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DE102008006199A1 - Actuating drive i.e. phase adjuster, for e.g. adjusting element at camshaft of internal combustion engine, has power transformer with primary coil and secondary coil, whose number of turns is greater than number of turns of primary coil - Google Patents

Actuating drive i.e. phase adjuster, for e.g. adjusting element at camshaft of internal combustion engine, has power transformer with primary coil and secondary coil, whose number of turns is greater than number of turns of primary coil Download PDF

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DE102008006199A1
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Abstract

The drive has a transverse flux motor (1) rotatable with a machine element for driving an adjusting element, where the motor includes a rotor (3) and a stator (4). An inductive power transformer (22) includes a primary coil (23) at a machine frame and a secondary coil (24) at the motor. The primary coil and the secondary coil are arranged opposite to each other. A number of turns of the secondary coil is greater than a number of turns of the primary coil. The adjusting element is driven via a planetary gear (2) by the motor, and the primary coil is connected to a voltage regulator.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stellantrieb für ein Verstellelement an einem gegenüber einem Maschinengestell rotierenden Maschinenelement. Derartige Stellantriebe werden beispielsweise in Form eines Phasenverstellers zum Verstellen der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors eingesetzt.The The present invention relates to an actuator for a Adjustment element on one opposite a machine frame rotating machine element. Such actuators are used for example in Shape of a phase adjuster for adjusting the relative angular position a camshaft relative to a crankshaft of an internal combustion engine used.

Aus der DE 41 10 195 A1 ist eine Verstellvorrichtung für einen Nockenwelle bekannt, die eine Relativverstellung zwischen einer Nockenwelle und einem sie antreibenden Antriebsrad eines Verbrennungsmotors ermöglicht. Hierfür ist ein Elektromotor vorgesehen, der über ein Stellgetriebe eine Relativverstellung bewirkt. Der Stator des Elektromotors ist ortsfest im Gehäuse angeordnet und das Stellgetriebe ist zusammen mit dem Rotor auf einem Wellenstück relativ drehbar zur Nockenwelle gelagert, wobei das Wellenstück als Bestandteil des Innenteils mit dem Nockenendstück drehfest verbunden ist. Wird der Elektromotor mit einer Spannung beaufschlagt, so wird ein kurzzeitiges Schneller- oder Langsamerlaufen des sich mitdrehenden Stellgetriebes erzielt, sodass eine Relativverstellung der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad erfolgt. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Leistung des Elektromotors deutlich höher als die nutzbare Leistung zur Relativverstellung sein muss, da das Drehmoment zum Verstellen mit einer um die Systemdrehzahl erhöhten Drehzahl übertragen werden muss. Ein weiterer Nachteil rührt daher, dass das Stellgetriebe selbsthemmend ausgeführt werden muss, damit zusätzliche Kräfte zum Halten des Getriebes nicht erforderlich werden. Hierfür wird das Stellgetriebe mit einem niedrigen mechanischen Wirkungsgrad von beispielsweise weniger als 40% ausgeführt, wodurch die Leistung des Elektromotors nochmals erhöht auszulegen ist. Folglich wird die Stromversorgung für den Elektromotor in einem hohen Maße belastet, wodurch die Kosten für die Elektronik zur Ansteuerung des Elektromotors hoch sind.From the DE 41 10 195 A1 an adjusting device for a camshaft is known, which allows a relative displacement between a camshaft and a driving drive wheel of an internal combustion engine driving them. For this purpose, an electric motor is provided which causes a relative adjustment via a control gear. The stator of the electric motor is arranged stationarily in the housing and the adjusting gear is mounted together with the rotor on a shaft piece relatively rotatable to the camshaft, wherein the shaft piece is rotatably connected as part of the inner part with the cam end piece. If the electric motor is subjected to a voltage, then a brief fast or slow running of the co-rotating adjusting gear is achieved, so that a relative displacement of the camshaft relative to the drive wheel takes place. The disadvantage of this solution is that the power of the electric motor must be significantly higher than the usable power for relative adjustment, since the torque must be transmitted to adjust with an increased speed to the system speed. Another disadvantage is due to the fact that the control gear must be self-locking, so that additional forces to hold the transmission are not required. For this purpose, the actuating gear is designed with a low mechanical efficiency of, for example, less than 40%, whereby the power of the electric motor is interpreted to be increased again. Consequently, the power supply for the electric motor is loaded to a high degree, whereby the cost of the electronics for driving the electric motor are high.

