastische oder dynamisch-mechanische Eigenschaften des magnetorheologischen Mediums schnell und reversibel verändert werden, wobei zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand eine Verformung des magnetorheologische Mediums stattfindet. Beim Anlegen eines Magnetfeldes, hervorgerufen durch einen Permanentmagneten und/oder durch das Bestromen einer Spule, verfestigt sich das magnetorheologische Medium. Der Ruhezustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem ein erstes Magnetfeld und ein zweites Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt, die Spule also bestromt wird. Der Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem ein erstes Magnetfeld des Permanentmagneten auf das magnetorheologische Medium wirkt, die Spule also unbestromt ist. Bei einer geringen Widerstandscharakteristik kann es sich um einen Ruhezustand des magnetorheologischen Mediums handeln. Die geringe Widerstandscharakteristik kann durch eine gleichläufige Bestromungsart bewirkt werden, wodurch der Rotor drehbar ist. Bei einer hohen Widerstandscharakteristik kann es sich um einen Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums handeln. Die hohe Widerstandscharakteristik kann durch eine unbestromte Bestromungsart, genauer gesagt durch den Permanentmagneten bewirkt werden, wodurch der Rotor nicht oder kaum drehbar ist. Bei einer erhöhten Widerstandscharakteristik kann es sich um einen erhöhten Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums handeln. Die erhöhte Widerstandscharakteristik kann durch eine gegenläufige Bestromungsart bewirkt werden, wodurch der Rotor noch weniger drehbar ist, als in dem Aktivierungszustand. Vorteilhafterweise kann durch die Spule verhindert oder verstärkt werden, dass sich zwischen Rotor und Stator eine Kraftübertragung bilden kann, indem ein Übergang von Feldlinien aus dem Medium in den Stator unterbunden oder verstärkt wird. Ein Trennfläche, an der mit minimaler Kraft gedreht werden kann, kann sich somit innerhalb des Mediums bilden und das parallel zu den Feldlinien.
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Somit kann die geringe Widerstandscharakteristik einen Zustand des magnetorheologischen Mediums repräsentieren, in dem das magnetorheologische Medium einer Drehbewegung des Rotors einen geringen Drehwiderstand entgegensetzt, also ein geringes Bremsmoment auf den Rotor ausübt. Dadurch braucht der Bediener nur ein geringes Drehmoment auf das Stellelement auszuüben, um das Stellelement verdrehen zu können. Das Stellelement fühl sich beispielsweise leichtgängig an. Die hohe Widerstandscharakteristik kann einen Zustand des magnetorheologischen Mediums repräsentieren, in dem das magnetorheologische Medium der Drehbewegung des Rotors einen im Vergleich zum geringen Drehwiderstand hohen Drehwiderstand entgegensetzt, also ein hohes Bremsmoment auf den Rotor ausübt. Dadurch muss der Bediener ein hohes Drehmoment auf das Stellelement ausüben, um das Stellelement verdrehen zu können. Das Stellelement fühlt sich beispielsweise schwergängig an. Die erhöhte Widerstandscharakteristik kann einen Zustand des magnetorheologischen Mediums repräsentieren, in dem das magnetorheologische Medium der Drehbewegung des Rotors einen gegenüber dem hohen Drehwiderstand nochmals erhöhten Drehwiderstand entgegensetzt, also ein sehr hohes Bremsmoment auf den Rotor ausübt. Dadurch muss der Bediener ein gegenüber dem hohen Drehmoment nochmals erhöhtes Drehmoment auf das Stellelement ausüben, um das Stellelement verdrehen zu können. Der erhöhte Drehwiderstand kann auch so groß sein, dass das Stellelement gesperrt ist.
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Bei der unbestromten Bestromungsart kann der Permanentmagnet ein erstes Magnetfeld bewirken. Bei der ersten Bestromungsart kann es sich um eine gleichläufige Bestromung der Spule handeln, die ein zweites Magnetfeld bewirkt. Bei der zweiten Bestromungsart kann es sich um eine gegenläufige Bestromungsart der Spule handeln, die ebenfalls ein zweites Magnetfeld bewirkt. Unter einem Permanentmagneten kann ein Dauermagnet verstanden werden, der unabhängig von einer Bestromung ein Magnetfeld erzeugen kann. Der Permanentmagnet weist einen Nordpol und einen Südpol auf. Bei magnetischen Nordpolen kann es sich um Gebiete handeln, aus denen Feldlinien austreten. Gebiete, in denen die Feldlinien eintreten, werden als Südpole bezeichnet. Bei der Spule kann es sich um ein elektrisches Bauelement handeln, das Windungen aufweist, um bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen.
