WO2021121897A1 - Valve device - Google Patents

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WO2021121897A1 PCT/EP2020/083504 EP2020083504W WO2021121897A1 WO 2021121897 A1 WO2021121897 A1 WO 2021121897A1 EP 2020083504 W EP2020083504 W EP 2020083504W WO 2021121897 A1 WO2021121897 A1 WO 2021121897A1
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Andres Tönnesmann
Matthias Baden
Jens OESTERDIEKHOFF
Jörg Gissing
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Abstract

Valve devices, in particular for cooling circuits, having an actuator (34) which has an electric motor (35) having a driven rotor (40), a valve body (20) which is drivable by means of the actuator (34) and a position feedback unit (62, 66) on the electric motor (35), via which position feedback unit a position of the rotor (40) can be determined, are known. In order to be able to determine a precise and absolute angular position of the valve body (20) from the measured rotor position, including in the case of the existing translation or reduction, according to the invention the valve device has an additional valve position sensor (74) which generates a signal from a magnetic field that changes as a result of the rotation of the valve body (20) and which can be designed as a simple switch.

Description

B E S C H R E I B U N G Ventilvorrichtung B E S C H R E I B U N G Valve device
Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung mit einem Aktor, der einen Elektromotor mit einem angetriebenen Rotor aufweist, einem mittels des Aktors antreibbaren Ventilkörper und einer Lagerückmeldungseinheit am Elektromotor, über die eine Position des Rotors bestimmbar ist. The invention relates to a valve device with an actuator which has an electric motor with a driven rotor, a valve body that can be driven by means of the actuator, and a position feedback unit on the electric motor, via which a position of the rotor can be determined.
In Kraftfahrzeugen werden sowohl bei der Verwendung von Verbrennungsmotoren als auch bei elektrischen Antrieben oder Hybridantrieben eine Vielzahl von Ventilvorrichtungen benötigt, um entweder einen Flüssigkeitsstrom oder einen Gasstrom zu regeln. Dabei ist es üblich geworden, Aktoren zu verwenden, die einen elektrischen Antrieb aufweisen, wobei insbesondere Elektromotoren verwendet werden, die elektronisch kommutiert werden. Diese Aktoren treiben zumeist ein Getriebe an, dessen Ausgangswelle mit einem Ventilkörper gekoppelt ist. Hierbei ist zwischen Getrieben zu unterscheiden, in denen die Rotationsbewegung des Elektromotors in eine Hubbewegung gewandelt wird und denen die lediglich dazu dienen, eine hohe Übersetzung oder Untersetzung zu erzielen. Für eine genaue Regelung ist insbesondere eine hohe Untersetzung, also ein Übersetzungsverhältnis der Antriebsdrehzahl zur Abtriebsdrehzahl von deutlich über 1 gewünscht. In motor vehicles, both when using internal combustion engines and when using electric drives or hybrid drives, a large number of valve devices are required in order to regulate either a flow of liquid or a flow of gas. It has become customary to use actuators that have an electric drive, in particular using electric motors that are electronically commutated. These actuators mostly drive a transmission, the output shaft of which is coupled to a valve body. A distinction must be made here between gears in which the rotational movement of the electric motor is converted into a lifting movement and which only serve to achieve a high gear ratio or reduction. A high reduction ratio, that is to say a transmission ratio of the input speed to the output speed of well over 1, is particularly desirable for precise regulation.
Solche Ventile können entweder Klappenventile oder auch Drehschieberventile sein, wie sie beispielsweise in Kühlkreisläufen eingesetzt werden. Zur genauen Regelung eines entsprechenden Volumenstroms ist es erforderlich, kontinuierlich regelbare Ventile zu verwenden, deren Drehlage möglichst genau bestimmt werden kann, so dass eine möglichst genaue Ansteuerung der Aktoren zur Regelung vorgenommen werden kann. Such valves can either be flap valves or rotary slide valves, such as those used, for example, in cooling circuits. For precise regulation of a corresponding volume flow, it is necessary to use continuously controllable valves, the rotational position of which can be determined as precisely as possible, see above that the actuators for regulation can be controlled as precisely as possible.
Dies wird entweder dadurch erreicht, dass eine direkte Detektion der Drehposition des Ventilkörpers durchgeführt wird oder indem das Ventil gegen einen Anschlag gefahren wird, welcher als Referenzposition dient, von der ausgehend eine Stellung des Ventils durch die Daten eines Stellungssensors des Aktors berechnet werden kann. Während im ersten Fall häufig der notwendige Bauraum nicht vorhanden ist oder eine entsprechend notwendige Elektronik nicht im Bereich des Ventilkörpers anzuordnen ist oder aus Kostengründen auf eine teure Sensorik verzichtet werden soll, besteht im zweiten Fall das Problem, dass beim Anfahren in die Anschlagsposition, diese nicht immer genau bestimmbar ist. Insbesondere bei Drehschieberventilen, bei denen der Ventilkörper selbst keinen Anschlag aufweist, entfällt ein zuverlässiges Bestimmen der Referenzposition durch Anfahren eines Anschlags komplett. This is achieved either by direct detection of the rotary position of the valve body or by moving the valve against a stop which serves as a reference position from which a position of the valve can be calculated using the data of a position sensor of the actuator. While the necessary installation space is often not available in the first case or the electronics required in this way are not to be arranged in the area of the valve body or expensive sensors should be dispensed with for reasons of cost, the problem in the second case is that when moving into the stop position, these do not exist can always be precisely determined. Particularly in the case of rotary slide valves in which the valve body itself does not have a stop, a reliable determination of the reference position by approaching a stop is completely unnecessary.