Aus der EP 0 903 471 A1 ist eine Vorrichtung zur Verstellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen Verstellmechanismus aufweist, der durch einen fest mit der Nockenwelle oder mit dem Antriebsrad verbundenen Elektromotor betätigt wird. Eine Verstellung wird dadurch erreicht, dass der Verstellmechanismus ein Planetengetriebe umfasst. Damit sich der Elektromotor gemeinsam mit dem Antriebsrad drehen kann, sind Schleifringe am Motor vorgesehen, die von feststehenden Schleifkontakten gespeist werden. Nachteilig an dieser Lösung ist der erforderliche Aufwand, um die Elektroenergie und die Steuerinformationen an den sich drehenden Motor zu übertragen. Der durch die Schleifringe und Schleifkontakte gebildete mechanische Drehübertrager benötigt einen abgedichteten Bauraum und gefährdet als Verschleißteil die Langzeitstabilität des Systems.From the EP 0 903 471 A1 a device for adjusting the camshaft of an internal combustion engine is known which has an adjusting mechanism which is actuated by a fixedly connected to the camshaft or the drive wheel electric motor. An adjustment is achieved in that the adjusting mechanism comprises a planetary gear. In order for the electric motor to rotate together with the drive wheel, slip rings are provided on the motor, which are fed by fixed sliding contacts. A disadvantage of this solution is the effort required to transmit the electrical energy and the control information to the rotating motor. The mechanical rotary transformer formed by the slip rings and sliding contacts requires a sealed space and endangers the long-term stability of the system as a wearing part.

Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Lösungen bekannt, bei denen ein induktiver Drehübertrager zur Übertragung der Elektroenergie auf einen sich drehenden Motor genutzt wird. Diese Lösungen erfordern sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite des Drehübertragers stromführende elektronische Bauelemente, wodurch diese Lösungen teuer sind.Farther are known from the prior art solutions in which an inductive rotary transformer for transmission the electric energy is used on a rotating engine. These solutions require both on the primary as well as on the secondary side of the rotary transformer current-carrying electronic components, causing these Solutions are expensive.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Stellantrieb, beispielsweise zur Verstellung einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, bei welchem eine sichere und langzeitstabile Übertragung der elektrischen Energie zum Elektromotor aufwandsarm ermöglicht ist.The The object of the present invention is to provide an actuator, for example, for adjusting a camshaft of an internal combustion engine in which a secure and long-term stable transmission the electrical energy to the electric motor allows little effort is.

Die genannte Aufgabe wird durch einen Stellantrieb gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.The The object is achieved by an actuator according to the attached claim 1.