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Der hier vorgestellte Ansatz, der auch als Stellelement mit magnetischer Feldverdrängung bezeichnet werden kann, schafft insbesondere eine Vorrichtung, bei der ein oder mehrere Permanentmagneten von MRF umflossen sind und eine Anbindung des Magnetfeldes an den Stator bzw. den Rotor durch eine ortsfeste Spule verhindert werden kann, wobei eine magnetische Trennung im MRF-Wirkbereich erreicht werden kann. Die Verwendung von Permanentmagneten in einem MRF-Aktor kann hinsichtlich der energetischen Effizienz, dem Absetzungsverhalten, der MR-Partikel im Fluid sowie dem Verhalten im stromlosen Fall Vorteile bieten. Bei dem hier vorgestellten Ansatz benötigen die Magnetkreise verhältnismäßig wenig Bauraum. Zudem können Restmagnetfelder im MRF zu einem geringen Leerlaufmoment führen, wenn das Magnetfeld des Permanentmagneten verdrängt wird.
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Die Spule kann ausgebildet sein, um bei einer ersten Bestromungsart das zweite Magnetfeld gleichläufig zum ersten Magnetfeld zu erzeugen, um das magnetorheologische Medium in den Ruhezustand zu versetzen. In dem Ruhezustand kann eine geringe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt werden. Dies bietet den Vorteil, dass der Rotor auf einfache Weise drehbar gemacht werden kann.
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Die Spule kann ausgebildet sein, um bei einer zweiten Bestromungsart das zweite Magnetfeld gegenläufig zum ersten Magnetfeld zu erzeugen, um das magnetorheologische Medium in den erhöhten Aktivierungszustand zu versetzen. In dem erhöhten Aktivierungszustand kann eine erhöhte Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt werden. Dies bietet den Vorteil, dass der Rotor auf zuverlässige Weise nicht, wenig oder kaum drehbar gemacht werden kann.
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Die Spule kann bei einer unbestromten Bestromungsart unbestromt sein, wobei lediglich das erste Magnetfeld auf den Zwischenraum wirken kann. Dies bietet den Vorteil, dass mit minimalem Aufwand ein Aktivierungszustand bewirkt wird, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirken kann. Der Rotor ist in dem Aktivierungszustand nicht drehbar. Der Aktivierungszustand kann durch einen Permanentmagneten bewirkt werden. Es ist dafür also keine Bestromung nötig.
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Der Permanentmagnet und zusätzlich oder alternativ die Spule können zumindest partiell von dem magnetorheologischen Medium umgeben sein. Das magnetorheologische Medium kann den Permanentmagneten an zumindest zwei Seiten umgeben und die Spule an zumindest einer Seite. Dies bietet den Vorteil, dass die Feldlinien des ersten und zusätzlich oder alternativ zweiten Magnetfeldes auf das magnetorheologische Medium wirken können.
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Der Permanentmagnet kann radial innerhalb der Spule an dem Rotor angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass eine einfache und platzsparende Bauweise realisiert werden kann, wobei abhängig von der Wirkweise des Magnetfeldes des Permanentmagneten und einer geeigneten Bestromung der Spule die Drehbewegung des Rotors gebremst bzw. gesperrt werden kann oder der Rotor drehbar sein kann.
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Der Permanentmagnet kann als Ringmagnet ausgeformt sein, wobei der Ringmagnet bezogen auf eine Drehachse des Rotors axial von der Spule beabstandet an dem Rotor angeordnet sein kann. Dies bietet den Vorteil, dass eine beidseitig von MRF umflossene Spule verwendet werden kann und somit höhere Bremsmomente ermöglicht werden können.