Vor diesem Flintergrund stellt sich die Aufgabe, eine Ventilvorrichtung bereit zu stellen, mit der auf möglichst einfache Weise eine Positionsbestimmung des Ventilkörpers ermöglicht wird. Dies soll auch dann funktionieren, wenn der Ventilkörper ein rotatorischer Ventilkörper ohne Anschlag ist und eine direkte Messung der Lage des Ventilkörpers über den kompletten Verstellbereich nicht möglich ist. Against this background, the task arises of providing a valve device with which the position of the valve body can be determined in the simplest possible way. This should also work if the valve body is a rotary valve body without a stop and a direct measurement of the position of the valve body over the entire adjustment range is not possible.
Diese Aufgabe wird durch eine Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a valve device with the features of main claim 1.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung weist somit einen Aktor auf, der aus einem Elektromotor besteht, der einen Rotor aufweist, der durch das Statormagnetfeld direkt angetrieben wird. Der Aktor weist eine Lagerückmeldungseinheit auf, die eine Position des Rotors beziehungsweise einer mit diesem verbundenen Aktorwelle des Elektromotors misst beziehungsweise modellbasiert berechnet. Dies kann beispielsweise über Sensoren erfolgen, deren Ausgangsspannung proportional zu einem auf sie wirkenden magnetischen Feld des Rotors oder eines Permanentmagneten an der Aktorwelle oder am Rotor ist und somit ein Maß für die Lage der Aktorwelle oder des Rotors darstellt oder über Verwendung der rückwirkenden elektromagnetischen Kraft oder der magnetischen Anisotropie. Entsprechend kann aus der erzeugten Spannung, oder dem gemessenen Strom oder der gemessenen Spannung in bekannter Weise eine Drehlage des Rotors bestimmt werden. Zusätzlich weist die Ventilvorrichtung einen Ventilpositionssensor auf, der ein Signal aus einem sich aufgrund der Drehung des Ventilkörpers ändernden magnetischen Feldes erzeugt. Dies bedeutet, dass eine Änderung des auf den Ventilpositionssensor wirkenden magnetischen Feldes unmittelbar und direkt durch die Drehung des Ventilkörpers oder einem mit diesem fest verbundenen Bauteil entspricht, durch den Ventilkörper selbst oder den damit fest verbundenen Bauteilen also die Änderung erzeugt wird. Die Drehlage des Rotors kann bei sehr hoher Untersetzung lediglich dazu dienen, mehrere mögliche Lagen des Ventilkörpers mittels des Positionssensors zu identifizieren. Um jedoch eine absolute Drehlage des Ventilkörpers festlegen zu können, wird der Ventilpositionssensor benutzt, so dass zwei Ausgangssignale der beiden Sensoren zur Verfügung stehen, die eine eindeutige Zuordnung ermöglichen und die genutzt werden können, um die Messwerte eines Sensors zu verifizieren oder die Auflösung der Messungen des Ventilpositionssensors bei einer vorhandenen Untersetzung zu verbessern, da die Auflösung des ersten Sensors bezüglich der Winkellage des Ventilkörpers genauer ist. Entsprechend werden zwei unabhängige Signale erzeugt, durch die einerseits eine genaue Stellungsdetektion möglich ist und andererseits eine Plausibilisierung der Signale erreicht wird, so dass Fehler aufgedeckt werden können. The valve device according to the invention thus has an actuator which consists of an electric motor which has a rotor which is driven directly by the stator magnetic field. The actuator has a position feedback unit which measures a position of the rotor or an actuator shaft of the electric motor connected to it or calculated based on a model. This can be done, for example, via sensors whose output voltage is proportional to a magnetic field of the rotor or a permanent magnet acting on them on the actuator shaft or on the rotor and thus represents a measure of the position of the actuator shaft or the rotor, or by using the retroactive electromagnetic force or the magnetic anisotropy. Correspondingly, a rotational position of the rotor can be determined in a known manner from the voltage generated or the measured current or the measured voltage. In addition, the valve device has a valve position sensor which generates a signal from a magnetic field that changes due to the rotation of the valve body. This means that a change in the magnetic field acting on the valve position sensor corresponds directly and directly to the rotation of the valve body or a component permanently connected to it, i.e. the change is generated by the valve body itself or the components permanently connected to it. With a very high reduction ratio, the rotational position of the rotor can only serve to identify several possible positions of the valve body by means of the position sensor. However, in order to be able to determine an absolute rotational position of the valve body, the valve position sensor is used so that two output signals from the two sensors are available, which enable a clear assignment and which can be used to verify the measured values of a sensor or the resolution of the measurements of the valve position sensor with an existing reduction, since the resolution of the first sensor is more accurate with respect to the angular position of the valve body. Correspondingly, two independent signals are generated which, on the one hand, enable precise position detection and, on the other hand, enable the signals to be checked for plausibility so that errors can be detected.
Vorzugsweise ist der Ventilpositionssensor ein Schalter, der an einer Referenzposition des Ventilkörpers beim Vorbeiführen eines Geberelementes schaltet. Entsprechend erzeugt dieser Schalter lediglich bei einer bestimmten Position ein Signal, welches jedoch einer definierten Stellung entspricht, die somit als exakte Referenzposition genutzt werden kann, von der aus mit hoher Genauigkeit eine Position des Ventilkörpers aufgrund der Signale des Positionssensors oder mittels einer Zählung und Skalierung berechnet werden kann. The valve position sensor is preferably a switch which switches at a reference position of the valve body when a transmitter element is passed. Accordingly, this switch only generates at a certain position a signal, which however corresponds to a defined position, which can thus be used as an exact reference position, from which a position of the valve body can be calculated with high accuracy based on the signals of the position sensor or by means of counting and scaling.