Der erfindungsgemäße Stellantrieb ist zum Verstellen eines Verstellelementes an einem rotierenden Maschinenelement vorgesehen. Dieses Maschinenelement kann beispielsweise durch eine Nockenwelle gebildet sein, welche in einem Verbrennungsmotor rotiert. Die Rotation des Maschinenelementes erfolgt gegenüber einem Maschinengestell, beispielsweise einem Gehäuse des Verbrennungsmotors. Das Verstellelement wird durch einen elektrischen Motor angetrieben. Dieser Motor rotiert gemeinsam mit dem rotierenden Maschinenelement und weist einen Rotor sowie einen Stator auf. Es handelt sich bei dem Stator demzufolge um einen rotierenden Stator, da er gegenüber dem Maschinengestell rotiert. Der Stellantrieb umfasst weiterhin einen induktiven Leistungsübertrager zur Übertragung der elektrischen Energie zum Antrieb des elektrischen Motors. Der induktive Leistungsübertrager umfasst eine Primärspule, welche am Maschinengestell angebracht ist. Weiterhin umfasst der induktive Leistungsübertrager eine Sekundärspule, welche am Motor angeordnet ist und somit gemeinsam mit dem Motor und dem rotierenden Maschinenelement rotiert. Damit die elektrische Energie von der Primärspule auf die Sekundärspule übertragen werden kann, sind die Primärspule und die Sekundärspule gegenüberstehend zueinander angeordnet. Erfindungsgemäß ist eine Windungszahl der Sekundärspule größer als eine Windungszahl der Primärspule, sodass der Übertragungsfaktor des Leistungsübertragers größer als 1 ist.Of the Actuator according to the invention is for adjusting an adjustment provided on a rotating machine element. This machine element can for example by a camshaft be formed, which rotates in an internal combustion engine. The rotation the machine element is opposite to a machine frame, for example a housing of the internal combustion engine. The adjusting element is powered by an electric motor. This engine is rotating together with the rotating machine element and has a rotor and a stator. It is in the stator accordingly around a rotating stator, as it faces the machine frame rotates. The actuator also includes an inductive power transformer for transmitting the electrical energy to drive the electric motor. The inductive power transformer includes a primary coil which is attached to the machine frame is. Furthermore, the inductive power transformer comprises a secondary coil which is arranged on the engine and thus together with the engine and the rotating machine element rotates. So that the electrical energy from the primary coil on the secondary coil can be transmitted are the Primary coil and the secondary coil opposite arranged to each other. According to the invention is a Number of turns of the secondary coil greater as a number of turns of the primary coil, so the transmission factor of the power transformer greater than 1 is.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Stellantriebs besteht darin, dass im Vergleich zu Lösungen gemäß dem Stand der Technik eine verringerte elektrische Leistung zu übertragen ist. Im Stellantrieb kann ein nicht selbsthemmendes hocheffizientes Getriebe verwendet werden, wobei trotzdem nur kleine Verluste zum Halten bestimmter Positionen entstehen. Die Leistung für das Halten einer bestimmten Position entspricht den Eigenverlusten des Stellantriebs, da durch die hierfür erforderlichen durch den mitrotierenden Motor aufzubringenden Drehmomente nur Eigenverluste in Wicklungen im Stromkreis des Motors entstehen. Dies führt zu einer Verringerung der maximalen Stellleis tung um einen Faktor zwischen 2 und 3 oder mehr. Beispielsweise kann die Ausgangsleistung eines solchen Motors von 300 W auf 111 W gesenkt werden, wenn die benötigte Stellleistung 100 W beträgt.A significant advantage of the actuator according to the invention is that in comparison to solutions according to the prior art, a reduced electrical power is to be transmitted. In the actuator, a non-self-locking hochef be used efficient gear, but still only small losses for holding certain positions arise. The power for holding a certain position corresponds to the self-losses of the actuator, as caused by the necessary to be applied by the co-rotating engine torques only inherent losses in windings in the circuit of the motor. This leads to a reduction of the maximum Stellleis device by a factor between 2 and 3 or more. For example, the output power of such a motor can be reduced from 300 W to 111 W when the required actuating power is 100 W.

Die Primärspule ist bevorzugt elektrisch an einen Spannungsregler angeschlossen, sodass sie mit einer konstanten Spannung versorgt wird, was gleichzeitig zu einer konstanten Ausgangsspannung der Sekundärspule führt.The Primary coil is preferably electrically connected to a voltage regulator connected so that it supplies a constant voltage which, at the same time, results in a constant output voltage Secondary coil leads.

Die Verwendung des induktiven Leistungsübertragers als Hochsetzsteller, der bevorzugt durch eine geregelte Spannung gespeist wird, führt dazu, dass beispielsweise bis zu 90% der erforderlichen Chipfläche für Leistungshalbleiter gegenüber den Lösungen gemäß dem Stand der Technik mit einem stationären Stator eingespart werden können. Zusätzlich reduziert sich der gesamte Leistungsbedarf in der Spitze um bis zu 80%, wodurch auch die Leistungshalbleiter auf der stationären Seite erheblich kleiner ausgeführt werden. Trotz der durch die zusätzliche Energiewandlung bedingten höheren Anzahl von Funktionsbauteilen ist der Gesamtbedarf an Chipfläche in Summe aller Leistungshalbleiter deutlich kleiner als bei Lösungen mit stationärem Stator.The Use of the inductive power transformer as boost converter, which is preferably fed by a regulated voltage leads to that, for example, up to 90% of the required chip area for power semiconductors over the solutions according to the prior art with a stationary Stator can be saved. Additionally reduced the total power requirement in the top by up to 80%, which means also the power semiconductors on the stationary side be made considerably smaller. Despite being by the additional energy conversion conditional higher Number of functional components is the total requirement of chip area in sum of all power semiconductors significantly smaller than in solutions with stationary stator.