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Die Stellvorrichtung kann zumindest ein magnetisch leitendes Einfassungselement aufweisen, in dem der Permanentmagnet und zusätzlich oder alternativ die Spule aufgenommen ist. Das Einfassungselement kann zumindest einen Luftspalt aufweisen. Der Luftspalt kann ein Spalt des Einfassungselements entlang eines Umfangs desselben sein. Das Einfassungselement kann den Permanentmagneten und zusätzlich oder alternativ die Spule zuverlässig aufnehmen. Durch den zumindest einen Luftspalt können Magnetflusspfade vorteilhaft beeinflusst werden.
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Die Stellvorrichtung kann eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweisen, wobei die Permanentmagneten als Wälzkörper ausgeformt sein können. Die Permanentmagneten können in dem Zwischenraum angeordnet sein. Jeder Wälzkörper kann einen Permanentmagneten und ein magnetisch leitendes Einfassungselement zum Einfassen des Permanentmagneten aufweisen. Das Einfassungselement kann zusammen mit dem Permanentmagneten einen Wälzkörper repräsentieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein genau definiertes Bremsmoment bzw. ein genau definierter Betätigungswiderstand eingestellt werden kann.
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Der Stator und zusätzlich oder alternativ der Rotor können eine Mehrzahl von Vorsprungselementen aufweisen. Die Vorsprungselemente können ausgeformt sein, um bei einer Drehbewegung des Rotors relativ zu dem Stator eine mechanische Belastung, insbesondere eine Scherbelastung, auf das magnetorheologische Medium ausüben zu können. Auf diese Weise kann ein Betätigungswiderstand der Stellvorrichtung in Aktivierungszuständen des MRF weiter erhöht werden.
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Die Stellvorrichtung kann einen Versorgungsanschluss zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben der Spule und eine Schalteinrichtung aufweisen. Die Schalteinrichtung kann ausgebildet sein, um abhängig von der Bestromungsart unterschiedliche Verschaltungen zwischen dem Versorgungsanschluss und Anschlüssen der Spule bewirken zu können. Dies bietet den Vorteil, dass ein einfacher Wechsel zwischen der ersten Bestromungsart und der zweiten Bestromungsart erfolgen kann.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform einer hierin genannten Stellvorrichtung weist einen Schritt des Bestromens der Spule mit der ersten Bestromungsart und einen Schritt des Bestromens der Spule mit der zweiten Bestromungsart auf. Im Schritt des Bestromen der Spule mit der ersten Bestromungsart wird das zweite Magnetfeld gleichläufig zu dem ersten Magnetfeld erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Ruhezustand zu versetzen. Zusätzlich oder alternativ wird im Schritt des Bestromens der Spule mit der zweiten Bestromungsart das zweite Magnetfeld gegenläufig zu dem ersten Magnetfeld erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den erhöhten Aktivierungszustand zu versetzen.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen des Steuergeräts umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 7 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 8 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Stellvorrichtung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Stellvorrichtung 100 für ein Fahrzeug. Die Stellvorrichtung 100 ist beispielsweise dazu ausgebildet, um eine beliebige Fahrzeugfunktion des Fahrzeugs zu bedienen. Beispielsweise kann die Stellvorrichtung 100 durch einen Insassen des Fahrzeugs manuell betätigt werden, z. B. über ein Stellelement. Die Stellvorrichtung 100 weist einen Rotor 105, einen Stator 110, ein magnetorheologisches Medium 115, einen Permanentmagneten 120 und eine Spule 125 auf.
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Der Rotor 105 ist mit einem Stellelement koppelbar, welches in 1 nicht gezeigt ist. Der Rotor 105 ist relativ zu dem Stator 110 drehbar gelagert. Der Rotor 105 ist außenliegend und der Stator 110 ist innenliegend angeordnet. Ferner ist eine Drehachse 130 des Rotors 105 dargestellt.
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Das magnetorheologische Medium 115 ist in einem Zwischenraum 135 zwischen Rotor 105 und Stator 110 angeordnet. Das magnetorheologische Medium 115 ist ausgebildet, um abhängig von einem auf den Zwischenraum 135 wirkenden Magnetfeld unterschiedliche Zustände einzunehmen, die unterschiedliche Widerstandscharakteristiken für eine Drehbewegung des Rotors 105 bewirken.
