DE112006002553T5

DE112006002553T5 - Lineares Stellglied

Info

Publication number: DE112006002553T5
Application number: DE112006002553T
Authority: DE
Inventors: Keith Croughton Ramsay; Andrew Leamington Spa Turner; Richard Edward Lower Walkley Clark
Original assignee: Ricardo UK Ltd
Current assignee: Ricardo UK Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-08-21
Also published as: WO2007034195A1; US20080220930A1; US7898121B2

Abstract

Lineares Stellglied mit einem Stator und einem elektrisch betätigbaren beweglichen Magnetanker innerhalb des Stators, wobei der Anker einen Kern und Permanentmagnetringe aufweist, die in zueinander entgegengesetzter magnetischer Polarität um den Kern herum angeordnet sind, wobei der Stator mehrere Spulen aufweist, die den Permanentmagnetringen zugeordnet und konzentrisch dazu angeordnet sind und in zueinander entgegengesetzter Polarität verbunden sind, so dass der Anker bei einer elektrischen Erregung der Spulen in der axialen Richtung des Stators beweglich ist, und wobei der Stator Abschnitte aufweist, die einen Luftspalt zwischen den Spulen und dem Anker definieren.

Description

Die Erfindung betrifft lineare Stellglieder oder Aktoren und insbesondere, aber nicht ausschließlich, lineare Stellglieder zur Verwendung in Gangschaltmechanismen von Fahrzeuggetrieben, z. B. in automatischen Handschaltgetrieben.
Herkömmliche Mehrganggetriebe von Fahrzeugen sind bekannt und weisen im Allgemeinen mehrere Zahnradpaare auf, die durch den Fahrer über einen Gangschalthebel bei Bedarf auswählbar sind. Die Auswahl des Übersetzungsverhältnisses erfolgt allgemein über eine "Schiene", die ausgehend von einer neutralen oder Leerlaufposition axial beweglich ist, um ein freies oder nicht eingerücktes Zahnrad über eine Synchronisationsnabe mit einer Welle in Eingriff zu bringen. Typischerweise sind in einem Getriebe mit fünf Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang drei doppeltwirkende Schienen vorgesehen.
Automatikgetriebe für Fahrzeuge basieren herkömmlich auf mehreren Planetengetriebezügen, wobei spezifische Komponenten davon stationär gehalten werden, um einen gewünschten Drehmomentpfad bereitzustellen. Es werden typischerweise hydraulisch betätigte Bremsbänder und/oder Mehrscheibenkupplungen bereitgestellt. Durch eine durch eine Transmissionseinrichtung angetriebene Ölpumpe wird typischerweise ein Hydraulikfluid unter Druck zugeführt, und ein Übersetzungsverhältnis wird durch einen Controller und einen Ventilblock mit mehreren Schieberventilen ausgewählt. Derartige Automatikgetriebe sind weniger effizient als entsprechende Handschaltgetriebe, nicht zuletzt aufgrund der Leistungsanforderungen der Pumpe. Herkömmliche Automatikgetriebe sind außerdem großformatig oder voluminös und können zu Schwierigkeiten beim Einbau führen, wenn der Installationsraum begrenzt ist. Infolgedessen haben Fahrzeuge mit Automatikgetriebe möglicherweise weniger Schalt- oder Gangstufen als Fahrzeuge mit Handschaltgetriebe.
In jüngster Zeit sind automatische Handschaltgetriebe entwickelt worden, in denen der Kupplungseinrückvorgang und die Übersetzungsänderung unter der Steuerung eines oder mehrerer Stellglieder implementiert werden. Insbesondere kann ein derartiges Getriebe einem Handschaltgetriebe im Wesentlichen ähnlich sein, es weist jedoch einen Controller und Stellglieder auf, die betätigt werden, um herkömmliche Schaltschienen zu bewegen.
Es sind hydraulische Stellglieder vorgeschlagen worden, die aufgrund der großen erzielbaren Kraftdichte in hohem Maße geeignet sind. Derartige Stellglieder sind bekannt und basieren auf einer ausgereiften Technik. Die erforderliche Pumpe kann in verschiedenen Positionen oder Lagen montiert werden, so dass Raumeinschränkungen überwunden werden können. Der Gesamtleistungsverbrauch bleibt jedoch hoch; es existiert ein Restleistungsverlust, weil die Pumpe durch die Transmissionseinrichtung ununterbrochen angetrieben wird, und es besteht die damit verbundene Gefahr, dass sowohl innere als auch äußere Lecks entstehen.
Es besteht ein Bedarf für eine alternative Einrichtung zum Bewegen einer Getriebeauswahlschiene, die vorzugsweise einen niedrigen Gesamtleistungsverbrauch, eine hohe Kraftdichte und/oder einen minimalen oder Null-Leistungsverbrauch in einem passiven Zustand (Nichtbewegungszustand) hat.
Erfindungsgemäß wird ein lineares Stellglied mit einem Stator und einem elektrisch betätigbaren beweglichen Magnetanker innerhalb des Stators bereitgestellt, wobei der Anker einen Kern und Permanentmagnetringe aufweist, die in entgegengesetzter magnetischer Polarität um den Kern herum angeordnet sind, wobei der Stator mehrere den Permanentmagnetringen zugeordnet angeordnete Spulen aufweist, und wobei der Anker bei einer elektrischen Erregung der Spulen in der axialen Richtung des Stators beweglich ist.