Vorzugsweise ist der Ventilpositionssensor ein Hallschalter, der mit einem am Ventilkörper befestigten Permanentmagneten zusammenwirkt, oder ein Hallschalter mit einem Permanentmagneten ist, der mit einem magnetisierbaren Element als Geberelement am Ventilkörper zusammenwirkt. Diese Hallschalter sind kostengünstig herstellbar und liefern einen sehr genauen Schaltpunkt, so dass die Referenzposition mit hoher Genauigkeit festgelegt werden kann. Sie reagieren auf eine Änderung des magnetischen Feldes, welches im ersten Fall durch den vorbeigeführten Magneten selber erzeugt wird und im zweiten Fall durch das magnetisierbare Element, durch welches das Magnetfeld desThe valve position sensor is preferably a Hall switch that interacts with a permanent magnet attached to the valve body, or a Hall switch with a permanent magnet that interacts with a magnetizable element as a transmitter element on the valve body. These Hall switches can be manufactured inexpensively and provide a very precise switching point so that the reference position can be determined with a high degree of accuracy. They react to a change in the magnetic field, which is generated in the first case by the passing magnet itself and in the second case by the magnetizable element through which the magnetic field of the
Permanentmagneten, der unmittelbar am Sensor angebracht ist verändert wird. In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform sind am Ventilkörper mehrere Permanentmagneten oder mehrere magnetisierbare Elemente befestigt, durch die der Ventilpositionssensor schaltet. Es kann sich hierbei um einfache und kostengünstige Stiftmagneten handeln, welche im Sensor beim Vorbeiführen ein Schalten erzeugen oder durch einen Metallring mit axial oder radial abstehenden zahnförmigen Geberelementen. Die Verwendung von mehreren Permanentmagneten oder zahnförmigen Geberelementen dient dazu die berechneten Ventilpositionen zu korrigieren oder deren Richtigkeit zu überprüfen. Vorteilhafterweise weisen die Geberelemente unterschiedliche Breiten auf oder sind in einem unterschiedlichen Abstand zueinander über den Umfang verteilt angeordnet, so dass die verschiedenen Referenzpositionen einem bestimmten Stellwinkel zugeordnet werden können. Vorteilhaft ist es, wenn die Lagerückmeldungseinheit und der Ventilpositionssensor mit einer Steuereinheit verbunden sind, wobei die Steuereinheit ab der mittels des Ventilpositionssensors ermittelten Referenzposition aufgrund der ermittelten Daten der Lagerückmeldungseinheit die weitere Drehung berechnet. Entsprechend werden die Signale beider Lagerückmeldungen in der einen Steuereinheit verarbeitet, so dass eine Berechnung in dieser Steuereinheit vorgenommen und im Folgenden auch zur Ansteuerung des Aktors verwendet werden kann. Hierzu ist vorzugsweise auch die Leistungselektronik des Aktors beziehungsweise des Elektromotors in der Steuereinheit integriert. Permanent magnet, which is attached directly to the sensor, is changed. In a further embodiment, several permanent magnets or several magnetizable elements, through which the valve position sensor switches, are attached to the valve body. These can be simple and inexpensive pin magnets, which generate switching in the sensor when it is passed or by means of a metal ring with axially or radially protruding tooth-shaped transmitter elements. The use of several permanent magnets or tooth-shaped transmitter elements is used to correct the calculated valve positions or to check their correctness. The transmitter elements advantageously have different widths or are arranged distributed over the circumference at a different distance from one another, so that the different reference positions can be assigned to a specific adjustment angle. It is advantageous if the position feedback unit and the valve position sensor are connected to a control unit, the control unit calculating the further rotation from the reference position determined by means of the valve position sensor on the basis of the data determined by the position feedback unit. Correspondingly, the signals of both position feedbacks are processed in the one control unit, so that a calculation can be carried out in this control unit and can subsequently also be used to control the actuator. For this purpose, the power electronics of the actuator or the electric motor are preferably also integrated in the control unit.
Vorzugsweise ist die Lagerückmeldungseinheit des Elektromotors durch einen Positionssensor, insbesondere einen magnetoresistiven Sensor gebildet, in dem durch ein magnetisches Feld des Elektromotors oder eines Gebermagneten am Rotor oder an einer Aktorwelle eine Spannung erzeugbar ist, die korrespondierend zur Position des Rotors oder der Aktorwelle ist. Ein derartiger Sensor arbeitet berührungslos und ermöglicht eine sehr genaue Positionsbestimmung des Rotors beziehungsweise der Aktorwelle. The position feedback unit of the electric motor is preferably formed by a position sensor, in particular a magnetoresistive sensor, in which a voltage can be generated by a magnetic field of the electric motor or a transmitter magnet on the rotor or on an actuator shaft, which voltage corresponds to the position of the rotor or the actuator shaft. Such a sensor works without contact and enables the position of the rotor or the actuator shaft to be determined very precisely.
Alternativ ist die Lagerückmeldungseinheit des Elektromotors durch die Steuereinheit des Elektromotors und einen Strommesser oder Spannungsmesser gebildet, über die mittels einer Modell-basierten EMK- Methode oder EMK-Methode mit Nulldurchgang die Rotorlage bestimmbar ist. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Rotorposition sind bei elektronisch kommutierten Elektromotoren bekannt und ermöglichen eine Bestimmung der Rotorlage, ohne dass Positionssensoren verwendet werden müssen. Alternatively, the position feedback unit of the electric motor is formed by the control unit of the electric motor and an ammeter or voltmeter, via which the rotor position can be determined by means of a model-based EMF method or EMF method with zero crossing. This method for determining the rotor position is known in the case of electronically commutated electric motors and enables the rotor position to be determined without having to use position sensors.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist zwischen dem Rotor und dem Ventilkörper ein Getriebe ausgebildet, so dass eine Untersetzung zwischen dem Antrieb und dem Ventilkörper erzielt wird. Diese Untersetzung kann beispielsweise bei Verwendung eines Wolfromgetriebes 1:100 betragen. Somit kann die Position des Ventilkörpers mittels der Lagerückmeldungseinheit für eine hochgenaue Regelung nach dem Festlegen der Referenzposition durch den Ventilpositionssensor sehr genau bestimmt werden, da relativ große Stellwinkel am Rotor lediglich zu kleinen Stellwinkeln am Ventilkörper führen. In a particularly preferred embodiment of the invention, a gear is formed between the rotor and the valve body, so that a reduction is achieved between the drive and the valve body. This reduction can be 1: 100, for example, when using a Wolfrom gear. The position of the valve body can thus be determined very precisely by means of the position feedback unit for highly precise regulation after the reference position has been established by the valve position sensor, since relatively large adjustment angles on the rotor only lead to small adjustment angles on the valve body.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Elektromotor elektronisch kommutiert ist und der Positionssensor die Lage des permanentmagnetischen Rotors detektiert und das Signal desFurthermore, it is advantageous if the electric motor is electronically commutated and the position sensor detects the position of the permanent magnet rotor and the signal of the
Positionssensors zur Kommutierung des Elektromotors genutzt wird. Somit werden keine zusätzlichen Magnete oder Sensoren benötigt. Stattdessen kann die Stellungsdetektion des Elektromotors direkt auch für die Positionsdetektion des Ventilkörpers dienen, wozu lediglich diePosition sensor is used to commutate the electric motor. This means that no additional magnets or sensors are required. Instead, the position detection of the electric motor can also be used directly for the position detection of the valve body, for which only the
Referenzposition mit dem Ventilpositionssensor festgelegt werden muss. Reference position must be set with the valve position sensor.