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Der Permanentmagnet 120 ist ausgebildet, um ein auf den Zwischenraum 135 wirkendes erstes Magnetfeld 140 zu erzeugen. Das erste Magnetfeld 140 versetzt das magnetorheologische Medium 115 in einen Aktivierungszustand, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors 105 bewirkt. Das magnetorheologische Medium 115 verfestigt sich im Aktivierungszustand, sodass die hohe Widerstandscharakteristik die Drehbewegung des Rotors 105 verhindert. Der Permanentmagnet 120 ist axial entlang der Drehachse 130 des Rotors 105 an dem Rotor 105 angeordnet und weist einen Südpol und einen Nordpol auf. Der Permanentmagnet 120 ist teilweise von dem magnetorheologischen Medium 115 umgeben. Genauer gesagt umgibt das magnetorheologische Medium 115 den Permanentmagneten 120 von zwei Seiten. Der Permanentmagnet 120 bildet unabhängig von einer Bestromung das erste Magnetfeld 140. 1 zeigt dementsprechend eine unbestromte Bestromungsart 145. Permanentmagnete werden in MRF-Aktoren beispielsweise verwendet, um eine Grundmagnetisierung und somit ein Grundmoment aufzubauen oder auch um das MRF in bestimmten Bereichen des Aktors gezielt festzuhalten oder von diesen fern zu halten.
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Die Spule 125 ist an dem Stator 110 angeordnet. Die Spule 125 ist ausgebildet, um abhängig von einer Bestromungsart ein zweites Magnetfeld zu erzeugen. Das zweite Magnetfeld ist in 1 nicht dargestellt, da die Spule 125 in 1 unbestromt ist. Dementsprechend wirkt in 1 lediglich das erste Magnetfeld 140 auf den Zwischenraum 135 und auf das in dem Zwischenraum 135 befindliche magnetorheologische Medium 115. Die Spule 125 weist einen Versorgungsanschluss 150 auf. Der Versorgungsanschluss 150 ist ausgebildet, um elektrische Energie zum Betreiben der Spule 125 bereitzustellen.
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Die Stellvorrichtung 100 weist zumindest ein Dichtelement 155 auf. Das Dichtelement 155 ist angrenzend an den Zwischenraum 135 zwischen Stator 110 und Rotor 105 angeordnet. Das Dichtelement 155 ist ausgebildet, um ein Austreten des magnetorheologischen Mediums 115 aus dem Zwischenraum 135 in eine Umgebung der Stellvorrichtung 100 zu verhindern. Das Dichtelement 155 kann beispielsweise als Dichtring ausgeformt sein.
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Der Permanentmagnet 120 ist in einem magnetisch leitenden Einfassungselement 160 aufgenommen. Das Einfassungselement 160 weist einen Luftspalt 165 auf. Der Luftspalt 165 ist als eine Lücke oder ein Zwischenraum entlang eines Umfangs des Einfassungselements 160 ausgeformt. Das Einfassungselement 160 ist beispielsweise zweiteilig ausgeführt, wobei der Luftspalt 165 zwei Teile voneinander trennt. Der Permanentmagnet 120 ist mittels des Einfassungselements 160 eingefasst.
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In 1 bildet der Permanentmagnet 120 das erste Magnetfeld 140 aus, die Spule 125 ist unbestromt, sodass die Spule 125 kein Magnetfeld 140 ausbildet. Der Permanentmagnet 120 bildet unabhängig von einer Bestromung das erste Magnetfeld 140 aus. Das erste Magnetfeld 140 erstreckt sich in 1 über den Zwischenraum 135 und wirkt auf den Zwischenraum 135. Das magnetorheologische Medium 115 wird in dem Zwischenraum 135 durch das erste Magnetfeld 140 in einen Aktivierungszustand versetzt, sodass eine hohe Widerstandcharakteristik entsteht. Der Aktivierungszustand bewirkt ein Verformen des magnetorheologischen Mediums 115 in einen festen Zustand, sodass die hohe Widerstandscharakteristik eine Drehbewegung des Rotors 105 verhindert. Das magnetorheologische Medium 115 ist im Zwischenraum 135 fest, sodass sich der Rotor 105 nicht oder kaum drehen kann, der Rotor 105 wird gebremst. Dieser Zustand liegt in einem unbestromten Zustand vor.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die in 1 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung. In 2 ist die Spule 125 mit einer ersten Bestromungsart 200 bestromt, sodass die Spule 125 das zweite Magnetfeld 205 gleichläufig zum ersten Magnetfeld 140 des Permanentmagneten 120 erzeugt. Somit entspricht die Darstellung in 2 der Darstellung aus 1 mit Ausnahme dessen, dass eine andere Bestimmungsart vorliegt und somit Magnetfeldlinien anders verlaufen.
