WO2014090953A2 - Aktuator - Google Patents

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Harald Frey
Charalampos KIORKTSIDIS
Vinzent Kremina
Michael Noll
Peter Kohlen
Jörg REIF
Calin Opre
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    • H02K9/227—Heat sinks

Definitions

  • the invention relates to an actuator with a metal housing consisting of several housing parts, an electric motor, an actuator, a movement of the electric motor to the actuator adjusting the transmission mechanism and electronics for controlling the electric motor.
  • Such actuators have an electric motor-driven actuator in the form of a flap, a pin or are used as actuators or valves in motor vehicles and are thus known.
  • the metal housing used are usually cast aluminum housing, since such housing have sufficient strength at relatively low weight. In order to bring the components into the housing, this consists of two or more housing parts. Since actuators in motor vehicles are generally exposed to high temperatures, the aluminum housing consisting of several parts due to its good thermal conductivity for cooling the components arranged in the housing, for. As the output by the electric motor heat used. When using the actuator in the high temperature range, it is also known to provide active cooling in the form of water cooling in the housing. The disadvantage is that the arrangement of a water cooling greatly increases the cost of the aluminum housing. For housings without water cooling, the housing parts for a sufficient heat capacity must have relatively thick walls in order to achieve a good cooling. As a result, such a housing has a relatively high weight.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide an actuator that is simple and inexpensive.
  • the actuator should have a low weight.
  • the object is achieved in that at least one housing part made of plastic, that in the region of the existing plastic housing part, a heat sink is arranged and that this heat sink is connected to a metallic housing part.
  • the arrangement of a separate heat sink allows the cooling of certain areas and / or components in the housing.
  • plastics the use of high-temperature-resistant plastics can also be dispensed with and cheaper plastics can be used instead because of the heat sink.
  • the main advantage, however, is that the actuator has a significantly lower weight due to the use of plastic.
  • a metal body is used as a heat sink. Due to the thermal conductivity of metals, these substances are better than other materials.
  • An improved cooling or the use of a smaller metal body as a heat sink is achieved in that the metal body contains at least one metal with good thermal conductivity, preferably copper or aluminum.
  • the metal body is integrally connected to electrical conductor tracks.
  • This has the advantage that the arrangement of the metal body facilitates and a particularly simple attachment of the metal body is achieved in the housing.
  • the interconnects usually consist of good heat-conducting material and already offers a combination of metal body and interconnects.
  • strip conductors NEN are often produced by punching or cutting from a blank. With an appropriate arrangement and design of the metal body, this can be arranged in the areas that were originally punched or cut out. Through this improved material utilization of the blank, the waste can be significantly reduced. In addition, this makes it possible to manufacture metal bodies and printed conductors simultaneously. A separate production of the metal body can thus be omitted. The heat sink can therefore be produced very inexpensively.
  • the metal body may be connected to the plastic lid of the housing.
  • locking and plug connections allow easy installation.
  • This connection may be in addition to a connection of the metal body with other components. Due to the insulating properties of the synthetic material cover, the connection can also be made via the interconnects connected to the metal body.
  • the function as a heat sink is further improved when the metal body has webs, which are arranged in receptacles of the metallic housing part, so as to dissipate the heat into further housing parts.
  • the receptacles can also be abutment surfaces on the housing.
  • the webs can be angled at any angle from the metal body to allow the connection to the metal housing.
  • Fig. 5 is a section through the actuator.
  • Fig. 1 shows a part of a housing 1 made of aluminum of an actuator in a motor vehicle with an actuator 2, which is driven via a gear 3 as a transmission mechanism of an electric motor 4.
  • the housing part 1 is water-cooled.
  • a coolant channel 5 is connected to corresponding connection lines 6.
  • the housing 1 is covered by a cover 7.
  • a seal 8 between the housing 1 and cover 7 is additionally arranged.
  • a magnet 10 is attached to the actuator 2 driving shaft 9.
  • the magnet 10 opposite is a Sensor 11 is arranged, which in turn is secured in the lid 7.
  • FIG. 2 additionally shows a leadframe 12 fastened in the cover 7.
  • the leadframe 10 consists of the conductor tracks 9 for contacting the sensor 11 and conductor tracks 9 'for contacting the electric motor.
  • the conductor tracks 9, 9 ' are guided via the integrally formed on the cover 7 socket 13 to the outside.
  • the leadframe 12 further has a metal body 14 which is a heat sink.
  • the leadframe 12 is made of a copper alloy and therefore has good thermal conductivity. Due to the wider design of the individual webs 14 with respect to the conductor tracks 9, the metal body 14 has a higher heat capacity and thus a better cooling function.
  • the leadframe 12 is a stamped part, in which by punching the metal body 14, the conductor tracks 9, 9 'and the connections 15 between the individual elements 9, 9', 14 are produced.
  • the finished leadframe 12 is formed by reshaping the individual elements.
  • the leadframe 12 is then clipped into rest areas of the cover 7 and the connections 15 are disconnected, so that the conductor tracks 9, 9 'are electrically separated.
  • This arrangement together with the contacting of the sensor 11 is shown in FIG.
  • the arrangement of the metal body 14, the conductor tracks 9, 9 'to the sensor 11 and the housing part 1 is shown in Fig. 4.
  • Figure 5 shows the housing part 1 with the coolant channels 5, the chamber 16 for the electric motor, not shown, and the cover 7 in section.
  • the transmission is also not shown for clarity.
  • the metal body has two webs 17, which are bent in the direction of the housing part 1 by 90 ° and the ends 18 are formed in a V-shape in the lid, the conductor tracks 9 are clipped, as well as the metal body.
  • the webs 17 extend with their ends 18 in receptacles 19 of the housing. Part 1, where they are biased due to their V-shaped configuration against the wall of the receptacles 19. In this way, the heat which the metal body 14 receives, via the webs 17 into the housing part 1 is derived.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Aktuator mit einem aus mehreren Gehäuseteilen bestehenden Metallgehäuse 1, einem Elektromotor 4, einem Stellglied 2, einem die Bewegung des Elektromotors 4 auf das Stellglied 2 anpassenden Übertragungsmechanismus 3 und einer Elektronik zur Ansteuerung des Elektromotors 4. In einem aus Kunststoff bestehenden Gehäuseteil 7 ist eine Wärmesenke 14 angeordnet, die mit einem metallischen Gehäuseteil verbunden ist.