Durch die Verwendung des Drehübertrages als geregelten Hochsetzwandler, der beispielsweise KFZ-typische Spannungen in Höhe von 6 V bis 28 V auf eine konstante Spannung in Höhe von 30 V (±1 V) hochsetzt, kann eine konstante Versorgungsspannung des elektrischen Motors sichergestellt werden. Somit fließt in dem für die Auslegung relevanten ungünstigsten anzunehmenden Fall bei beispielsweise 120 W Ansteuerleistung nicht ein Strom in Höhe von 20 A, sondern nur ein Strom in Höhe von 4 A durch die Sekundärelektronik. Die Bauelemente können daher wesentlich kleiner ausgelegt werden. Da die geforderte Spannungsfestigkeit nicht ansteigt, könnte die Chipfläche bei gleichem Wirkungsgrad quadratisch zum Hochsetzfaktor sinken.By the use of the rotary transmission as a regulated boost converter, for example, the typical vehicle voltages in the amount of 6V to 28V to a constant voltage of 30 V (± 1 V), can be a constant supply voltage be ensured of the electric motor. Thus flows in the most unfavorable for the interpretation assumed case with, for example, 120 W driving power not a current of 20 A, but only a current in height of 4 A through the secondary electronics. The components can therefore be designed much smaller. Because the required dielectric strength does not increase, the chip area could be the same Efficiency quadratic decrease to the boost factor.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebes ist dieser dafür ausgelegt, dass eine von außen zum Betrieb des Stellantriebes zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung grundsätzlich größer als die an der Primärspule anzulegende Spannung ist. Insofern diese Versorgungsspannung schwanken kann, ist deren Minimalwert größer als die an der Primärspule anzulegende Spannung. Die von außen zum Betreib des Stellantriebes zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung ist in den meisten Fällen eine Gleichspannung. Anderenfalls ist sie bevorzugt gleichzurichten. Die als Gleichspannung anliegende Versorgungsspannung bzw. die gleichgerichtete Versorgungsspannung wird mit einem Wechselrichter (Zerhacker) in eine an die Primärspule anzulegende Wechselspannung gewandelt. Aufgrund der beschriebenen Spannungsverhältnisse bedarf es für den Betrieb des Wechselrichters lediglich einer Arbeitsweise als Tiefsetzwandler, wodurch der Aufwand für die Steuerelektronik nochmals gemindert ist. Die im Wechselrichter vorhandenen Transistoren werden bei einer möglichen Erhöhung der von außen zum Betrieb des Stellantriebes zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung immer kürzer eingeschaltet, das heißt, dass das Tastverhältnis der Transistoren gesenkt wird. Hierdurch wird die an der Primärspule anliegende, von der Induktivität geglättete hochfrequente Wechselspannung begrenzt.at a preferred embodiment of the invention Actuator this is designed to be one of outside to operate the actuator available Asked supply voltage is generally greater than the voltage to be applied to the primary coil. insofar this supply voltage can fluctuate is its minimum value greater than that to be applied to the primary coil Tension. The outside of the operation of the actuator Provided supply voltage is in the most cases a DC voltage. Otherwise it is preferably to rectify. The supply voltage applied as DC voltage or the rectified supply voltage is with an inverter (Chopper) in a to be applied to the primary coil AC voltage changed. Due to the voltage conditions described it only requires for the operation of the inverter an operation as buck converter, whereby the effort for the control electronics is reduced again. The inverter existing transistors are at a possible increase from the outside to the operation of the actuator available Asked supply voltage switched on shorter and shorter, that is, the duty cycle of the transistors is lowered. As a result, the voltage applied to the primary coil, high-frequency AC voltage smoothed by the inductance limited.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebs wird das Verstellelement über ein Planetengetriebe durch den Motor angetrieben. Ein Sonnenrad des Planetengetriebes ist drehfest am Rotor angebracht, während das Verstellelement durch ein oder mehrere Planetenräder des Planetengetriebes angetrieben wird. Ein Hohlrad des Planetengetriebes ist am Stator des Motors befestigt.at a preferred embodiment of the invention Actuator is the adjusting element via a planetary gear driven by the engine. A sun gear of the planetary gear is rotatably attached to the rotor while the adjusting element by one or more planetary gears of the planetary gear is driven. A ring gear of the planetary gear is on the stator attached to the engine.

