WO2017162236A1

WO2017162236A1 - Synchronmotor und mehrwegeventil

Info

Publication number: WO2017162236A1
Application number: PCT/DE2017/100209
Authority: WO
Inventors: Siegfried Brünner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2018-09-23
Also published as: DE102016204827A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Synchronmotor (1) zum Schalten eines Mehrwegeventils (2), mit einem drehbaren Rotor (3), an dem zumindest ein Permanentmagnet (5) befestigt ist und einem relativ zum Rotor (3) feststehenden Stator (4), wobei zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (4) ein Magnetfeld so steuerbar ist, dass der Rotor (3) in Drehbewegung verbringbar ist, wobei der Rotor (3) zum Stator (4) axial so beweglich angeordnet ist, dass bei Axialverlagerung des Rotors (3) die Reibung zwischen den beiden Bauteilgruppen so erhöht wird, dass der Rotor (3) gebremst wird. Die Erfindung betrifft auch ein Mehrwegeventil (2) mit einem solchen Synchronmotor (1), wobei der Synchronmotor (1) zumindest abschnittsweise von durch einen Drehschieber (8) geleiteten Medium benetzt ist.

Description

Synchronmotor und Mehrwegeventil

Die Erfindung betrifft einen selbsthemmenden bürstenlosen Antrieb ohne Getriebe zur Steuerung von Mehrwegeventilen bzw. einen Synchronmotor zum Schalten eines Mehrwegeventils eines Kraftfahrzeugs, mit einem drehbaren Rotor, an dem ein Permanentmagnet oder eine Vielzahl von Permanentmagneten befestigt ist und einem relativ zum Rotor feststehenden Stator, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Magnetfeld so steuerbar ist, dass der Rotor in Drehbewegung verbringbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeugmehrwegeventil mit einem Synchronmotor.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Antriebe bspw. für von der Anmelderin produzierte Thermo-Management-Module (TMM-Module) bekannt.

Üblicherweise werden zum Betätigen von Mehrwegeventilen in Kraftfahrzeugen Gleichstrommotoren eingesetzt.

Zwar sind Synchronmotoren bereits bekannt, werden üblicherweise jedoch mit einem Getriebe versehen. Wird kein Getriebe eingesetzt, muss eine separate / extra Bremse eingesetzt werden. Die Bremse besteht dann aus zusätzlichen Komponenten, was wiederum die Kosten in die Höhe treibt. Im Bereich von Werkzeugmaschinen bzw. in den Gelenken von Industrierobotern sind solche Synchronmotoren üblich, um einen bestimmten Winkel ohne Getriebe mit einer Auflösung von weniger als 0, 1 ° einzustel- len. Dabei werden Schrittmotoren eingesetzt. Sie erreichen aber leider nicht die erforderlichen Drehmomente.

Aus dem Heizungsbereich, einem völlig anderen Anwendungsbereich, sind Antriebe als Nassläufer für Pumpen bekannt. Diese werden eingesetzt, um Ventile über Getrie- be, die sich im Nassraum befinden, zu betätigen. Wicklungen des Antriebs befinden sich dabei meist außerhalb des Nassraumes. Auch hier sind dann bei fehlenden Getrieben aufwändige Bremsen einzusetzen. Es ist aber die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu lösen und gerade für den Kraftfahrzeugbereich eine optimierte Ausgestaltung von Synchronmotoren bzw. Kraftfahrzeugmehrwegeventilen zur Verfügung zu stellen. Ein besonderer Augenmerk liegt dabei darauf, dass bürstenbehaftete Gleichstrommotoren nun den neuesten Anforderungen von Kunden in Bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit nicht mehr gerecht werden. Es soll also diesbezüglich ebenfalls eine Lösung erarbeitet werden. Dabei sollen jedoch alle Komponenten im Nassraum befindlich sein oder angeordnet werden können. Ferner soll die maximale Betriebstemperatur für alle Komponenten, also umfassend die Elektronik und die