Der Ausdruck "Ring" soll nicht auf Gegenstände mit kreisförmigem Querschnitt beschränkt sein. Die Permanentmagnetringe haben zwar vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, sie können jedoch auch einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweisen, z. B. einen fünfeckigen, sechseckigen oder achteckigen Querschnitt. Die Permanentmagnetstrukturen des Ankers sind vorzugsweise rohrförmig.
Zwischen dem Anker und dem Stator ist ein axialer Zwischenraum vorhanden, um zu ermöglichen, dass der Anker sich bezüglich des Stators bewegen kann. In den bevorzugten Ausführungsformen definiert der Stator beispielsweise einen weiteren Luftspalt, durch den die Spule innerhalb des Statorkörpers vom Anker radial beabstandet ist.
Vorzugsweise weist der Stator Abschnitte aus einem magnetischen Material auf, die sich innerhalb der Spulen radial erstrecken, z. B. auf beiden Seiten jeder Spule. Noch bevorzugter weist der Stator gegenüberliegende Vorsprünge aus einem magnetischen Material auf, die sich unter jeder Spule axial zueinander hin erstrecken.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator axial gegenüberliegende Spitzenabschnitte auf, die durch einen Luftspalt getrennt sind und sich unter den Spulen zueinander hin erstrecken. Die Spitzenabschnnitte können beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt oder eine sich verjüngende Struktur haben. Die Vorsprünge, und insbesondere die Spitzenabschnitte, können derart konfiguriert sein, dass die Flusskopplung zwischen den Spulen und dem sich bewegenden Magnetanker verbessert wird, wodurch der Wirkungsgrad und das dynamische Ansprechverhalten des linearen Stellglieds verbessert werden.
Das lineare Stellglied hat vorzugsweise eine rohrförmige Konfiguration. Die Spulen sind vorzugsweise konzentrisch zu den Permanentmagnetringen angeordnet. In bevorzugten Ausführungsformen ist das lineare Stellglied für eine der Spule zuzuführende Einphasenleistung konfiguriert, und die Spulen sind vorzugsweise in entgegengesetzter Polarität miteinander verbunden.
Der oder jeder Permanentmagnetring weist vorzugsweise eine im Wesentlichen radial magnetisierte Struktur auf. Jeder Ring kann aus einer Anordnung oder Reihe bogenförmiger Permanentmagnete gebildet werden, die beispielsweise um den Umfang eines rohrförmigen Kerns Stoß an Stoß angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Spule in einer ringförmigen Vertiefung im Stator angeordnet, wobei die Vertiefung einen Luftspalt zwischen der Spule und dem Anker definiert. Die Vertiefung kann die Form eines halb geschlossenen Schlitzes im Körper des Stators annehmen.
Der Kern besteht vorzugsweise aus einem magnetischen Material, z. B. aus Flussstahl bzw. Weicheisen oder einer Kobalt-Eisen-Legierung, er kann jedoch auch einen Kunststoffträger für die Magnetringe aufweisen, oder eine feste Struktur, um die die Ringe für eine axiale Bewegung relativ dazu angeordnet sind.
Die Permanentmagnetringe sind vorzugsweise axial voneinander beabstandet. In einer ersten Ausführungsform sind auf dem Kern ein Paar axial beabstandete Ringe angeordnet. Diese Ringe haben vorzugsweise die gleichen Außenabmessungen. In einer anderen Ausführungsform sind vier Ringe axial beabstandet angeordnet, wobei vorzugsweise die axiale Länge des inneren Rings doppelt so groß ist wie die axiale Länge des äußeren Rings. Vorzugsweise ist jedem Permanentmagnetring eine separate Spule konzentrisch zugeordnet. Die Anzahl der Spulen entspricht vorzugsweise der Anzahl der Ringe.
Vorzugsweise weist der Stator ein rohrförmiges, vorzugsweise zylindrisches Gehäuse auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse dicht angepasste Endkappen auf, die vorzugsweise aus einem unmagnetischen Material, wie beispielsweise Aluminium, hergestellt sind, durch die Enden des Ankers gleitend hervorstehen. Diese Ankerenden sind in einer bevorzugten Ausführungsform zylindrisch ausgebildet und haben den gleichen Durchmesser. Zwischen den Endkappen und den Ankerenden kann eine Dichtung angeordnet sein, um zu verhindern, dass Verunreinigungen in das Innere des Stators gelangen.
Der Anker erstreckt sich vorzugsweise in der axialen Richtung des Stators, vorzugsweise konzentrisch zum Stator. Der Anker wird vorzugsweise in Lagern drehbar gehalten, beispielsweise in in den Endkappen des Statorgehäuses angeordneten Lagerbuchsen.
Der Anker kann einfach oder doppelt wirkend sein und kann ein oder mehrere Ausgangselemente oder -vorrichtungen, wie beispielsweise Kolben, Ausgangsstangen, Hydraulik- oder Pneumatikdruckleitungen oder andere derartige Kraftübertragungsvorrichtungen, aufweisen oder damit zusammenwirken.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein lineares Stellglied mit einem Stator und einem im Stator angeordneten, elektrisch betätigbaren, beweglichen Magnetanker bereitgestellt, wobei der Anker einen Kern mit darauf angeordneten gegenüberliegenden Permanentmagnetringen aufweist, der Stator mehrere den Ringen zugeordnete Spulen aufweist, und der Anker bei einer elektrischen Erregung der Spulen in der axialen Richtung des Stators beweglich ist.