Auch ist diese Erfindung besonders vorteilhaft einzusetzen, wenn der Ventilkörper ein Drehschieber ist, da ein Drehschieber üblicherweise keinen Anschlag aufweist, so dass die Referenzposition andersartig festgelegt werden muss, was in der vorliegenden Erfindung mittels desThis invention can also be used particularly advantageously when the valve body is a rotary slide valve, since a rotary slide valve usually does not have a stop, so that the reference position has to be defined differently, which in the present invention by means of the
Ventilpositionssensors durchführbar ist. Auch müssen keine größeren Magnete im Bereich des Ventilkörpers oder Platinen im Bereich desValve position sensor is feasible. There is also no need for larger magnets in the area of the valve body or circuit boards in the area of the
Ventilkörpers angeordnet werden. Valve body are arranged.
Es wird somit eine Ventilvorrichtung geschaffen, welche eine hochgenaue Regelung eines Ventilkörpers ermöglicht, ohne dessen Position direkt detektieren zu müssen. Stattdessen kann insbesondere in Zusammenhang mit einer Untersetzung, welche beispielsweise bis zu 1:100 betragen kann, eine genaue Position berechnet werden, ohne hochgenaue Sensoren verwenden zu müssen, da lediglich relativ große Winkel am Aktor detektiert werden müssen, um genaue kleine Winkel am Ventilkörper berechnen zu können. Hierzu ist lediglich die Referenzposition mittels des Ventilpositionssensors festzulegen, der jedoch in einfacher Weise als Schalter ausgeführt werden kann und somit kostengünstig hergestellt und montiert werden kann. Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung für einen Kühlmittelkreislauf ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. A valve device is thus created which enables highly precise regulation of a valve body without having to directly detect its position. Instead, especially in connection with a reduction, which can be up to 1: 100, for example, an exact position can be calculated without having to use high-precision sensors, since only relatively large angles have to be detected on the actuator in order to calculate precise small angles on the valve body to be able to. For this purpose, only the reference position is required using the Define valve position sensor, which can, however, be designed in a simple manner as a switch and can thus be manufactured and installed inexpensively. An embodiment of a valve device according to the invention for a coolant circuit is shown in the figures and is described below.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in geschnittener Darstellung. Figure 1 shows a side view of the valve device according to the invention in a sectional view.
Figur 2 zeigt eine perspektivische funktionale Ansicht des Ventilkörpers mit dem Ventilpositionssensor der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in teilweise transparenter Darstellung. FIG. 2 shows a perspective functional view of the valve body with the valve position sensor of the valve device according to the invention in a partially transparent representation.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung weist ein Strömungsgehäuse 10 mit einem Einlass 12 und einem Auslass 14 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem radial verlaufenden Einlassstutzen 16 und einem um 90° zum Einlassstutzen 16 versetzten, ebenfalls radial verlaufenden Auslassstutzen 18 ausgebildet sind. Im Strömungsgehäuse 10, welches im Wesentlichen hohlzylindrisch geformt ist, ist ein als Ventilkörper 20 dienendes Drehschieberglied auf einer Aktorwelle 22 gelagert, welches eine Durchflussöffnung 24 aufweist, über die eine fluidische Verbindung zwischen dem Einlass 12 und dem Auslass 14 hergestellt werden kann. Die Durchflussöffnung 24 ist in vorliegender Ausführung lediglich als sich etwa über den halben Umfang des ansonsten etwa zylindrischen Ventilkörpers 20 erstreckende Ausnehmung ausgeformt. The valve device according to the invention has a flow housing 10 with an inlet 12 and an outlet 14, which in the present exemplary embodiment are formed in a radially extending inlet connector 16 and an outlet connector 18 that is also radially extending and offset by 90 ° to the inlet connector 16. In the flow housing 10, which is essentially shaped as a hollow cylinder, a rotary slide member serving as a valve body 20 is mounted on an actuator shaft 22, which has a flow opening 24 via which a fluidic connection can be established between the inlet 12 and the outlet 14. In the present embodiment, the throughflow opening 24 is formed merely as a recess extending approximately over half the circumference of the otherwise approximately cylindrical valve body 20.
Die Aktorwelle 22 ist an ihrem einen axialen Ende in einer Aufnahmeöffnung 26 an einem das Strömungsgehäuse 10 verschließenden Boden 28 befestigt und an ihrem entgegengesetzten axialen Ende in einer Aufnahme 29 an einem Boden 30 eines Spalttopfes 32 befestigt. Der Antrieb des Ventilkörpers 20 erfolgt über einen Aktor 34, dessen Elektromotor 35 als zweiphasiger Klauenpolmotor ausgeführt ist, wobei jede Phase vier Polpaare aufweist. Durch eine entsprechende Kommutierung, welche phasenversetzt für zwei Spulen 36 eines Stators 38 des Klauenpolmotors stattfindet, kann ein Rotor 40 und mit ihm die Aktorwelle 22, auf der er befestigt ist, gleichmäßig angetrieben und auf beliebige Drehpositionen verstellt werden. The actuator shaft 22 is fastened at its one axial end in a receiving opening 26 on a base 28 which closes the flow housing 10 and is fastened at its opposite axial end in a receptacle 29 on a base 30 of a containment shell 32. The valve body 20 is driven via an actuator 34, the electric motor 35 of which is designed as a two-phase claw-pole motor, each phase having four pole pairs. A rotor 40, and with it the actuator shaft 22 on which it is attached, can be driven uniformly and adjusted to any rotational positions by a corresponding commutation, which takes place out of phase for two coils 36 of a stator 38 of the claw pole motor.