Description

Beschreibung
Aktuator
Gegenstand der Erfindung ist ein Aktuator mit einem aus mehreren Gehäuseteilen bestehenden Metallgehäuse, einem Elektromotor, einem Stellglied, einem die Bewegung des Elektromotors auf das Stellglied anpassenden Übertragungsmechanismus und einer Elektronik zur Ansteuerung des Elektromotors.
Derartige Aktuatoren besitzen ein elektromotorisch angetriebenes Stellglied in Form einer Klappe, eines Zapfens oder werden als Steller oder Ventile in Kraftfahrzeugen eingesetzt und sind somit bekannt. Die zum Einsatz kommenden Metallgehäuse sind in der Regel Aluminiumgussgehäuse, da solche Gehäuse eine ausreichende Festigkeit bei relativ geringem Gewicht aufweisen. Um die Bauteile in das Gehäuse einbringen zu können, besteht dieses aus zwei oder mehreren Gehäuseteilen. Da Aktuatoren in Kraftfahrzeugen in der Regel hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wird das aus mehreren Teilen bestehende Aluminiumgehäuse aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit zur Kühlung der im Gehäuse angeordneten Bauteile, z. B. der von dem Elektromotor abgegebenen Wärme, benutzt. Bei Einsatz des Aktuators im Hochtemperaturbereich ist es weiter bekannt, eine aktive Kühlung in Form einer Wasserkühlung in dem Gehäuse vorzusehen. Nachteilig ist, dass die Anordnung einer Wasserkühlung den Aufwand für das Aluminiumgehäuse stark erhöht. Bei Gehäusen ohne Wasserkühlung müssen die Gehäuseteile für eine ausreichende Wärmekapazität relativ dicke Wandungen aufweisen, um eine gute Kühlung zu erzielen. Dadurch besitzt ein solches Gehäuse ein relativ hohes Gewicht .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator zu schaffen, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist. Zudem soll der Aktuator ein geringes Gewicht besitzen. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass zumindest ein Gehäuseteil aus Kunststoff besteht, dass in dem Bereich des aus Kunststoff bestehenden Gehäuseteils eine Wärmesenke angeordnet ist und dass diese Wärmesenke mit einem metallischen Gehäuseteil verbunden ist.
Die Anordnung einer separaten Wärmesenke ermöglicht die Kühlung von bestimmten Bereichen und/oder Bauteilen im Gehäuse. Durch diese zusätzliche Kühlmaßnahme wird es ermöglicht, einzelne Teile des Gehäuses, vorzugsweise Deckel, aus anderen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff zu gestalten. Bei der Verwendung von Kunststoffen kann aufgrund der Wärmesenke zudem auf die Verwendung von hochtemperaturbeständigen Kunststoffen verzichtet und stattdessen kostengünstigere Kunststoffe verwendet werden. Der wesentliche Vorteil besteht jedoch darin, dass der Ak- tuator durch die Verwendung von Kunststoff ein deutlich geringeres Gewicht besitzt.
Eine gute Kühlung wird erreicht, wenn ein Metallkörper als Wärmesenke verwendet wird. Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit von Metallen eigenen sich diese Stoffe besser als andere Materialien. Eine verbesserte Kühlung oder der Einsatz eines kleineren Metallkörpers als Wärmesenke wird dadurch erreicht, dass der Metallkörper mindestens ein Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, enthält.