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Das zweite Magnetfeld 205 der Spule 125 beeinflusst durch die gleichläufige Bestromung das erste Magnetfeld 140 des Permanentmagneten in dem Zwischenraum 135 derart, dass das magnetorheologische Medium 115 in einen Ruhezustand versetzt wird. Das magnetorheologische Medium 115 ist in dem Ruhezustand flüssig. Der Ruhezustand bewirkt somit eine geringe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors 105. Der Rotor 105 ist daher in dem Ruhezustand drehbar. In 2 bildet sich eine Trennfläche 210 zwischen dem ersten Magnetfeld 140 und dem zweiten Magnetfeld 205. Das erste Magnetfeld 140 verdrängt das zweite Magnetfeld 205 in Richtung des Permanentmagneten 120, sodass das magnetorheologische Medium 115 nicht beeinflusst wird, da das erste Magnetfeld 140 und das zweite Magnetfeld 205 nicht mehr auf das magnetorheologische Medium 115 wirken, wenn die Spule 125 mit der ersten Bestromungsart 200 bestromt wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Spule 125 mit einer zweiten Bestromungsart bestromt werden, die in 2 nicht dargestellt ist. Durch die zweite Bestromungsart wird das zweite Magnetfeld 205 gegenläufig zu dem ersten Magnetfeld 140 erzeugt. Das zweite Magnetfeld 205 beeinflusst durch die gegenläufige Bestromung das erste Magnetfeld 140 in dem Zwischenraum 135 derart, dass das magnetorheologische Medium 115 in einen erhöhten Aktivierungszustand versetzt wird. Der erhöhte Aktivierungszustand bewirkt eine erhöhte Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors 105. Dies bedeutet, dass die Drehbewegung des Rotors 105 stärker verhindert wird, als wenn eine hohe Widerstandcharakteristik auf den Rotor 105 wirkt, wie sie in 1 beschrieben ist. Die hohe Widerstandscharakteristik liegt zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der erhöhten Widerstandscharakteristik.
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Der Stator 110 und/oder der Rotor 105 weisen gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Vorsprungselementen auf, die in 2 nicht gezeigt sind. Die Vorsprungselemente sind ausgeformt, um bei einer Drehbewegung des Rotors 105 relativ zu dem Stator 110 eine Scherbelastung oder eine andere mechanische Belastung auf das magnetorheologische Medium 115 auszuüben. Auf diese Weise wird bei unbestromter Spule 125 und/oder bei der zweiten Bestromungsart die Widerstandscharakteristik weiter erhöht.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die in 1 und 2 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung.
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In 3 ist eine Trennlinie 300 dargestellt, die mittig durch die Stellvorrichtung 100 verläuft und exemplarisch mit der Drehachse des Rotors 105 zusammenfällt. Die Trennlinie 300 fungiert rein zu Veranschaulichungszwecken als Trennung der Stellvorrichtung 100, wobei links in 3 die unbestromte Bestromungsart 145 dargestellt ist und rechts in 3 die erste Bestromungsart 200 dargestellt ist.
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Gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 120 als ein Ringmagnet ausgeformt. Der Ringmagnet 120 ist bezogen auf eine Drehachse des Rotors 105 axial von der Spule 125 beabstandet an dem Rotor 105 angeordnet.
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Die Spule 125 ist teilweise von dem magnetorheologischen Medium 115 umgeben. Genauer gesagt umgibt das magnetorheologische Medium 115 die Spule 125 von drei Seiten.
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In der unbestromten Bestromungsart wirkt das erste Magnetfeld 140 auf den Zwischenraum 135 und das darin angeordnete magnetorheologische Medium 115. Das erste Magnetfeld 140 versetzt das magnetorheologische Medium 115 in einen Aktivierungszustand, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors 105 bewirkt. Der Rotor 105 ist in diesem Zustand nicht drehbar.