Der Rotor 40 ist vom Stator 38 durch den Spalttopf 32 getrennt, welcher einstückig mit einem Aktorgehäuse 42 ausgebildet ist, indem sich ein Kragen 43 radial nach außen vom Spalttopf 32 zum umliegenden Aktorgehäuse 42 erstreckt, der axial den Stator 38 begrenzt. Das Aktorgehäuse 42 umgibt den Aktor 34 radial und ist am Strömungsgehäuse 10 befestigt, so dass im radial Inneren des Strömungsgehäuses 10 zwischen dem Aktor 34 und dem Ventilkörper 20 ein Innenraum 44 geschaffen wird, der axial durch den Spalttopf 32 und dessen Kragen 43 und radial durch das Aktorgehäuse 42 und das Strömungsgehäuse 10 begrenzt wird und an der axial gegenüberliegenden Seite durch den Boden 28 des Strömungsgehäuses 10 begrenzt wird, so dass dieser Innenraum 44 mit dem durch den Ventilkörper 20 geregelten Fluid gefüllt ist, während ein durch den Spalttopf abgetrennter Außenraum 47, in dem der Stator 38 angeordnet ist, trocken und gegen äußere Einflüsse geschützt ist. The rotor 40 is separated from the stator 38 by the can 32, which is formed in one piece with an actuator housing 42 by a collar 43 extending radially outward from the can 32 to the surrounding actuator housing 42, which axially delimits the stator 38. The actuator housing 42 surrounds the actuator 34 radially and is attached to the flow housing 10, so that in the radial interior of the flow housing 10 between the actuator 34 and the valve body 20, an interior space 44 is created, which passes axially through the can 32 and its collar 43 and radially through the actuator housing 42 and the flow housing 10 is delimited and is delimited on the axially opposite side by the bottom 28 of the flow housing 10, so that this inner space 44 is filled with the fluid regulated by the valve body 20, while an outer space 47 separated by the containment can, in which the stator 38 is arranged, is dry and protected against external influences.
Des Weiteren ist axial zwischen dem Kragen 43 des Spalttopfes 32 und dem Ventilkörper 20 im Innenraum 44 ein Getriebe 46 in Form eines Planetengetriebes angeordnet, mittels dessen die Bewegung des Aktors 34 untersetzt auf den Ventilkörper 20 übertragen wird. Furthermore, a gear 46 in the form of a planetary gear is arranged axially between the collar 43 of the containment can 32 and the valve body 20 in the interior space 44, by means of which the movement of the actuator 34 is transmitted to the valve body 20 in a reduced manner.
Das Planetengetriebe 46 besteht aus einem Sonnenrad 48, welches auf der Aktorwelle 22 befestigt ist und einteilig mit einem Rotorträger 52 ausgebildet ist, an dessen zum Sonnenrad 48 entgegengesetzten Ende am Außenumfang die Magneten des Rotors 40 befestigt sind. Das Sonnenrad 48 kämmt mit zwei Planetenrädern 50, die auf Achsen 54 eines Planetenträgers 56 gelagert sind. Die Planetenräder 50 greifen in ein feststehendes Hohlrad 58, welches an der Innenseite des Aktorgehäuses 42 ausgebildet ist. Der Planetenträger 56 ist fest mit dem Ventilkörper 20 verbunden, so dass die Bewegung des Rotors 40 über das Planetengetriebe 46 auf den Ventilkörper 20 untersetzt übertragen wird. The planetary gear 46 consists of a sun gear 48, which is fastened to the actuator shaft 22 and is formed in one piece with a rotor carrier 52, at the end of which on the outer circumference is opposite to the sun gear 48 the magnets of the rotor 40 are fastened. The sun gear 48 meshes with two planetary gears 50, one on axes 54 Planet carrier 56 are mounted. The planet gears 50 engage in a stationary ring gear 58 which is formed on the inside of the actuator housing 42. The planet carrier 56 is firmly connected to the valve body 20, so that the movement of the rotor 40 is transmitted to the valve body 20 via the planetary gear 46 in a stepped manner.
Der Innenraum 44, in dem sich das Getriebe 46, der Rotor 40 und der Ventilkörper 20 befinden, ist mit dem zu förderndem Fluid gefüllt. Dies bedeutet, dass alle sich drehenden Teile in diesem Innenraum 44 angeordnet sind, so dass keine Dichtung entlang der sich drehenden Teile vorgenommen werden muss. Es ist lediglich das Strömungsgehäuse 10 nach außen zum Aktorgehäuse 42 abgedichtet, welche jedoch beide Stillstehen, so dass eine statische Dichtung verwendet werden kann. Auf dynamische Dichtungen kann entsprechend vollständig verzichtet werden. The interior 44, in which the gear 46, the rotor 40 and the valve body 20 are located, is filled with the fluid to be conveyed. This means that all rotating parts are arranged in this interior space 44, so that no seal has to be made along the rotating parts. Only the flow housing 10 is sealed to the outside with respect to the actuator housing 42, which, however, are both stationary, so that a static seal can be used. Accordingly, dynamic seals can be completely dispensed with.