Der Motor ist bevorzugt als Transversalflussmotor ausgebildet, auf dessen Stator das Hohlrad des Planetengetriebes aufgesetzt ist. Ein Vorteil des Transversalflussmotors besteht darin, dass er ein hohes Drehmoment und einen sehr niedrigen Klemmenwiderstand aufweist. Durch das Aufsetzen des Hohlrades des Planetengetriebes auf den Stator des Transversalflussmotors können der Stator und das Hohlrad eine funktionelle Einheit bilden, welche Platz sparend ausgeführt werden kann.Of the Motor is preferably designed as a transverse flux motor, on the Stator the ring gear of the planetary gear is placed. An advantage the transverse flux motor is that he has a high torque and has a very low terminal resistance. By putting on of the ring gear of the planetary gear on the stator of the transverse flux motor Both the stator and the ring gear can be a functional unit form, which can be carried out space-saving.

Der erfindungsgemäße Stellantrieb ist insbesondere als Phasenversteller zum Verstellen der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors geeignet. Der erfindungsgemäße Stellantrieb ist jedoch auch für viele weitere Anwendungen geeignet, beispielsweise zum Verstellen der Winkellage einer Kurbel eines Kurbel-CFT. Bei einem Kurbel-CFT (continuously variable transmission) handelt es sich um ein kontinuierlich verstellbares Getriebe, bei welchem eine Verstellung dadurch erzielt wird, dass die Winkellage einer Kurbel verändert wird. Kurbel-CFT werden oft derart ausgeführt, dass sich mehrere Kurbeln in einem Getriebegehäuse drehen und einen gemeinsamen Abtrieb antreiben. Eine weitere Anwendung für den erfindungsgemäßen Stellantrieb ist die Verstellung einer Kupplung, beispielsweise einer Allradkupplung. Hierbei dient der erfindungsgemäße Stellantrieb zum Verschieben eines Verstellelementes einer rotierenden Kupplungsscheibe, welche gegenüber weiteren Komponenten der Kupplung in einem Gehäuse rotiert. Grundsätzlich ist der erfindungsgemäße Stellantrieb für unterschiedliche Verstellbewegungen des Verstellelementes geeignet, beispielsweise für rotatorische oder translatorische Verstellbewegungen.The actuator according to the invention is particularly suitable as a phaser for adjusting the relative angular position of a camshaft relative to a crankshaft of an internal combustion engine. However, the actuator according to the invention is also suitable for many other applications, for example for adjusting the angular position of a crank of a crank CFT. A Crank (CFT) (continuously variable transmission) is a continuously variable transmission in which an adjustment is achieved by changing the angular position of a crank. Crank CFTs are often designed so that several cranks rotate in a gearbox housing and drive a common output. Another application for the actuator according to the invention is the adjustment of a clutch, such as a four-wheel drive clutch. Here, the actuator according to the invention is used to move an adjusting a rotating clutch disc, which rotates relative to other components of the clutch in a housing. In principle, the actuator according to the invention is suitable for different adjustment movements of the adjusting element, for example for rotary or translatory adjusting movements.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.Further Advantages, details and developments of the present invention result from the following description of a preferred embodiment, with reference to the drawing.