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In der ersten Bestromungsart 200 wirkt das zweite Magnetfeld 205 auf das erste Magnetfeld 140. Das zweite Magnetfeld 205 beeinflusst durch die gleichläufige Bestromung das erste Magnetfeld 140 in dem Zwischenraum 135 derart, dass das magnetorheologische Medium 115 in einen Ruhezustand versetzt wird. Das magnetorheologische Medium 115 ist in dem Ruhezustand flüssig. Der Ruhezustand bewirkt somit eine geringe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors 105. Der Rotor 105 ist daher in dem Ruhezustand drehbar.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die in 1 bis 3 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung. Im Gegensatz zu den vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen weist die Stellvorrichtung 100 gemäß dem 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Permanentmagneten 120 auf, die als Wälzkörper 405 ausgeformt sind und in dem Zwischenraum 135 angeordnet sind.
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In 4 ist eine Trennlinie 300 dargestellt, die mittig durch die Stellvorrichtung 100 verläuft und exemplarisch mit der Drehachse des Rotors 105 zusammenfällt. Die Trennlinie 300 fungiert rein zu Veranschaulichungszwecken als Trennung der Stellvorrichtung 100, wobei links in 4 die erste Bestromungsart 200 dargestellt ist und rechts in 3 die zweite Bestromungsart 400 dargestellt ist, wie sie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist.
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Die Permanentmagneten 120 und die Spule 125 sind zumindest teilweise von dem magnetorheologischen Medium 115 umgeben. Genauer gesagt umgibt das magnetorheologische Medium 115 die Permanentmagneten 120 von vier Seiten und die Spule 125 von drei Seiten.
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Die Stellvorrichtung 100 weist magnetisch leitende Einfassungselemente 160 auf. In den Einfassungselementen 160 sind die Permanentmagnete 120 und die Spule 125 aufgenommen. Jeweils ein Einfassungselement 160 und ein Permanentmagnet 120 bilden zusammen einen Wälzkörper 405. jedes Einfassungselement 160 weist mindestens einen Luftspalt 165 auf.
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Bei der ersten Bestromungsart 200 wird der Wälzkörper 405 durch die bezogen auf die Magnetisierung der Permanentmagnete 120 gleichläufige Magnetisierung der Spule 125 radial nach außen an den Rotor 105 bewegt. Dadurch wird das magnetorheologische Medium 115 in den Ruhezustand versetzt und bewirkt eine geringe Widerstandscharakteristik, sodass der Rotor 105 drehbar ist.
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Bei der zweiten Bestromungsart 400 wird der Wälzkörper 405 durch die bezogen auf die Magnetisierung der Permanentmagnete 120 gegenläufige Magnetisierung der Spule 125 radial in Richtung zu dem Stator 110 bewegt und/oder in dem Zwischenraum 135 zwischen dem Rotor 105 und dem Stator 110 gehalten. Dadurch wird das magnetorheologische Medium 115 in einen erhöhten Aktivierungszustand versetzt und bewirkt eine erhöhte Widerstandscharakteristik, sodass der Rotor 105 nicht oder kaum Betriebsweise nur wenig drehbar ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die Stellvorrichtung 100 aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren oder eine ähnliche Stellvorrichtung. Gezeigt ist die auch in 2 beschriebene erste Bestromungsart der Spule 125 der Stellvorrichtung 100.