Um die Regelung des Ventilkörpers 20 sehr genau und feinfühlig vollziehen zu können, weist die Ventilvorrichtung eine Lagerückmeldungseinheit zur Bestimmung der Rotorlage des Elektromotors 35 auf, die in vorliegendem Ausführungsbeispiel aus einem als Permanentmagneten ausgeführten Gebermagneten 62 besteht, der radial innerhalb des Rotors 40 angrenzend zur Aufnahme 29 für das Ende der Aktorwelle 22 am Spalttopf 32 über einen Magnetträger 64 befestigt ist sowie einem ersten Positionssensor 66 besteht. Auf der zur Aufnahme 29 des Spalttopfes 32 gegenüberliegenden Seite des Spalttopfes 32 ist auf der Mittelachse des Aktors 34 der Positionssensor 66, der beispielsweise ein Hall-Sensor sein kann, angeordnet. In diesem Positionssensor 66 wird das sich drehende magnetische Feld des Gebermagneten 62 in bekannter Weise in eine Spannung umgewandelt, welche ein Maß für die Drehposition des Rotors 40 und der Aktorwelle 22 darstellt. Der Positionssensor 66 ist auf einer Platine 68 angeordnet, die im Außenraum 47 befestigt ist, der durch einen Deckel 67 verschlossen wird und im Übrigen durch das Aktorgehäuse 42 und den Spalttopf 32 begrenzt wird. Die Platine 68 trägt neben dem Positionssensor 66 auch eine Steuereinheit 69 mit Leistungsbausteinen zur Ansteuerung des Elektromotors 35, so dass der ebenfalls im Außenraum 47 angeordnete Stator 38 direkt an die Platine 68 angeschlossen ist und angesteuert werden kann. In order to be able to regulate the valve body 20 very precisely and sensitively, the valve device has a position feedback unit for determining the rotor position of the electric motor 35, which in the present embodiment consists of a permanent magnet sensor 62, which is radially inside the rotor 40 adjacent to the receptacle 29 for the end of the actuator shaft 22 is attached to the containment shell 32 via a magnet carrier 64 and a first position sensor 66 is made. On the side of the can 32 opposite to the receptacle 29 of the can 32, the position sensor 66, which can be a Hall sensor, for example, is arranged on the central axis of the actuator 34. In this position sensor 66, the rotating magnetic field of the encoder magnet 62 is converted in a known manner into a voltage which represents a measure of the rotational position of the rotor 40 and the actuator shaft 22. The position sensor 66 is arranged on a circuit board 68, which is fastened in the outer space 47, which is closed by a cover 67 and otherwise delimited by the actuator housing 42 and the containment can 32 becomes. In addition to the position sensor 66, the circuit board 68 also carries a control unit 69 with power modules for controlling the electric motor 35, so that the stator 38, which is also arranged in the outer space 47, is connected directly to the circuit board 68 and can be controlled.
Durch die Ausführung des Aktors 34 als zweiphasiger Klauenpolmotor mit vier Polpaaren je Phase entsteht auf der Mittelachse des Aktors 34, auf der auch der Positionssensor 66 angeordnet ist, durch die Bestromung des Stators und die Drehung des Rotors 40 kein magnetisches Feld, da sich dieses auf der Drehachse immer exakt aufhebt. Hierdurch wirkt auf den Positionssensor 66 weitestgehend störungsfrei lediglich das magnetische Feld des Gebermagneten 62, dessen Drehposition immer exakt der Drehposition der Aktorwelle 22 entspricht. As a result of the design of the actuator 34 as a two-phase claw-pole motor with four pole pairs per phase, no magnetic field arises on the central axis of the actuator 34, on which the position sensor 66 is also arranged, as a result of the energization of the stator and the rotation of the rotor 40, as this occurs the axis of rotation always picks up exactly. As a result, only the magnetic field of the encoder magnet 62, whose rotational position always corresponds exactly to the rotational position of the actuator shaft 22, acts on the position sensor 66 largely without interference.
Alternativ kann die Rotorposition jedoch auch mittels anderer, sensorloser Lagerückmeldungseinheiten ermittelt werden. Bekannt ist hierfür beispielsweise auch die Nutzung der Gegen-EMK, die in bekannter Weise modellbasiert oder durch Ermittlung der Nulldurchgänge der induzierten Spannung erfolgen kann, so dass Strom- oder Spannungssensoren beziehungsweise -messer verwendet werden, deren Messwerte mit den Werten der Steuereinheit in dieser zur Ermittlung der Rotorposition verarbeitet werden können. Da die Aktorwelle 22 und mit ihr der Rotor 40 jedoch mehrere Umdrehungen vollzieht, während der Ventilkörper 20 lediglich eine Drehung oder eine Teildrehung vollzieht, ist es notwendig, einen Referenzpunkt festzulegen, um auch die Position des Ventilkörpers 20 exakt bestimmen zu können. Hierzu ist erfindungsgemäß im Ventilkörper 20 ein magnetisierbarer Metallring 70 angeordnet, der beim Spritzgießen des Ventilkörpers 20 eingelegt wird. Dieser weist einzelne sich radial erstreckende zahnförmige Geberelemente, die als magnetisierbare Geberelemente 72 dienen, auf, die mit einem Ventilpositionssensor 74 Zusammenwirken, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Hallsensor mit am Sensor 74 angeordneten Permanentmagneten 75 ausgebildet ist. Das magnetische Feld, welches auf den Ventilpositionssensor 74 wirkt, wird entsprechend durch das Vorbeiführen eines zahnförmigen Geberelementes 72 verändert, so dass am Ventilpositionssensor 74 ein Signal erzeugt wird, welches zwischen 0 und 1 hin- und herschaltet, je nachdem ob ihm gegenüber ein zahnförmiges Geberelement 72 angeordnet ist oder nicht. Dabei sind die zahnförmigen Geberelemente 72 in unterschiedlichem Abstand zueinander und in unterschiedlicher Breite ausgeführt, so dass eine eindeutige Zuordnung der Position des Ventilkörpers 20 auf einen bestimmten Drehwinkelabschnitt aufgrund des zurückgelegten Winkels und der Schaltfolge mittels des Ventilpositionssensors 74 möglich ist. Der Ventilpositionssensor 74 ist im Aktorgehäuse 42 axial gegenüberliegend zum Metallring 70 angeordnet und mit der Platine 68 beziehungsweise der Steuereinheit 69 verbunden. Entsprechend werden die Signale des Positionssensors 66 und des Ventilpositionssensors 74 zur Stellungsrückmeldung verwendet. Dabei dient der Ventilpositionssensor 74 zur Festlegung eines beziehungsweise mehrerer Referenzpunkte, von denen aus die weitere Drehung des Ventilkörpers 20 mittels der Messwerte des Positionssensors 66 berechnet werden kann. So kann die Drehlage des Ventilkörpers 20 sehr genau bestimmt werden, da durch die Lagerückmeldungseinheit bezüglich des Ventilkörpers 20 eine sehr hohe Auflösung erzielt wird, da dieser je nach Übersetzung mehrere Drehungen vollzieht, während der Ventilkörper 20 lediglich einmal gedreht wird. Somit kann ausgehend von dem durch den Ventilpositionssensor 74 festgelegten Referenzpunkt die in der Lagerückmeldungseinheit bestimmte Position immer genau einer exakten Position des Ventilkörpers 20 zugeordnet werden, so dass dieser sehr genau und feinfühlig verstellt werden kann. Die gesamte Elektronik kann im vom Ventilkörper 20 abgewandten Bereich platziert werden und dennoch die genaue Position des Ventilkörpers 20 detektiert werden. Es sollte deutlich sein, dass verschiedene Modifikationen im Vergleich