Magneten, abgesichert werden. Dabei soll auf ein Getriebe verzichtet werden können. Eine Bremse soll aber mit einfachen kostengünstigen Mitteln realisiert werden. Zusätzliche Komponenten diesbezüglich sollen vermieden werden. Ferner soll auch ein Bauraum effizienter als bisher genutzt werden.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Synchronmotor dadurch gelöst, dass der Rotor zum Stator axial so beweglich / verlagerbar / bewegbar / verschiebbar angeordnet ist, dass bei Axialverlagerung des Rotors, etwa in Richtung des Stators und/oder von diesem weg, die Reibung zwischen den beiden Bauteilgruppen, also zwischen dem Rotor einerseits und dem Stator andererseits, so erhöht wird, dass der Rotor gebremst wird, insbesondere gewollt / gezielt gebremst wird. Die vorliegende Erfindung bietet sich förmlich in den 12 Volt- und 24 Voltbereichen, wie sie im Kraftfahrzeugbereich üblich sind, an eingesetzt zu werden, ist also für den Kleinspan- nungsbereich prädestiniert.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.

So ist es von Vorteil, wenn der Stator eine Spule besitzt, die so mit Strom gezielt ver- sorgbar ist, dass in Abhängigkeit von ihrem Stromversorgungszustand ein solches Magnetfeld zwischen der Spule und dem Permanentmagneten erzeugt wird, dass der Einfluss eines magnetischen Streufelds auf die Axialposition des Rotors gemindert wird. Dadurch kann ein Axialverlagern des Rotors erzwungen werden, um so ein Bremsen kausal hervorzurufen. Der Rotor wird dann relativ zum Stator abgebremst.

Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn der Rotor und der Stator so aufeinander abgestimmt sind, dass bei Fehlendem Stromdurchfluss durch die Spule das Streufeld so beeinflusst wird, dass es den Rotor in bremsende Anlage mit dem Stator zwingt. Schon bei kleinsten Verlagerungen wird eine davon abhängige gezielte Abbremsung des Rotors am Stator hervorgerufen. Es ist zweckmäßig, wenn zwischen dem Rotor und dem Stator eine vornehmlich in Radialrichtung den Rotor relativ zum Stator lagernde Lagereinrichtung vorhanden ist, die bspw. als Gleitlagerung ausgebildet ist. Schon mit einfachen kostengünstigen Gleitlagern lässt sich dann ein präzises Rotieren des Rotors relativ zum Stator bewirken.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Rotor als Außenläufer oder alternativ als Innenläufer ausgebildet ist. Gerade die Ausbildungsform als Außenläufer hat sich in der Praxis bewährt. Wenn am Stator eine Reibfläche vorbereitet ist, die zum in Reibung / in Anlage gelangenden Kontakt mit einer Gegenreibfläche des Rotors, bei dessen Axialverlagerung, vorhanden / ausgelegt ist, so wird durch einen simplen Flächenkontakt eine gute Bremswirkung gezeitigt. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Reibfläche als ein Abschnitt der Lagereinrichtung ausgebildet ist. Auf zusätzliche Bauteile lässt sich dann verzichten.

Es ist von Vorteil, wenn die Reibfläche quer zur die Axialrichtung vorgebenden Rotati- onsachse des Rotors ausgerichtet ist, vorzugsweise orthogonal dazu.

Ferner ist es besonders montagefreundlich, wenn die Lagereinrichtung eine in Axialrichtung ausgerichtete Lagerfläche besitzt. Insbesondere hat es sich bewährt, wenn die Lagereinrichtung mit ihrer Reibfläche und ihrer Lagerfläche als umlaufender, kreisförmiger, geschlossener Ring ausgebildet ist, wobei der Ring im Querschnitt ein L-Profil besitzt.