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Die Stellvorrichtung 100 weist ein Steuergerät 500, einen Versorgungsanschluss 150 und eine Schalteinrichtung 505 auf. Ferner sind die Spule 125 und ein Permanentmagnet 120 gezeigt. Der Versorgungsanschluss 150 ist ausgebildet, um elektrische Energie einzuspeisen, um die Spule 125 zu betreiben. Die Schalteinrichtung 505 ist zwischen den Versorgungsanschluss 150 und der Spule 125 geschaltet. Das Steuergerät 500 ist signalübertragungsfähig mit der Schalteinrichtung 505 verbunden. Das Steuergerät 500 ist ausgebildet, um ein erstes Steuersignal 510 zum Bewirken der ersten Bestromungsart an die Schalteinrichtung 505 auszugeben. Die Schalteinrichtung 505 ist ausgebildet, um für die erste Bestromungsart ansprechend auf das erste Steuersignal 510 eine erste Verschaltung zwischen dem Versorgungsanschluss 150 und den Anschlüssen der Spule 125 zu bewirken. Die erste Verschaltung bewirkt eine bezogen auf die Magnetisierung des Permanentmagneten 120 gleichläufige Magnetisierung der Spule 125.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die Stellvorrichtung 100 aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren oder eine ähnliche Stellvorrichtung. Die Darstellung in 6 entspricht hierbei der Darstellung aus 5 mit Ausnahme dessen, dass hier die zweite Bestromungsart der Spule 125 der Stellvorrichtung 100 gezeigt ist, wie sie in vergleichbarer Hinsicht unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist.
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Das Steuergerät 500 ist ausgebildet, um für die zweite Bestromungsart ein zweites Steuersignal 600 an die Schalteinrichtung 505 auszugeben. Die Schalteinrichtung 505 ist ausgebildet, um für die zweite Bestromungsart ansprechend auf das zweite Steuersignal 600 eine zweite Verschaltung zwischen dem Versorgungsanschluss 150 und den Anschlüssen der Spule 125 zu bewirken. Die zweite Verschaltung bewirkt eine bezogen auf die Magnetisierung des Permanentmagneten 120 gegenläufige Magnetisierung der Spule 125.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die in 2 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung handeln. Die Bedienvor-richtung 100 ist beispielhaft an einem Lenkrad 700 eines Fahrzeugs angeordnet. An dem Rotor der Stellvorrichtung 100 ist beispielhaft das Stellelement 705 starr angeordnet. Das Stellelement 705 ist von einem Insassen des Fahrzeugs manuell durch eine Drehbewegung 710 betätigbar, genauer gesagt drehbar. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiel ist das Stellelement 705 Teil der Stellvorrichtung 100 oder mit der Stellvorrichtung 100 koppelbar.
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8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 800 zum Betreiben einer Stellvorrichtung. Die Stellvorrichtung entspricht oder ähnelt hierbei einer der in einer der 1 bis 7 beschriebenen Stellvorrichtungen. Das Verfahren 800 ist insbesondere mittels des Steuergeräts, des Versorgungsanschlusses und der Schalteinrichtung aus 5 und/oder 6 oder dergleichen ausführbar. Das Verfahren 800 weist einen Schritt 805 des Bestromens mit einer ersten Bestromungsart und einen Schritt 810 des Bestromens mit einer zweiten Bestromungsart auf.
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Im Schritt 805 des Bestromens der Spule mit der ersten Bestromungsart, wird das zweite Magnetfeld gleichläufig zu dem ersten Magnetfeld erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Ruhezustand zu versetzen. Im Schritt 810 des Bestromens der Spule mit der zweiten Bestromungsart wird das zweite Magnetfeld gegenläufig zu dem ersten Magnetfeld erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den erhöhten Aktivierungszustand zu versetzen.
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Die Schritte 805, 810 können in beliebiger Reihenfolge wiederholt ausgeführt werden. Bei der Ausführung des Schrittes 805 des Bestromens der Spule mit der ersten Bestromungsart befindet sich das magnetorheologische Medium im Ruhezustand. Bei der Ausführung des Schrittes 810 des Bestromens der Spule mit der zweiten Bestromungsart befindet sich das magnetorheologische Medium in dem erhöhten Aktivierungszustand. Wenn die Spulen stromlos geschaltet werden, befindet sich das magnetorheologische Medium in einem Aktivierungszustand.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren die bereits genannten Ausführungsbeispiele zusammengefasst kurz erläutert.