zum beschriebenen Ausführungsbeispiel für den Fachmann naheliegen, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. So können Einlass und Auslass auch gegenüberliegend oder andersartig zueinander angeordnet werden oder mehrere Ein- und Auslässe ausgebildet werden, so dass die Durchströmungsöffnung oder -Öffnungen entsprechend im Drehschieberglied anders platziert werden. Auch kann eine Klappe als Ventilkörper genutzt werden. Selbstverständlich kann auch die Bauform des Getriebes geändert werden, also beispielsweise ein Stirnradgetriebe benutzt werden. Denkbar ist auch eine mehrteilige Ausführung desAlternatively, however, the rotor position can also be determined by means of other, sensorless position feedback units. For example, the use of back EMF is also known for this, which can be done in a known manner based on models or by determining the zero crossings of the induced voltage, so that current or voltage sensors or meters are used whose measured values are compared with the values of the control unit in this Determination of the rotor position can be processed. However, since the actuator shaft 22 and with it the rotor 40 complete several revolutions while the valve body 20 only rotates or partially rotates, it is necessary to define a reference point in order to be able to determine the position of the valve body 20 exactly. For this purpose, according to the invention, a magnetizable metal ring 70 is arranged in the valve body 20, which is inserted during the injection molding of the valve body 20. This has individual, radially extending tooth-shaped transmitter elements which serve as magnetizable transmitter elements 72, which interacting with a valve position sensor 74, which in the present exemplary embodiment is designed as a Hall sensor with permanent magnets 75 arranged on the sensor 74. The magnetic field that acts on the valve position sensor 74 is changed accordingly by passing a tooth-shaped transmitter element 72, so that a signal is generated at the valve position sensor 74 that switches between 0 and 1, depending on whether a tooth-shaped transmitter element is opposite it 72 is arranged or not. The tooth-shaped transmitter elements 72 are designed at different distances from one another and with different widths, so that a clear assignment of the position of the valve body 20 to a specific angle of rotation section based on the angle covered and the switching sequence is possible by means of the valve position sensor 74. The valve position sensor 74 is arranged in the actuator housing 42 axially opposite the metal ring 70 and is connected to the circuit board 68 or the control unit 69. Correspondingly, the signals from position sensor 66 and valve position sensor 74 are used for position feedback. The valve position sensor 74 serves to establish one or more reference points from which the further rotation of the valve body 20 can be calculated using the measured values of the position sensor 66. The rotational position of the valve body 20 can thus be determined very precisely, since the position feedback unit achieves a very high resolution with respect to the valve body 20, since it makes several rotations depending on the translation, while the valve body 20 is rotated only once. Thus, starting from the reference point established by the valve position sensor 74, the position determined in the position feedback unit can always be assigned exactly to an exact position of the valve body 20 so that it can be adjusted very precisely and sensitively. The entire electronics can be placed in the area facing away from the valve body 20 and the exact position of the valve body 20 can still be detected. It should be clear that various modifications in comparison to the exemplary embodiment described are obvious to the person skilled in the art without departing from the scope of protection of the main claim. In this way, the inlet and outlet can also be arranged opposite one another or in a different manner, or several inlets and outlets can be formed, so that the throughflow opening or openings are correspondingly placed differently in the rotary valve member. A flap can also be used as a valve body. Of course, the design of the transmission can also be changed, for example a spur gear can be used. A multi-part design of the is also conceivable
Drehschiebergliedes mit dem Planetenträger beziehungsweise eine Ausführung mit einem anderen Getriebe, wie beispielsweise einem Wolfromgetriebe, bei dem die Planetenräder schwimmend gelagert sein können und mit dem deutlich höhere Untersetzungen als im gezeigten Ausführungsbeispiel erzielt werden können. Auch könnte der Gebermagnet am Rotor befestigt sein oder sensorlos die Rotorstellung bestimmt werden. Insbesondere jedoch können verschiedene Sensoren benutzt werden. So kann der Ventilpositionssensor auch ein kontinuierlich arbeitender Sensor sein, wodurch ein redundantes System gebildet wird, was es ermöglicht die Messwerte abzugleichen und so Fehler aufzudecken oder die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen. Neben den zahnförmigen Geberelementen können auch direkt Permanentmagneten als Geberelemente zur Änderung des auf den Ventilpositionssensor wirkenden magnetischen Feldes benutzt werden. Weitere konstruktive Änderungen sind selbstverständlich ebenfalls denkbar. Rotary slide member with the planet carrier or a version with another gear, such as a Wolfrom gear, in which the planet gears can be floating and with which significantly higher reductions than in the embodiment shown can be achieved. The encoder magnet could also be attached to the rotor or the rotor position could be determined without a sensor. In particular, however, various sensors can be used. The valve position sensor can also be a continuously operating sensor, creating a redundant system, which enables the measured values to be compared and thus to detect errors or to increase the accuracy of the measurements. In addition to the tooth-shaped transmitter elements, permanent magnets can also be used directly as transmitter elements to change the magnetic field acting on the valve position sensor. Further design changes are of course also conceivable.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Ventilvorrichtung mit einem Aktor (34), der einen Elektromotor (35) mit einem angetriebenen Rotor (40) aufweist, einem mittels des Aktors (34) antreibbaren Ventilkörper (20), einer Lagerückmeldungseinheit (62, 66) am Elektromotor (35), über die eine Position des Rotors (40) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilvorrichtung einen Ventilpositionssensor (74) aufweist, der ein Signal aus einem sich aufgrund der Drehung des Ventilkörpers (20) ändernden magnetischen Feldes erzeugt. 1. Valve device with an actuator (34) which has an electric motor (35) with a driven rotor (40), a valve body (20) which can be driven by means of the actuator (34), a position feedback unit (62, 66) on the electric motor (35) , via which a position of the rotor (40) can be determined, characterized in that the valve device has a valve position sensor (74) which generates a signal from a magnetic field that changes due to the rotation of the valve body (20).
2. Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilpositionssensor (74) ein Schalter ist, der an einer Referenzposition des Ventilkörpers (20) beim Vorbeiführen eines Geberelementes (72) schaltet. 2. Valve device according to claim 1, characterized in that the valve position sensor (74) is a switch which switches to a reference position of the valve body (20) when a transmitter element (72) is passed.
3. Ventilvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilpositionssensor (74) ein Hallschalter ist, der mit einem am Ventilkörper (20) befestigten Permanentmagneten zusammenwirkt oder ein Hallschalter mit einem Permanentmagneten (75) ist, der mit einem magnetisierbaren Element als Geberelement (72) am Ventilkörper (20) zusammenwirkt. 3. Valve device according to claim 2, characterized in that the valve position sensor (74) is a Hall switch which interacts with a permanent magnet attached to the valve body (20) or is a Hall switch with a permanent magnet (75) which is equipped with a magnetizable element as a transmitter element ( 72) cooperates on the valve body (20).
4. Ventilvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Ventilkörper (20) mehrere Permanentmagneten oder mehrere Geberelemente (72) befestigt sind, durch die der Ventilpositionssensor (74) schaltet. 4. Valve device according to claim 3, characterized in that a plurality of permanent magnets or a plurality of transmitter elements (72) through which the valve position sensor (74) switches are attached to the valve body (20).
5. Ventilvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geberelemente (72) unterschiedliche Breiten aufweisen oder in einem unterschiedlichen Abstand zueinander über den Umfang verteilt angeordnet sind. 5. Valve device according to claim 4, characterized in that the transmitter elements (72) have different widths or are arranged distributed over the circumference at a different distance from one another.
6. Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerückmeldungseinheit (62, 66) und der Ventilpositionssensor (74) mit einer Steuereinheit (69) verbunden sind, wobei die Steuereinheit (69) ab der mittels des Ventilpositionssensors (74) ermittelten Referenzposition aufgrund der ermittelten Daten der Lagerückmeldungseinheit (62, 66) die weitere Drehung berechnet. 6. Valve device according to one of the preceding claims, characterized in that the position feedback unit (62, 66) and the valve position sensor (74) are connected to a control unit (69), the control unit (69) being determined by means of the valve position sensor (74) Reference position calculated based on the determined data of the position feedback unit (62, 66) the further rotation.
7. Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerückmeldungseinheit des Elektromotors durch einen Positionssensor (66) gebildet ist, in dem durch ein magnetisches Feld des Elektromotors (35) oder eines Gebermagneten (62) am Rotor (40) oder an einer Aktorwelle (22) eine Spannung erzeugbar ist, die korrespondierend zur Position des Rotors (40) oder der Aktorwelle (22) ist. 7. Valve device according to one of the preceding claims, characterized in that the position feedback unit of the electric motor is formed by a position sensor (66) in which by a magnetic field of the electric motor (35) or a transmitter magnet (62) on the rotor (40) or on an actuator shaft (22) can generate a voltage which corresponds to the position of the rotor (40) or the actuator shaft (22).
8. Ventilvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerückmeldungseinheit des Elektromotors (35) durch die Steuereinheit (69) des Elektromotors (35) und einen Strommesser oder Spannungsmesser gebildet ist, über die mittels einer Modell- basierten EMK-Methode oder EMK-Methode mit Nulldurchgang die Rotorlage bestimmbar ist. 8. Valve device according to claim 6, characterized in that the position feedback unit of the electric motor (35) is formed by the control unit (69) of the electric motor (35) and an ammeter or voltmeter, via which a model based EMK method or EMK method with zero crossing the rotor position can be determined.
9. Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (40) und dem Ventilkörper (20) ein Getriebe (46) ausgebildet ist. 9. Valve device according to one of the preceding claims, characterized in that a gear (46) is formed between the rotor (40) and the valve body (20).
10. Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (35) elektronisch kommutiert ist und der Positionssensor (66) die Lage des permanentmagnetischen Rotors (60) detektiert und das Signal des Positionssensors (66) zur Kommutierung des Elektromotors (35) genutzt wird. 10. Valve device according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor (35) is electronically commutated and the position sensor (66) detects the position of the permanent magnetic rotor (60) and the signal from the position sensor (66) for commutation of the electric motor (35) ) is being used.
11. Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (20) ein Drehschieber ist. 11. Valve device according to one of the preceding claims, characterized in that the valve body (20) is a rotary slide valve.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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