Die erfindungsgemäßen elektromechanischen linearen Stellglieder sind zur Verwendung in Gangschaltanwendungen in Kraftfahrzeuggetrieben geeignet. Natürlich sind die erfindungsgemäßen linearen Stellglieder nicht nur auf Kraftfahrzeuganwendungen beschränkt, sondern auch zur Verwendung in verschiedenen anderen Linearantriebanwendungen geeignet. Trotzdem sind die erfindungsgemäßen linearen Stellglieder insbesondere zum Steuern von Ventilen und Stellgliedern in Hochtemperaturanwendungen geeignet, wo nur ein minimaler Installationsraum zur Verfügung steht, z. B. in Motoren und Kraftfahrzeuggetrieben. Die erfindungsgemäßen linearen Stellglieder können z. B. zum Steuern von Turbostellgliedern oder Abgasregelklappen- oder -ventilen verwendet werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern eines Automatikgetriebes bereitgestellt, wobei die Vorrichtung ein Stellglied zum Betätigen mindestens einer Auswahlwelle aufweist, wobei das Stellglied ein gleitend montiertes lineares elektromechanisches Stellglied ist.
Das Stellglied ist vorzugsweise derart verbunden, dass es direkt auf die Schaltschiene eines Fahrzeuggetriebes wirkt.
Das Stellglied weist vorzugsweise mindestens einen Elektromagnet und einen Permanentmagnet auf und ist vorzugsweise ein lineares elektromechanisches Stellglied mit einem rohrförmigen Querschnitt. Alternativ kann das rohrförmige lineare elektromechanische Stellglied einen nicht-kreisförmigen Querschnitt haben, z. B. einen quadratischen, ovalen oder dreieckigen Querschnitt.
Das Stellglied weist vorzugsweise auf der den Ankerkern bildenden Auswahlwelle eines Kraftfahrzeuggetriebes angeordnete Permanentmagnete auf.
Vorzugsweise weist das Stellglied mindestens einen Permanentmagnet auf, der Magneten des Ferrittyps Neodym-Eisen-Bor-Magnete oder Samarium-Kobalt-Magnete aufweist.
Andere Aspekte und Merkmale der Erfindung werden anhand der beigefügten Patentansprüche und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die nicht einschränkende Beispiele darstellen, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen deutlich; es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Teilquerschnittansicht einer zweipoligen linearen Stellgliedes;
2 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil des Ankers von 1 zum Darstellen der Richtung der radialen Magnetisierung der Permanentmagnete;
3 eine ähnliche Ansicht wie in 2 zum Darstellen des durch die Permanentmagnete erzeugten Magnetfeldes;
4 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil eines weiteren linearen Stellgliedes, das zur Verwendung in einem Fahrzeuggetriebe vorgesehen ist;
5 ein Beispiel einer Flusskopplung zwischen den erregten Spulen und dem Anker des Stellgliedes von 4;
6 eine ähnliche Ansicht wie in 1 zum Darstellen eines vierpoligen linearen Stellgliedes;
7 eine ähnliche Ansicht wie in 2 zum Darstellen der radialen Magnetisierung der Permanentmagnete auf dem Anker von 6;
8 eine ähnliche Ansicht wie in 7 zum Darstellen des durch die Permanentmagnete auf dem Anker von 6 erzeugten Magnetfeldes; und
9 ein Beispiel einer Flusskopplung zwischen den erregten Spulen und dem Anker des Stellgliedes von 6.
Zunächst wird auf ein in 1 dargestelltes, allgemein durch das Bezugszeichen 100 bezeichnetes lineares Stellglied Bezug genommen. Das Stellglied 100 weist einen innerhalb eines Statorkörpers 120 konzentrisch montierten, eletrisch betätigaren beweglichen Magnetanker 110 auf. Der Anker 110 ist bezüglich des Stators 120 axial beweglich, wenn er elektrisch erregt wird, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Der Anker 110 hat die Form eines rohrförmigen Kerns 112 aus massivem Weicheisenmaterial (obwohl ein beliebiges anderes magnetisches Material verwendbar ist, wie beispielsweise eine Kobalt-Eisen-Legierung). Auf dem Kern 112 sind zwei Permanentmagnetringe 114 mit identischen Abmessungen angeordnet. Die Ringe 114 sind unter Verwendung eines unmagnetischen Abstandselements in der Form eines (nicht dargestellten) Kunststoffrings voneinander beabstandet.
In der vorliegenden Ausführungsform besteht jeder Ring 114 aus vier 90°-Bögen aus NdFeB-Material. Die Enden 116 der Bögen liegen aneinander an, um eine kontinuierliche Buchse oder einen kontinuierlichen Ring um den Kern 112 zu bilden. Daher kann gesagt werden, dass der Anker 110 eine rohrförmige Permanentmagnetstruktur um den Kern 112 aufweist.