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Um einen möglichst simplen Aufbau des Aktors zu ermöglichen, ist ein Permanentmagnet 120 als Rotor 105 bzw. Teil des Rotors 105 vom magnetorheologischen Medium 115, das auch als MR-Fluid bezeichnet werden kann, umflossen, siehe 1. Die Begrenzung des mit magnetorheologischen Mediums 115 gefüllten Zwischenraums 135 des Stators 110 bildet eine Spule 125, die vollständig mit magnetisch leitendem Material umschlossen ist. Der magnetische Kreis ist derart ausgelegt, dass im unbestromten Zustand der magnetische Fluss über die magnetisch leitfähigen Komponenten des Stators 110 und somit auch über den MRF-Spalt geschlossen wird, wodurch ein Bremsmoment entsteht. Wird die Spule 125 entgegen der Feldrichtung des Permanentmagneten 120 bestromt, siehe 2, kann der magnetische Fluss aufgrund des Systemdesigns bzw. des Aufbaus der Stellvorrichtung 100 nicht mehr oder nicht vollständig über den Stator 110 geschlossen werden. Bei einer vollständigen Verdrängung des magnetischen Feldes des Permanentmagneten 120 bildet sich eine Trennfläche 210 zwischen den magnetischen Feldbereichen im magnetorheologischen Medium 115 aus, bei der eine direkte Wechselwirkung der Partikel untereinander verhindert ist. Der Rotor 105 kann somit frei drehen. Je nach Design kann eine entgegen der Feldrichtung des Permanentmagneten 120 gerichtete Bestromung der Spule 125 das erreichbare Bremsmoment zusätzlich steigern, siehe 4. Dieser Aufbau ist insbesondere für kleinere Aktoren mit geringeren Anforderungen an das maximale Bremsmoment vorteilhaft.
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Der Wirkbereich des Aktors kann als reiner Scheraktor, mit speziellen Geometrien, z. B. Zahnstrukturen, Sternstrukturen oder Fächerstrukturen oder auch mit zusätzlichen Wälzkörpern realisiert werden. Neben der Verwendung eines zylindrischen Permanentmagneten 120 sind auch andre Formen konzeptionell möglich. Bei der Verwendung eines Ringmagneten, siehe 3, kann beispielsweise eine beidseitig von magnetorheologischen Medium 115 umflossene Spule 125 verwendet werden, wodurch tendenziell höhere Bremsmomente erzeugt werden. Für die Realisierung größerer Aktoren nach dem Wälzkörperprinzip ist eine Verwendung von Permanentmagneten 120 als Wälzkörper 405 bzw. Teil der Wälzkörperrealisierung zielführend, siehe 4. In einer derartigen Ausführung können die im magnetorheologischen Medium 115 beweglichen Wälzkörper 405 durch eine gleichläufige Magnetisierung der zentral angeordneten Spule 125 nach außen an den Rotor 105 gedrückt werden. Der Aktor dreht in diesem Fall frei. Wird die Spule 110 in gleicher Ausrichtung wie der Permanentmagnet 120 magnetisiert, werden die Wälzkörper 405 zum Stator 110 gezogen. Auf Grund des magnetischen Designs der Systemkomponenten ist es möglich, die Wälzkörper 405 derart zwischen Rotor 105 und Stator 110 zu halten, dass ein definiertes Bremsmoment erzeugt wird. Alternativ zu einem Design mit einer im Zentrum des Aktors platzierten Spule 125 ist auch die Verwendung einer Spule 125 am äußeren Durchmesser oder die Verwendung beispielsweise zweier Spulen realisierbar.
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Bezugszeichen
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- 100
- Stellvorrichtung
- 105
- Rotor
- 110
- Stator
- 115
- magnetorheologisches Medium
- 120
- Permanentmagnet
- 125
- Spule
- 130
- Drehachse
- 135
- Zwischenraum
- 140
- erstes Magnetfeld
- 145
- unbestromte Bestromungsart
- 150
- Versorgungsanschluss
- 155
- Dichtelement
- 160
- Einfassungselement
- 165
- Luftspalt
- 200
- erste Bestromungsart
- 205
- zweites Magnetfeld
- 210
- Trennfläche
- 300
- Trennlinie
- 400
- zweite Bestromungsart
- 405
- Wälzkörper
- 500
- Steuergerät
- 505
- Schalteinrichtung
- 510
- erstes Steuersignal
- 600
- zweites Steuersignal
- 700
- Lenkrad
- 705
- Stellelement
- 710
- Drehbewegung
- 800
- Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung
- 805
- Schritt des Bestromens
- 810
- Schritt des Bestromens