Wenn der Rotor zumindest abschnittsweise oder überwiegend aus weich-ferromagne- tischem Material aufgebaut ist, auf dem der (insbesondere hart-ferromagnetische ) Permanentmagnet befestigt ist und/oder der Rotor etwa einstückig mit einem Drehschieber drehfest verbunden ist, bspw. lösbar / unlösbar, so wird ein solches Modul- konzept realisierbar, das in seiner Bevorratung günstig ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeugmehrwegeventil mit einem Synchronmotor, etwa der erfindungsgemäßen Art, wobei der Synchronmotor zumindest abschnittsweise von einem Medium benetzt ist, das durch einen Drehschieber leitbar ist oder geleitet ist. Das Medium kann dabei eine Wasser-Frostschutzmittelmischung sein oder Öl, wie Mineralöl, sein.

Die Vereinigung von dem Drehschieber mit dem Antrieb sichert zu, dass nur ein geringer Bauraum benötigt wird. Mit anderen Worten wird also ein Synchronmotor vor- geschlagen, dessen Rotor in üblicher weise der Form eines Hohlzylinders folgt, welcher seinerseits mit einem Drehschieber vereinigt ist, wobei dessen Form ebenfalls einem Hohlzylinder entspricht. Die Gleitlagerung des Rotors bildet gleichzeitig die Bremsbacken aus. Der Rotor besitzt ein Axialspiel. Die Kraft zur Ansteuerung einer durch die Bremsbacken gestellten Bremse entsteht aus dem Streufeld des Magneten bzw. das Medium verlässt den Drehschieber über eine Öffnung, die sinnvollerweise so angeordnet ist, dass die beim Verlassen der Öffnung austretende Flüssigkeit, also das Medium, ein Axialverlagern des Rotors unterstützt. Es entsteht also eine Kraft in Richtung der Bremse. Wird der Stator erregt, so verkürzen sich die Feldlinien zwischen dem Rotor / dem Permanentmagneten und dem Stator / der Spule. Damit öffnet sich ein Spalt zwischen einem Träger / einer Glocke des Rotors und der Gleitlagerung. Die Bremse wird also gelöst. Dabei wird also ein Synchronmotor, dessen Rotor üblicherweise die Form eines Hohlzylinders hat, mit einem Drehschieber mit Hilfe von einem Verbindungselement vereinigt, dessen Form ebenfalls einem Hohlzylinder entspricht. Diese Baugruppe ist drehbar gelagert. Die Gleitlagerung des Rotors bildet gleichzeitig die Bremsbacken aus. Der Rotor besitzt ein Axialspiel. Der Rotor und der Drehschieber können lose oder fest miteinander gekoppelt sein. Im Fall der festen Kopplung ist für den Drehschieber ebenfalls ein Axialspiel von Vorteil. Die Kraftfahrzeugansteuerung der Bremse entsteht aus dem Streufeld des Magneten / Permanentmagneten, wenn die Spule nicht angesteuert ist. Der Spalt zwischen dem Permanentmagneten und der Lagerung ver- kürzt sich. Dabei kommt es zum Kontakt zwischen einem Element des Rotors und der Gleitlagerung im Bereich der Reibfläche und der Gegenreibfläche, der bremsend wirkt. Wird der Stator erregt, so verkürzen sich die Feldlinien zwischen dem Permanentmagneten und einem für den magnetischen Rückfluss des Stators zuständigen Element. Damit öffnet sich der Spalt zwischen dem Träger des Rotors und der Gleitla- gerung. Die Bremse wird also gelöst.

Bei fester Kopplung zwischen dem Drehschieber und dem Verbindungselement des Rotors kann die Kraft von Bremsen durch folgenden Mechanismus unterstützt werden: Das Medium strömt in den Drehschieber, an der Öffnung wird der Weg für das Medi- um freigegeben. Dabei zerlegt sich die Kraft des Mediums in zwei Richtungen. Die eine Kraft bewegt den Drehschieber in Richtung des Rotors. Damit wirkt die Bremse. Die zweite Kraft unterstützt das Fließen des Mediums in die neue Richtung. Das Öffnen der Bremse erfolgt, wie bereits beschrieben, in dem Strom durch die Spule geschickt wird und das Streufeld entsprechend ausgerichtet wird.