Jeder Bogen hat eine im wesentlichen radial magnetisierte Struktur. Außerdem sind die Ringe 114 in zueinander entgegengesetzter magnetischer Polarität angeordnet, wie in 2 dargestellt ist, wobei die Pfeile die allgemeine Richtung der radialen Magnetisierung anzeigen. 3 zeigt ein Beispiel des durch die Ringe 114 erzeugten Magnetfeldes, wobei die Symmetrie- und Drehachse des Ankers 110 durch X dargestellt ist.
In alternativen Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, drei 120°-Bögen, acht 45°-Bögen oder eine beliebige andere Anzahl von Bögen mit geeigneten Abmessungen zu verwenden, um die rohrförmige Permanentmagnetstruktur auf dem Kern 112 auszubilden. Es kann außerdem bevorzugt sein, ein einstückiges Rohr zu verwenden, das beispielsweise durch Abtragung oder Extrusion aus einem Drahtmaterial hergestellt wird.
Gemäß 1 ist ersichtlich, dass der Statorkörper 120 die Form eines zylindrischen Rohrs hat. Der Statorkörper 120 besteht aus einer äußeren Komponente 122, die aus einem magnetischen Material, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie dasjenige des Ankerkerns 112, hergestellt ist, und einer inneren Komponente 124, die ebenfalls aus einem magnetischen Material hergestellt ist, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie dasjenige des Ankerkerns 112.
Die innere Komponente 124 definiert mehrere ringförmige Nuten oder Vertiefungen 126 zum Aufnehmen jeweiliger elektromagnetischer Spulen 128. Jede Spule 128 ist auf einen Kunststoff-Spulenkörper 130 gewickelt und unter Verwendung einer Vergussmasse auf ihrem Spulenkörper gesichert. In der vorliegenden Ausführungsform ist jede Spule derart angeordnet, dass sie konzentrisch zum Anker 110 einem entsprechenden der Magnetringe 114 zugeordnet ist.
Die Spulen 128 können ohne einen Spulenkörper im Voraus gewickelt und miteinander vergossen werden, um eine strukturelle Stabilität zu erhalten, bevor sie auf dem Statorkörper 120 angeordnet werden. Die Wicklungen können auch direkt auf den Statorkörper 120 gewickelt werden.
Die Spulen 238 sind in der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise für eine Einphasenleistung konfiguriert, d. h., vom Stellglied 100 erstrecken sich zwei Drähte für eine Verbindung mit einer externen Einphasenleistungsquelle. Die Spulen können in Serie oder parallel geschaltet sein.
Einphasige Stellglieder haben den Vorteil, dass sie weniger kompliziert steuerbar und betätigbar sind als mehrphasige Stellglieder, sie können z. B. unter Verwendung relativ einfacher Algorithmen betätigt werden, sie erfordern weniger Schalter (z. B. MOSFETs), und sie benötigen keine mit der Steuerung mehrphasiger Vorrichtungen in Beziehung stehende Positionsrückkopplungsauflösung.
Der Statorkörper 120 weist vorzugsweise Anschlagelemente zum Begrenzen des axialen Versatzes des Ankers 110 auf. Die Anschlagelemente können beispielsweise die Form von Endkappen annehmen, die zum Einschließen des Ankers 110 innerhalb des Statorkörpers 120 bereitgestellt werden.
Die Spulen 128 sind mit einem zwischen jeder Spule 128 und dem Anker 110 klar definierten Luftspalt 132 im Statorkörper 120 angeordnet. Der Luftspalt 132 ist primär durch die innere Komponente 124 des Statorkörpers 120 definiert, wobei die Spulen 128 auch radial vom Anker 112 beabstandet sind.
In der vorliegenden Ausführungsform weisen die Seitenwände der Vertiefungen 126 axial gegenüberliegende Vorsprünge oder Spitzenabschnitte 134 auf, die sich unter ihren zugeordneten Spulen 128 zueinander hin erstrecken. Diese Spitzenabschnitte 134 sind durch einen Spalt mit der Breite d getrennt. Die Spitzenabschnitte 134 haben einen sich verjüngenden Querschnitt mit einer Wurzeldicke T und einer Enddicke t (die kleiner ist als die Wurzeldicke T). Jeder Spitzenabschnitt 134 endet in einer eine axiale Stirnfläche bildenden Schulter 136.
In einer alternativen Ausführungsform können die Spitzenabschnitte beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt haben, wobei die Dicke jedes Spitzenabschnitts entlang seiner axialen Länge gleich ist.
Die Spitzenabschnitte 134 sind dahingehend vorteilhaft, dass sie ein bequemes Abstandselement und eine Positionierungseinrichtung für die radiale Position der Spulen 128 bezüglich des Ankers 110 bilden. Wie dargestellt ist, werden die Spulenkörper 130 in der vorliegenden Ausführungsform auf den Spitzenabschnitten 134 gehalten.
Die Verwendung eines Stators 120 mit Abschnitten, die sich unter den jeweiligen Spulen 128 radial erstrecken, ist außerdem dahingehend vorteilhaft, dass dadurch die Spulenflusskopplung mit den Permanentmagneten erhöht wird, wenn die Spulen erregt sind. Daher ist ersichtlich, dass die Konfiguration des Stators, und insbesondere der sich axial erstreckenden Spitzenabschnitte, modifizierbar ist, um den Wirkungsgrad des Stellgliedes 100 zu erhöhen, so dass beispielsweise durch die Erhöhung der Spulenflusskopplung die zum Antreiben des Ankers 110 erforderliche zugeführte Leistung vermindert werden kann. Durch Vergrößern der axialen Länge der Spitzenabschnitte 134 wird außerdem die durch das Stellglied 100 erzielbare Kraft pro Stromeinheit verbessert.