Die einzige 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebs in einer Querschnittsdarstellung. Der gezeigte Stellantrieb eignet sich insbesondere zur Verstellung der Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber einem durch eine Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad. Der erfindungsgemäße Stellantrieb umfasst einen Transversalflussmotor 01 und ein Planetengetriebe 02. Der Transversalflussmotor 01 weist einen Rotor 03 und einen Stator 04 auf. Der Stator 04 ist durch ein Gehäuse 06 umschlossen, in welches ein Hohlrad 07 des Planetengetriebes 02 eingesetzt ist. Hierfür weist das Hohlrad 07 eine Anschlusshülse 08 auf, welche in einen inneren Umfang des Gehäuses 06 des Stators 04 eingesetzt ist und eine Befestigung am Stator 04 ermöglicht. Die Anschlusshülse 08 des Hohlra des 07 ist auf ein Wälzlager 09 aufgesetzt, welches seinerseits auf eine Welle 11 des Rotors 03 aufgesetzt ist. Das Wälzlager 09 ermöglicht eine Lagerung des Rotors 03 im Stator 04. Auf der Welle 11 des Rotors 03 ist ein Sonnenrad 12 des Planetengetriebes 02 befestigt. Das Sonnenrad 12 steht in Eingriff mit Planetenrädern 13, welche ihrerseits wiederum in Eingriff mit dem Hohlrad 07 stehen. Die Planetenräder 13 werden durch eine Planetenradführung 14 gelagert und geführt. Die Planetenradführung 14 weist einen Abtrieb 16 des Planetengetriebes 02 auf. Der Abtrieb 16 ist wie der Rotor 03 des Transversalflussmotors 01 um eine Drehachse 17 rotierbar.The only 1 shows a preferred embodiment of the actuator according to the invention in a cross-sectional view. The actuator shown is particularly suitable for adjusting the phase position of a camshaft of an internal combustion engine relative to a driven by a crankshaft drive wheel. The actuator according to the invention comprises a transverse flux motor 01 and a planetary gear 02 , The transverse flux motor 01 has a rotor 03 and a stator 04 on. The stator 04 is through a housing 06 enclosed in which a ring gear 07 of the planetary gear 02 is used. For this purpose, the ring gear 07 a connection sleeve 08 on which in an inner circumference of the housing 06 of the stator 04 is inserted and an attachment to the stator 04 allows. The connection sleeve 08 the Hohlra of 07 is on a rolling bearing 09 which in turn is based on a wave 11 of the rotor 03 is attached. The rolling bearing 09 allows storage of the rotor 03 in the stator 04 , On the wave 11 of the rotor 03 is a sun wheel 12 of the planetary gear 02 attached. The sun wheel 12 is engaged with planetary gears 13 which, in turn, engage the ring gear 07 stand. The planet wheels 13 be through a planetary gear 14 stored and guided. The planetary wheel guide 14 has an output 16 of the planetary gear 02 on. The downforce 16 is like the rotor 03 of the transverse flux motor 01 around a rotation axis 17 rotatable.

Wird der Stellantrieb als Phasensteller für eine Nockenwelle eines Verbrennungsmotors genutzt, so ist beispielsweise der Abtrieb 16 drehfest mit der Nockenwelle zu verbinden. Das Planetengetriebe 02 ist gegenüber dem Abtrieb 16 über das Hohlrad 07 anzutreiben, beispielsweise dadurch, dass ein Antriebsrad (nicht gezeigt) auf das Hohlrad 07 umfänglich aufgesetzt ist, welches durch die Kurbelwelle angetrieben wird. Solange sich der Rotor 03 im Transversalflussmotor 01 nicht dreht, ändert sich die relative Position des Sonnenrades 12 gegenüber den Planetenrädern 13 sowie gegenüber dem Hohlrad 07 nicht. Folglich bleibt das Planetengetriebe 02 in seiner Gesamtheit unverändert, sodass sich die Position des Antriebsrades gegenüber der Nockenwelle nicht verändert. Somit bleibt die Phasenlage der Kurbelwelle gegenüber der Nockenwelle konstant. Wird der Rotor 03 des Transversalflussmotors 01 angetrieben, so dreht sich das Sonnenrad 12 gegenüber dem Hohlrad 07, wodurch sich gleichzeitig die im Eingriff stehenden Planetenräder 13 drehen. Weiterhin wird hierdurch eine Drehung der Planetenradführung 14 gegenüber dem Hohlrad 07 bewirkt. Folglich ändert sich die Drehposition des Antriebsrades gegenüber der Nockenwelle, sodass eine Phasenverstellung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle ermöglicht ist.If the actuator used as a phaser for a camshaft of an internal combustion engine, so for example, the output 16 rotatably connected to the camshaft. The planetary gear 02 is opposite the output 16 over the ring gear 07 to drive, for example, by a drive wheel (not shown) on the ring gear 07 is circumferentially mounted, which is driven by the crankshaft. As long as the rotor 03 in the transverse flux motor 01 does not rotate, the relative position of the sun gear changes 12 opposite the planet wheels 13 as well as with respect to the ring gear 07 Not. Consequently, the planetary gear remains 02 unchanged in its entirety, so that the position of the drive wheel with respect to the camshaft does not change. Thus, the phase angle of the crankshaft relative to the camshaft remains constant. Will the rotor 03 of the transverse flux motor 01 driven, so the sun wheel rotates 12 opposite the ring gear 07 , which at the same time the meshing planetary gears 13 rotate. Furthermore, this will cause a rotation of the planetary gear 14 opposite the ring gear 07 causes. Consequently, the rotational position of the drive wheel relative to the camshaft changes, so that a phase adjustment of the camshaft relative to the crankshaft is possible.