Es werden also neue Eigenschaften dem Kunden zur Verfügung gestellt, was gerade bei TMM-Modulen sehr wertgeschätzt werden wird. Es wird wesentlich weniger Störstrahlung abgegeben. Bei geeigneten Kühlmitteln sind Betriebstemperaturen bis ca. 150 °C möglich. Eine wesentlich längere Betriebsdauer stellt sich ein. Die Wärmeent- Wicklung ist bedeutend länger als bei DC-Motoren / Gleichstrommotoren. Der Winkelsensor ist nicht mehr als ein extra Bauteil vorhanden. Man befindet sich also näher am optimalen Betriebstemperaturbereich von Öl, was also eine bessere Viskosität hat. Also wird weniger Reibung hervorgerufen. Beim Nutzen in einem Kraftfahrzeug wird dann vom Kraftfahrzeug weniger CO2 ausgestoßen. Eine zusätzliche Spule zur Steuerung des Bremsens ist nicht mehr nötig. Das Problem, dass bei Synchronmotoren keine Selbsthemmung mehr vorhanden ist und sonst separate Getriebe oder Bremsen eingesetzt werden müssen, die immer recht aufwändig sind, wird ebenfalls gelöst. Letztlich wird also ein Torque-Motor mit einem Dreiphasendrehfeld, ähnlich eines Schrittmotors vorgeschlagen.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Skizze näher erläutert. Dabei wird ein erstes Ausführungsbeispiel in einer Längsschnittdarstellung visualisiert. Die Figur ist lediglich schematischer Natur und dient nur dem Verständnis der Erfindung.

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Synchronmotor 1 dargestellt. Der Synchronmotor 1 ist zum Schalten eines Mehrwegeventils 2 zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, wie einem Pkw, einem Lkw oder einem anderen Nutzfahrzeug vorgesehen. Der Synchronmotor 1 mit seinem Mehrwegeventil 2 besitzt einen drehbaren Rotor 3. Der Rotor 3 ist drehbar gegenüber einem Stator 4 gelagert. Der Rotor 3 besitzt einen Permanentmagneten 5. Der Permanentmagnet 5 ist an einem glockenförmigen Träger 6 befestigt. Der Träger 6 einerseits ist mit einem Verbindungsteil 7 verbunden. Das Verbindungsteil 7 ist mit einem Drehschieber 8 verbunden. Diese Verbindungen sind drehfest und vorzugsweise unlösbar. Sie können insbesondere auch radial und axialfest aber lösbar sein.

Der Stator 4 besitzt eine Spule 9, die von einem Eisenkern 10 durchdrungen ist. Der Eisenkern 10 ist drehfest an einem Statorträger 1 1 befestigt. Der Statorträger 1 1 weist einen Freiraum 12 für einen elektrischen Anschluss auf.

Am Stator 4 ist auch eine Leiterplatte 13 zum Anbringen einer Steuerelektronik vorhanden. Im Drehschieber 8 ist zumindest eine Öffnung 14 vorhanden, durch die Medium 15 ausfließen kann. Beim Austreten durch die Öffnung 14 ruft das Medium eine Kraft 16 in Axialrichtung und eine Kraft 17 in Radialrichtung hervor. Es ist eine Gleitlagerung 18 am Statorträger 1 1 angebracht / befestigt. Die Gleitlagerung 18 ist Teil einer Lagereinrichtung 19. Die Gleitlagerung 18 weist eine Reibfläche 20 auf, die mit einer Gegenreibfläche 21 an einer Stirnseite des Trägers 6 in Interaktion tritt, wenn der Rotor 3, und damit auch der Drehschieber 8, in Axialrichtung in Rich- tung des Statorträgers 1 1 zwangsverlagert wird. Die Zwangsverlagerung wird durch Beeinflussung des Streufeldes / magnetischen Streufeldes zwischen dem Permanentmagneten 5 und der Spule 9 gesteuert / geregelt. Bei Ausbleiben eines Stromdurchflusses durch die Spule 9 wird dann eine Zwangsverlagerung in Axialrichtung in puncto Rotor 3 erzwungen. Der Rotor 3 bewegt sich dann mit seiner Gegenreibfläche 21 auf die Reibfläche 20 zu.