Es ist jedoch außerdem wichtig, einen Abstand d zwischen den Spitzenabschnitten 134 aufrechtzuerhalten, um während Nullleistungsbedingungen Reluktanzkräfte innerhalb des Statorkörpers 120 bereitzustellen. Der Statorkörper kann derart konfiguriert sein, dass beispielsweise gewährleistet ist, dass nach der durch zugeführte Leistung veranlassten Bewegung des Ankers 110 eine ausreichende Reluktanz zum Halten des Ankers am Ende seines axialen Hubwegs bereitgestellt wird. Die Größe der Reluktanzkraft ist den Spitzenabschnittabmessungen umgekehrt proportional, so dass durch eine Verminderung der axialen Länge der Spitzenabschnitte 134 die Reluktanzkraft an den Endanschlägen der Vorrichtung zunimmt. Durch Einstellen der Spitzenabschnittabmessungen kann die Reluktanzcharakteristik des Stellgliedes 100 verändert werden. Außerdem kann alternativ zu oder in Kombination mit Reluktanzkräften eine Sperre zum vorübergehenden Halten des Ankers an einer oder mehreren bevorzugten Haltepositionen entlang seines Hubwegs bereitgestellt werden.
Zum Montieren des Stellgliedes 100 wird die innere Komponente 124 des Statorkörpers 120 innerhalb der äußeren Komponente 122 angeordnet, wobei jede Spule, die im Voraus auf ihren entsprechenden Spulenkörper 130 gewickelt wurde, in einer entsprechenden Vertiefung in der inneren Komponente 124 angeordnet wird.
Die Spulen 128 werden dadurch sandwichartig zwischen der inneren und der äußeren Komponente des Statorkörpers 120 angeordnet.
Dann wird der Anker 110 in der Öffnung des Stators 120 angeordnet, und seine axiale Bewegung innerhalb des Statorkörpers 120 wird durch Anschlageinrichtungen, z. B. durch auf die Enden des Statorkörpers 120 angepasste Endkappen, begrenzt. Die beiden Wicklungsenden der Spulen 128 erstrecken sich vorzugsweise durch einen im Statorkörper 1210 ausgebildeten Kanal, so dass sie mit einer externen Spannungsversorgung verbindbar sind.
Das Stellglied 100 ist insbesondere zur Verwendung in Fahrzeuggetriebeanwendungen geeignet, in denen es beispielsweise direkt auf eine Gangschaltschiene eines automatischen Handschaltgetriebes oder eines Doppelkupplungsgetriebes wirkt, um eine Gangauswahl zu ermöglichen.
4 zeigt ein Beispiel (das auch für allgemeine Betätigungsanwendungen geeignet sein kann), wobei der Statorkörper 120 gegenüberliegende Endkappen 140 aufweist, die den Kern 112 im Statorkörper 120 einschließen. Die Endkappen 140 bestehen vorzugsweise aus einem unmagnetischen Material, wie beispielsweise Aluminium.
Der Kern 112 wird konzentrisch auf eine rohrförmige Stange 142 montiert, die sich durch die Endkappen 140 und darüber hinaus erstreckt, um beispielsweise als hin- und hergehend bewegliches Ausgangselement des Stellglieds 100 für eine lineare Betätigung mindestens eines externen Mechanismus oder einer externen Vorrichtung zu wirken. Die Stange 142 wird in Lagern 144, z. B. Kunststoff-Laufbuchsen, in den Endkappen 140 drehbar gehalten. Die Drehachse des Ankers 110 ist durch das Symbol X dargestellt.
Die Ausgangsstange 142 wird einfach in ihren Lagern 144 gehalten, und der Anker 110 kann sich in den Lagern 144 drehen, ohne dass die Leistungsfähigkeit beeinflusst wird. Zwischen der Stange 142 und den Lagern 144 kann eine Dichtung angeordnet sein, um das Eindringen von Schmutz, insbesondere von magnetischen Staubpartikeln oder ähnlichen Verunreinigungen, in den Statorkörper 120 zu verhindern oder zumindest wesentlich zu behindern, obwohl die Lager 144 selbst diese Funktion erfüllen können.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der Anker 110 auf Anwendungen mit kurzem Hubweg im Statorkörper 120, z. B. 16 mm (±8 mm Hub um eine neutrale Mittenposition), beschränkt.
Um mit bekannten Hydraulikbetätigungssystemen für Getriebeanwendungen zu konkurrieren, sind die Abmessungen des Statorkörpers 120 in den bevorzugten Ausführungsformen auf eine axiale Länge von 100 mm und einen Durchmesser von 100 mm beschränkt.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Betreiben des Stellgliedes 100 zum Antreiben einer Getriebeschaltschiene beschrieben, wobei die distalen Enden der Ausgangsstange 142 in Kommunikation mit einer Getriebeschaltschiene angeordnet sind, und wobei die Anschlüsse der Spulenwicklungen 128 mit einer Einphasenleistungsversorgung verbunden sind.