Der Rotor 03 des Transversalflussmotors 01 weist an seinem äußeren Umfang Dauermagnete 18 auf. Die Dauermagnete 18 rotieren zwischen zwei Leiterringen 19, welche in Pulverkerne 21 im Stator 04 eingebracht sind.The rotor 03 of the transverse flux motor 01 has permanent magnets at its outer periphery 18 on. The permanent magnets 18 rotate between two conductor rings 19 , which in powder cores 21 in the stator 04 are introduced.

Bei dem erfindungemäßen Stellantrieb rotieren der Stator 04 und der Rotor 03 des Transversalflussmotors 01 gemeinsam mit dem rotierenden Maschinenelement, beispielsweise mit einer Nockenwelle und deren Antriebsrad. Um die elektrische Energie zum Antrieb des Transversalflussmotors 01 von einem nicht rotierenden Maschinengestell, beispielsweise einem Gehäuse eines Verbrennungsmotors auf den rotierenden Transversalflussmotor 01 zu übertragen, weist der erfindungsgemäße Stellantrieb einen induktiven Leistungsübertrager 22 auf, welcher eine Primärspule 23 und eine Sekundärspule 24 umfasst. Die Primärspule 23 ist in einem Primärkern 26 angeordnet. Die Sekundärspule 24 ist in einem Sekundärkern 27 angeordnet. Die Sekundärspule 24 ist gemeinsam mit dem Sekundärkern 27 in einer zylinderförmigen Ausnehmung im Stator 04 des Transversalflussmotors 01 angeordnet und dort befestigt. Folglich rotiert die Sekundärspule 24 gemeinsam mit dem Stator 04. Die Primärspule 23 ist gemeinsam mit dem Primärkern 26 an einem Maschinengestell (nicht gezeigt) befestigt. Der induktive Leistungsübertrager 22 ist somit als ein Drehübertrager ausgebildet. Der Primärkern 26 mit der Primärspule 23 ist innerhalb einer zylinderförmigen Ausnehmung im Stator 04 angeordnet und steht dem Sekundärkern 27 mit der Sekundärspule 24 gegenüber. Zwischen der Primärspule 23 und der Sekundärspule 24 ist ein Luftspalt 28 ausgebildet, über welchen eine induktive Leistungsübertragung zwischen der Primärspule 23 und der Sekundärspule 24 erfolgt.In the erfindungemäßen actuator rotate the stator 04 and the rotor 03 of the transverse flux motor 01 together with the rotating machine element, for example with a camshaft and its drive wheel. To the electrical energy to drive the transverse flux motor 01 from a non-rotating machine frame, for example a housing of an internal combustion engine, to the rotating transverse flux motor 01 to transmit, the actuator according to the invention has an inductive power transformer 22 on which a primary coil 23 and a secondary coil 24 includes. The primary coil 23 is in a primary nucleus 26 arranged. The secondary coil 24 is in a secondary core 27 arranged. The secondary coil 24 is in common with the secondary core 27 in a cylindrical recess in the stator 04 of the transverse flux motor 01 arranged and fastened there. Consequently, the secondary coil rotates 24 together with the stator 04 , The primary coil 23 is in common with the primary nucleus 26 attached to a machine frame (not shown). The inductive power transformer 22 is thus designed as a rotary transformer. The primary nucleus 26 with the primary coil 23 is within a cylindrical recess in the stator 04 arranged and is the secondary core 27 with the secondary coil 24 across from. Between the primary coil 23 and the secondary coil 24 is an air gap 28 formed, via which an inductive power transmission between the primary coil 23 and the secondary coil 24 he follows.