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Metallkörper einteilig mit elektrischen Leiterbahnen verbunden. Das hat den Vorteil, dass die Anordnung des Metallkörpers erleichtert und eine besonders einfache Befestigung des Metallkörpers im Gehäuse erreicht wird. Die wesentlichsten Vorteile bestehen jedoch darin, dass die Leiterbahnen in der Regel aus gut wärmeleitendem Material bestehen und sich bereits dadurch eine Verbindung von Metallkörper und Leiterbahnen anbietet. Leiterbah- nen werden oftmals mittels Stanzen oder Schneiden aus einem Rohling hergestellt. Bei entsprechender Anordnung und Gestaltung des Metallkörpers kann dieser in den Bereichen angeordnet werden, die ursprünglich ausgestanzt oder ausgeschnitten wur- den. Durch diese verbesserte Materialausnutzung des Rohlings lässt sich der Verschnitt deutlich reduzieren. Hinzu kommt, dass sich dadurch Metallkörper und Leiterbahnen gleichzeitig fertigen lassen. Eine separate Herstellung des Metallkörpers kann somit entfallen. Die Wärmesenke ist dadurch sehr kosten- günstig herstellbar.
Aber auch bei getrennter Herstellung von Leiterbahnen und Metallkörper lässt sich eine einfache Anordnung dadurch erreichen, dass der Metallkörper beispielsweise durch Löten mit den Leiterbahnen verbunden wird.
In einer anderen Ausgestaltung kann der Metallkörper mit dem Kunststoffdeckel des Gehäuses verbunden sein. Insbesondere Rast- und Steckverbindungen erlauben eine einfache Montage. Diese Verbindung kann zusätzlich zu einer Verbindung des Metallkörpers mit anderen Bauteilen sein. Aufgrund der isolierenden Eigenschaften des KunstStoffdeckels kann die Verbindung auch über die mit dem Metallkörper verbunden Leiterbahnen erfolgen .
Die Funktion als Wärmesenke wird weiter verbessert, wenn der Metallkörper Stege besitzt, welche in Aufnahmen des metallischen Gehäuseteils angeordnet sind, um so die Wärme in weitere Gehäuseteile abzuführen. Die Aufnahmen können auch Anlageflä- chen am Gehäuse sein. Zudem können die Stege in beliebigen Winkel vom Metallkörper abgewinkelt sein, um die Anbindung zum Metallgehäuse zu ermöglichen.
Um auch unter rauen Betriebsbedingungen eine zuverlässige Wär- meabfuhr in das Gehäuse zu gewährleisten, sind die Stege gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung derart ausgebildet, dass sie unter Vorspannung in den Aufnahmen angeordnet sind. Eine Vorspannung wird bereits dadurch erreicht, wenn das Ende der Stege L-, U- oder V-förmig umgebogen ist. Die Vorspannung wird dabei durch die Federwirkung des Endes erzeugt. Die Vorspannung kann in einer anderen Ausgestaltung durch die Form der Aufnahme des Gehäuses erfolgen. Zu diesem Zweck kann die Aufnahme beispielsweise mit Einführschrägen ausgestaltet sein. Eine solche Form ist zudem einfach herstellbar.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt in
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung eines Aktuators,
Fig. 2 den Deckel mit Leadframe nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht des Deckels,
Fig. 4 das Gehäuse ohne Deckel und
Fig. 5 einen Schnitt durch den Aktuator .
Fig. 1 zeigt einen Teil eines Gehäuses 1 aus Aluminium eines Aktuators in einem Kraftfahrzeug mit einem Stellglied 2, welches über ein Getriebe 3 als Übertragungsmechanismus von einem Elektromotor 4 angetrieben wird. Das Gehäuseteil 1 ist wassergekühlt. Hierzu ist ein Kühlmittelkanal 5 mit entsprechenden Anschlussleitungen 6 verbunden. Im Bereich des Getriebes 3 wird das Gehäuse 1 von einem Deckel 7 abgedeckt. Für eine ausreichende Dichtheit ist zusätzlich eine Dichtung 8 zwischen Gehäuse 1 und Deckel 7 angeordnet. Zur Erfassung der Position des Stellglieds 2 ist an der das Stellglied 2 antreibenden Welle 9 ein Magnet 10 befestigt. Dem Magnet 10 gegenüberliegend ist ein Sensor 11 angeordnet, der seinerseits im Deckel 7 befestigt ist .