In einem ersten Zustand, in dem keine Leistung zugeführt wird, ist der Anker 110 auf eine Ruheposition in der Mitte zwischen den Endkappen 140 eingestellt, so dass das Getriebe auf einen neutralen oder Leerlaufzustand eingestellt ist.
Zum Schalten des Getriebes von einem neutralen- oder Leerlaufzustand in einen Gang wird eine Spannung über die Phasenwicklungsanschlüsse angelegt, wodurch veranlasst wird, dass in den Phasenwicklungen 128 ein Strom fließt. Die Stromanstiegszeit wird durch die Phasenzeitkonstante beeinflusst (die durch die Phaseninduktivität und den Phasenwiderstand bestimmt ist). Der Strom in den Phasenwicklungen erzeugt ein Magnetfeld im Statorkörper 120, das mit dem Permanentmagnetfeld im Anker koppelt. Das Permanentmagnetfeld im Anker 110 versucht dann, sich mit dem Statormagnetfeld auszurichten, wobei, um dies zu erreichen, eine axiale Verschiebung des Ankers 110 verursacht wird. Ein Beispiel einer Flusskopplung zwischen den Spulen 128 und dem Anker 110 ist in 5 dargestellt, wobei die Spulen 128 erregt sind und der Anker 110 sich zu einem seiner Endanschläge bewegt hat, z. B. in 5 betrachtet von rechts nach links.
Um den eingerückten Zustand des Gangs freizugeben, wird über die Phasenwicklungsanschlüsse eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität angelegt, wodurch veranlasst wird, dass in der Phasenwicklung ein Strom in entgegengesetzter Richtung fließt. Die Stromanstiegszeit wird wiederum durch die Phasenzeitkonstante beeinflusst. Der Phasenstrom erzeugt dann ein Magnetfeld im Statorkörper 120 mit einer Polarität, die der in Verbindung mit der Beschreibung eines Schaltvorgangs vom neutralen oder Leerlaufzustand in einen Gang vorgesehenen Polarität entgegengesetzt ist. Das Statormagnetfeld koppelt dann mit dem Ankermagnetfeld, wodurch veranlasst wird, dass der Anker in die entgegengesetzte axiale Richtung verschoben wird, z. B. in den 4 und 5 betrachtet von rechts nach links, weil das Ankermagnetfeld versucht, sich mit dem Statormagnetfeld auszurichten.
Wenn der "Freigabe"- oder "Ausrück" strom nicht gesteuert wird, wird sich der Anker zu seiner entgegengesetzten Endanschlagposition bewegen, die vorzugsweise eine alternative Gangeinrückposition darstellt. Der Strom kann jedoch derart gesteuert werden, dass veranlasst wird, dass der Anker an einer neutralen Position stoppt (an einer instabilen Gleichgewichtsposition). Außerdem kann, z. B. auf dem Statorkörper 120, eine mechanische Sperre bereitgestellt werden, um sicher zu verhindern, dass der Anker 110 sich bewegt, wenn die neutrale Position gefunden worden ist und der Phasenstrom auf null abgefallen ist.
Wie vorstehend erwähnt wurde, werden der Wirkungsgrad und das dynamische Ansprechverhalten der Ankerbewegung durch gegenüberliegende Spitzenabschnitte 134 verbessert. Der Stator ist vorteilhaft derart konfiguriert, dass er einen physikalischen Pfad für das Magnetfeld um die Spulen herum, anstatt direkt über die Spulen, bereitstellt, was beispielsweise im Fall bekannter "Luftspalt" wicklungen der Fall ist.
Der Stator kann derart konfiguriert sein, dass die vorstehend beschriebenen Reluktanzeffekte dazu geeignet sind, die Position des Ankers an seinen Hubendpositionen bei Abwesenheit eines Stroms in den Phasenwicklungen zu halten. Daher ist der Stator 100 insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass der Anker seine Hubendpositionen auch dann beibehalten kann, wenn den Spulen keine Leistung zugeführt wird.
Die Reluktanzcharakteristiken können durch Ändern des Profils der Statorabschnitte in der Nähe der Spulen geändert werden.
In bestimmten Anwendungen kann es bevorzugt sein, die unter den Spulen 128 axial hervorstehenden Spitzenabschnitte 134 nicht zu verwenden und stattdessen nur einen Abschnitt der Seitenwand jeder Vertiefung zu nutzen, die sich radial innenseitig der Spulen nach unten erstreckt, z. B. einen offenen Schlitz, um sowohl die Reluktanzeffekte als auch Spulenflusskopplungseffekte bereitzustellen.
Es hat sich gezeigt, dass der in 4 dargestellte einphasige bewegliche Magnetanker in Kurzhubanwendungen des vorstehend beschriebenen Typs, z. B. 5–15 mm von einer Ruheposition, eine hohe Ausgangskraftdichte mit im Wesentlichen konstanten Kraft-Versatz-Kennlinien des Stellgliedes erzeugt.