Die Gleitlagerung 18 besitzt auch eine Lagerfläche 22. Die Lagerfläche 22 ist orthogonal zu der Reibfläche 20 und der Gegenreibfläche 21 angeordnet. Die Reibfläche 20 und die Gegenreibfläche 21 sind in Radialrichtung ausgerichtet.

Die Rotationsachse des Rotors 3 ist in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 23 ver-

Bezugszeichenliste Synchronmotor

Mehrwegeventil

Rotor

Stator

Permanentmagnet

Träger

Verbindungsteil

Drehschieber

Spule

Eisenkern

Statorträger

Freiraum

Leiterplatte

Öffnung

Medium

Axialkraft

Radialkraft

Gleitlagerung

Lagereinrichtung

Reibfläche

Gegenreibfläche

Lagerfläche

Rotationsachse

Claims

P160389 WO 2017/162236 PCT/DE2017/100209 - 9 - Patentansprüche

Synchronmotor (1 ) zum Schalten eines Mehrwegeventils

(2), mit einem drehbaren Rotor (3), an dem zumindest ein Permanentmagnet (5) befestigt ist und einem relativ zum Rotor (3) feststehenden Stator (4), wobei zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (4) ein Magnetfeld so steuerbar ist, dass der Rotor (3) in Drehbewegung verbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) zum Stator (4) axial so beweglich angeordnet ist, dass bei Axialverlagerung des Rotors (3) die Reibung zwischen den beiden Bauteilgruppen so erhöht wird, dass der Rotor

(3) gebremst wird,

wobei der Stator

(4) eine Spule (9) besitzt und zwischen dem mindestens einem Permanentmagneten (5) und der Spule (9) bei fehlendem Stromdurchfluss durch die Spule (9) ein magnetisches Streufeld derart ausgebildet ist, dass hierdurch die Axialverlagerung des Rotors (3) bewirkt wird.

Synchronmotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (9) so mit Strom gezielt versorgbar ist, dass in Abhängigkeit von ihrem Stromversorgungszustand ein solches Magnetfeld zwischen der Spule (9) und dem Permanentmagneten

(5) erzeugt wird, dass der Einfluss des magnetischen Streufelds auf die Axialposition des Rotors (3) gemindert wird.

Synchronmotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (4) eine in Radialrichtung den Rotor (3) relativ zum Stator (4) lagernde Lagereinrichtung (19) vorhanden ist.

Synchronmotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Stator (4) eine Reibfläche (20) vorbereitet ist, die zum in Reibung gelangenden Kontakt mit einer Gegenreibfläche (21 ) des Rotors (3), bei dessen Axialverlagerung vorgesehen ist.

Synchronmotor (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibfläche (20) als ein Abschnitt der Lagereinrichtung (19) ausgebildet ist. P160389

WO 2017/162236 PCT/DE2017/100209

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6. Synchronmotor (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die

Reibfläche (20) quer zur die Axialrichtung vorgebenden Rotationsachse (23) des Rotors (3) ausgerichtet ist.

7. Synchronmotor (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung (19) eine in Axialrichtung ausgerichtete Lagerfläche (22) besitzt.

8. Synchronmotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) aus weich-ferromagnetischem Material aufgebaut ist, auf dem der Permanentmagnet (5) befestigt ist und/oder der Rotor (3) mit einem Drehschieber (8) drehfest verbunden ist.

9. Mehrwegeventil (2), mit einem Synchronmotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Synchronmotor (1 ) zumindest abschnittsweise von durch einen Drehschieber geleitetem Medium benetzt ist.