In Figur 2 ist zusätzlich ein im Deckel 7 befestigter Leadframe 12 dargestellt. Der Leadframe 10 besteht aus den Leiterbahnen 9 zur Kontaktierung des Sensors 11 und Leiterbahnen 9' zur Kon- taktierung des Elektromotors. Die Leiterbahnen 9, 9 ' werden über die am Deckel 7 angeformte Buchse 13 nach außen geführt. Der Leadframe 12 besitzt weiter einen Metallkörper 14, der eine Wärmesenke ist. Der Leadframe 12 besteht aus einer Kupferlegierung und ist daher gut wärmeleitend. Durch die breitere Ausführung der einzelnen Bahnen 14 gegenüber den Leiterbahnen 9, besitzt der Metallkörper 14 eine höhere Wärmekapazität und somit eine bessere Kühlfunktion. Der Leadframe 12 ist ein Stanzteil, bei dem durch Stanzen der Metallkörper 14, die Leiterbahnen 9, 9' und die Verbindungen 15 zwischen den einzelnen Elementen 9, 9', 14 hergestellt werden. Durch Umformen der einzelnen Elemente entsteht der fertige Leadframe 12. Der Leadframe 12 wird anschließend in Raststellen des Deckels 7 eingeklipst und die Verbindungen 15 getrennt, so dass die Leiterbahnen 9, 9' elektrisch getrennt sind. Diese Anordnung zusammen mit der Kontaktierung des Sensors 11 ist in Figur 3 dargestellt. Die Anordnung des Metallkörpers 14, der Leiterbahnen 9, 9' zum Sensor 11 und dem Gehäuseteil 1 ist in Fig. 4 gezeigt .
Figur 5 zeigt das Gehäuseteil 1 mit den Kühlmittelkanälen 5, der Kammer 16 für den nicht dargestellten Elektromotor und den Deckel 7 im Schnitt. Das Getriebe ist zur besseren Darstellung ebenfalls nicht gezeigt. Im Deckel sind die Leiterbahnen 9 verklipst, ebenso wie der Metallkörper 14. Der Metallkörper besitzt zwei Stege 17, die in Richtung des Gehäuseteils 1 um 90° gebogen sind und deren Enden 18 V-förmig ausgebildet sind. Die Stege 17 reichen mit ihren Enden 18 in Aufnahmen 19 des Gehäu- seteils 1, wo sie aufgrund ihrer V-förmigen Ausbildung gegen die Wandung der Aufnahmen 19 vorgespannt sind. Auf diese Weise wird die Wärme, welche der Metallkörper 14 aufnimmt, über die Stege 17 ins Gehäuseteil 1 abgeleitet.

Claims

Patentansprüche
Aktuator mit einem aus mehreren Gehäuseteilen bestehenden Metallgehäuse, einem Elektromotor, einem Stellglied, einem die Bewegung des Elektromotors auf das Stellglied anpassenden Übertragungsmechanismus und einer Elektronik zur Ansteuerung des Elektromotors, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein Gehäuseteil (7) aus Kunststoff besteht, dass in dem Bereich des aus Kunststoff bestehenden Gehäuseteils (7) eine Wärmesenke (14) angeordnet ist und dass diese Wärmesenke (14) mit einem metallischen Gehäuseteil (1) verbunden ist.
Aktuator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuseteil ein Kunststoffdeckel (7) ist.
Aktuator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wärmesenke ein Metallkörper ist .
Aktuator nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Metallkörper (14) mindestens ein Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, enthält.
Aktuator nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Metallkörper (14) einteilig mit elektrischen Leiterbahnen (9, 9') verbunden ist.
Aktuator nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Metallkörper (14) Stege (17) besitzt, welche in Aufnahmen (19) des metallischen Gehäuseteils (1) angeordnet sind.
7. Aktuator nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stege (17) derart ausgebildet sind, dass sie unter Vorspannung in den Aufnahmen (19) angeordnet sind.
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