6 zeigt ein alternatives Stellglied 200, in dem viele der in den 1 bis 5 verwendeten Bezugszeichen zum Bezeichnen der gleichen oder ähnlicher Komponenten verwendet werden. In dieser Ausführungsform weist das Stellglied vier Spulen 128 auf, die zu vier Permanentmagnetringen 114 konzentrisch angeordnet sind, wobei die Ringe axial voneinander beabstandet und in einer entgegengesetzten Polarität voneinander angeordnet sind. Wie dargestellt ist, ist die axiale Länge der inneren Ringe 114 doppelt so groß wie die axiale Länge der äußeren Ringe 114.
Durch Erhöhen der Anzahl der Spulen 128 und der zugeordneten Ringe 114 von zwei auf vier können die Größe der bewegten Masse und auch der Durchmesser des Statorkörpers vermindert werden, während für eine feste axiale Länge und Spitzenkraftanforderungen im Wesentlichen die gleichen axialen Schubkrafteigenschaften wie bei den in den 1 bis 5 dargestellten zweipoligen Stellgliedern erhalten werden können.
In dieser vierpoligen Ausführungsform sind die Spulen 128 ebenfalls für eine Einphasenleistungszufuhr konfiguriert und können entgegengerichtet in Serie geschaltet werden, d. h. die erste Spule ist im Uhrzeigersinn gewickelt und eine benachbarte Spule 128 ist im Gegenuhrzeigersinn gewickelt, oder parallel geschaltet werden. Auch hier erstrecken sich zwei Drähte vom Stellglied 200 für eine Verbindung mit einer externen Einphasenleistungsversorgung.
7 zeigt die Richtung der radialen Magnetisierung der Permanentmagnete, während 8 ein Beispiel des durch die Permanentmagnete bereitgestellten Magnetfeldes zeigt.
9 ist 5 ähnlich und zeigt die Flusskopplung zwischen den Statorspulen 128 und der Armatur 110, wobei die Armatur 110 von rechts nach links bewegt wird.
Durch die erfindungsgemäßen elektromechanischen linearen Stellglieder werden Alternativen zu hydraulischen und elektrohydraulischen Stellgliedern bereitgestellt, wobei Vorteile erzielt werden, wie beispielsweise ein erhöhter Wirkungsgrad und ein verbessertes Ansprechverhalten, und es werden vereinfachte und dadurch robustere Vorrichtungen bereitgestellt.
Die vorstehend beschriebenen rohrförmigen Spulenanordnungen sind dahingehend vorteilhaft, dass sie keine Endwicklungen und daher einen End-Streufluss von etwa null aufweisen, weil die oder jede Spule bezüglich des Ankers im Statorkörper konzentrisch angeordnet und nicht vorwiegend in einer axialen Richtung auf dem Stator gewickelt ist. Durch konzentrisches Anordnen der Spulen bezüglich eines rohrförmigen Ankers auf die vorstehend beschriebene Weise sind die induzierten Magnetfelder im Wesentlichen auf das Innere des Stellgliedkörpers beschränkt, so dass Streulecks minimiert werden können. Dies ist ein wesentlicher Punkt, wenn das Stellglied in einer Umgebung betrieben werden soll, die große Mengen eisenspanhaltiger Ölrückstände enthält, wie beispielsweise in oder in der Nähe eines Fahrzeuggetriebes. Es ist außerdem bevorzugt, wenn die axiale Bwewegung des Ankerkerns beispielsweise unter Verwendung unmagnetischer Endkappen als Begrenzungsanschläge auf das Innere des Stators beschränkt ist.
Die Stellglieder des vorstehend beschriebenen Typs sind insbesondere für Kurzhubanwendungen geeignet, z. B. im Bereich von 5 bis 10 mm um eine Mittenposition. Durch die Stellglieder wird eine hohe Ausgangskraftdichte bereitgestellt und sie weisen, was noch wichtiger ist, im Vergleich zu hochgradig nicht-linearen Kraft-Versatz-Kennlinien z. B. eines Solenoids eine im Wesentlichen konstante Kraft-Versatz-Kennlinie über derartige kurze Hubwege in beiden Bewegungsrichtungen auf. Daher weisen die bevorzugten Ausführungsformen der Stellglieder eine besser kontrollierbare Ausgangskraft auf.
Eine Prüfwicklung kann auf den gleichen Spulenkörper gewickelt werden oder gleichzeitig mit den Wicklungen der oder jeder Spule 128 zwischen den Wicklungen gewickelt werden. Durch Überwachen der auf der Prüfwicklung als Ergebnis der Bewegung des Ankers in der Statoröffnung induzierten Spannung kann die Betriebsposition des Ankers vorausbestimmt werden.
Der Ankerkern und der Stator der vorstehend beschriebenen Stellglieder haben vorzugsweise keine laminierte, sondern eine massive Konstruktion. Dadurch werden Wirbelströme vermindert, die ansonsten durch sich zeitlich ändernde Magnetfelder und Ankerbewegungen induziert würden und das dynamische Ansprechverhalten der Stellglieder verschlechtern würden.
Die Stellglieder weisen vorzugsweise eine elektronische Treiberschaltung mit einem Pufferkondensator als Energiespeicher auf, um den Spulen 128 während eines Ankerverschiebungsereignisses (z. B. von einer neutralen zu einer Endstopp- oder Ausgangsposition) Energie zuzuführen. Der Kondensator kann zwischen Schaltvorgängen nachgeladen werden, um seine gespeicherte Energie aufzufüllen.
Daher kann der Kondensator derart ausgewählt werden und dimensioniert sein, dass er Energie für aufeinanderfolgende axiale Schaltvorgänge des Ankers bereitstellt und während des Betriebs niemals vollständig entladen wird. Dies ist insbesondere in Gangschaltanwendungen nützlich, bei denen die mittlere Schaltdauer kurz und die Zeit zwischen Schaltvorgängen lang ist. Dadurch wird außerdem die durch den zugeordneten Fahrzeugkabelbaum angeforderte stromaufwärtsseitige Spitzenstromlast vermindert.
Zusammenfassung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein lineares Stellglied mit Permanentmagnetringen, die um einen Ankerkern herum angeordnet sind, für eine axiale Bewegung in einem rohrförmigen Stator bei einer Erregung von Spulen bereitgestellt, die bezüglich des Ankers konzentrisch angeordnet sind. Der Stator weist Abschnitte auf, die sich bezüglich den Spulen radial innen und unter jeder Spulen zueinander hin erstrecken und einen Abstand zwischen der Spule und dem Anker definieren. Die Ringe haben eine im Wesentlichen radial magnetisierte Struktur, und die Spulen sind für eine Einphasenleistungszufuhr konfiguriert. In einer Ausführungsform (6) sind zwei Paare beabstandeter Ringe auf dem Kern angeordnet, wobei die axiale Länge der äußersten Ringe der halben axialen Länge der inneren Ringe gleicht.

Claims

Lineares Stellglied mit einem Stator und einem elektrisch betätigbaren beweglichen Magnetanker innerhalb des Stators, wobei der Anker einen Kern und Permanentmagnetringe aufweist, die in zueinander entgegengesetzter magnetischer Polarität um den Kern herum angeordnet sind, wobei der Stator mehrere Spulen aufweist, die den Permanentmagnetringen zugeordnet und konzentrisch dazu angeordnet sind und in zueinander entgegengesetzter Polarität verbunden sind, so dass der Anker bei einer elektrischen Erregung der Spulen in der axialen Richtung des Stators beweglich ist, und wobei der Stator Abschnitte aufweist, die einen Luftspalt zwischen den Spulen und dem Anker definieren.
Lineares Stellglied nach Anspruch 1, wobei der Stator gegenüberliegende Vorsprünge aus einem magnetischen Material definiert, die sich innerhalb der Spulen radial erstrecken.
Lineares Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stator gegenüberliegende Vorsprünge aus einem magnetischen Material definiert, die sich unter jeder Spule axial zueinander hin erstrecken.
Lineares Stellglied nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Vorsprünge bezüglich des Ankers ringförmig ausgebildet und voneinander beabstandet sind.
Lineares Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede Spule in einer ringförmigen Vertiefung im Stator angeordnet ist.
Lineares Stellglied nach Anspruch 5, wobei jede Vertiefung die Form eines halb geschlossenen Schlitzes im Körper des Stators hat.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Permanentmagnetring eine im Wesentlichen radial magnetisierte Struktur hat.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Ring eine rohrförmige Struktur hat.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stellglied eine rohrförmige Struktur hat.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Spulen für eine Einphasenleistungszufuhr für ihre Erregung konfiguriert sind.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Anker ein Paar beabstandete Ringe aufweist, die mit einer entgegengesetzten magnetischen Polarität zueinander angeordnet sind.
Lineares Stellglied nach Anspruch 10, wobei die Ringe die gleichen Außenabmessungen haben.
Lineares Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Anker mindestens zwei Paare beabstandeter Ringe aufweist, wobei jeder Ring mit einer entgegengesetzten magnetischen Polarität bezüglich eines benachbarten Rings angeordnet ist.
Lineares Stellglied nach Anspruch 13, wobei die axiale Länge der äußersten Ringe der halben axialen Länge der inneren Ringe gleicht.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kern aus einem magnetischen Material besteht.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Ring aus einer Anordnung bogenförmiger Permanentmagnete gebildet wird, die Stoß an Stoß um die Außenfläche eines rohrförmigen Kerns angeordnet sind.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stator ein zylindrisches Gehäuse mit dicht angepassten Endkappen aus einem unmagnetischen Material aufweist.
Lineares Stellglied nach Anspruch 17, wobei der Anker mindestens ein Ausgangsende aufweist, das von einer der Endkappen gleitend hervorsteht.
Lineares Stellglied nach Anspruch 18, wobei die Ankerenden sich in der axialen Richtung des Stators erstrecken und in Lagern drehbar gehalten werden, die in den Endkappen des Statorgehäuses angeordnet sind.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das lineare Stellglied zum Steuern eines Automatikgetriebes konfiguriert ist, und mit einer einem Anker zugeordneten Ausgangseinrichtung zum Betätigen mindestens einer Auswahlwelle.
Lineares Stellglied nach Anspruch 20, wobei die Ausgangseinrichtung derart verbunden ist, dass sie direkt auf eine Schaltschiene eines Kraftfahrzeuggetriebes wirkt.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Anker einen rohrförmigen Querschnitt hat.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Anker einen nicht-kreisförmigen Querschnitt hat.
Lineares Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Permanentmagnetringe auf der den Ankerkern bildenden Auswahlwelle eines Kraftfahrzeuggetriebes angeordnet sind.