Durch die Anordnung des Primärkerns 26 mit der Primärspule 23 in der zylinderförmigen Ausnehmung des Stators 04 bilden der induktive Leistungsübertrager 22 und der Transversalflussmotor 01 eine kompakte zylinderförmige Einheit. Die Primärspule 23 und die Sekundärspule 24 sind derart ausgeführt, dass der induktive Leistungsübertrager 22 einen Übertragungsfaktor größer als 1 aufweist und somit eine Erhöhung der Spannung durch die induktive Leistungsübertragung erfolgt. Beispielsweise können die in einem KFZ typischen Spannungen zwischen 6 und 28 V auf eine Spannung von über 30 V transformiert werden. Der Transversalflussmotor 01 weist eine sekundärseitige Steuerelektronik 29 auf, die am äußeren Umfang des Rotors 03 befestigt ist und einen Gleichrichter sowie eine Motoransteuerung umfasst. Weiterhin weist der Trans versalflussmotor 01 eine primärseitige Steuerelektronik (nicht gezeigt) auf, die einen Spannungsregler zur Regelung der an der Primärspule 23 anliegenden Spannung umfasst, wodurch eine konstante Spannung an der Sekundärspule 24 gewährleistet wird. Der Gleichrichter und die Motoransteuerung in der sekundärseitigen Steuerelektronik 29 arbeiten lediglich mit dem durch das Spannungshochsetzverhältnis reduzierten Strom. Bei dem Spannungsregler in der primärseitigen Steuerelektronik kann es sich beispielsweise um einen Spannungsregler (vorzugsweise reiner Tiefsetzsteller) für eine Spannung von 6 V ± 0,2 V handeln. Die durch den induktiven Leistungsübertrager 22 um bis zu einen Faktor 5 (6 V auf 30 V) hochgesetzte und durch den in einem Zerhacker (nicht gezeigt) angeordneten Spannungsregler geregelte Spannung führt dazu, dass die erforderlichen Ströme kleiner werden. Sind beispielsweise 120 W Ansteuerleistung für den Stellantrieb erforderlich, so beträgt der maximale Strom durch die Steuerelektronik nur 4 A im Vergleich zu einem Strom von 20 A, der erforderlich wäre, wenn die minimale Spannung von 6 V nicht hochgesetzt würde. Hierdurch können die in der sekundärseitigen Steuerelektronik 29 verwendeten elektronischen Bauelemente wesentlich kleiner ausgelegt werden. Für das genannte Beispiel können die Widerstandwerte der elektronischen Bauelemente um einen Faktor höher ausfallen, der dem Quadrat des Verhältnisses der Spannungshochsetzung entspricht, ohne dass dies zu einer Erhöhung der Verluste in den elektronischen Bauelementen führt. Wird in der sekundärseitigen Steuerelektronik 29 beispielsweise ein MOSFET verwendet, so muss dessen Durchgangswiderstand lediglich 0,25 Ω statt 0,01 Ω betragen. Im gleichen Verhältnis kann die erforderliche Chipfläche von Leistungstransistoren bei steigendem Wirkungsgrad verringert werden. Mit der Größe (Kapazität) der Leistungstransistoren können auch Endstufentreiber mit deutlich kleinerer Chipfläche ausgeführt werden. Mit dem Strom reduzieren sich auch die Baugröße und Kosten von passiven Bauteilen (Kapazitäten und Induktivitäten), welche in der mit dem Stator 04 rotierenden sekundären Steuerelektronik 29 verwendet werden.By the arrangement of the primary core 26 with the primary coil 23 in the cylindrical recess of the stator 04 form the inductive power transformer 22 and the transverse flux motor 01 a compact cylindrical unit. The primary coil 23 and the secondary coil 24 are designed such that the inductive power transformer 22 one Transmission factor greater than 1 and thus an increase in the voltage due to the inductive power transmission takes place. For example, the typical voltages in a car between 6 and 28 V can be transformed to a voltage of over 30 V. The transverse flux motor 01 has a secondary-side control electronics 29 on, on the outer circumference of the rotor 03 is attached and includes a rectifier and a motor drive. Furthermore, the transversal flux motor 01 a primary-side control electronics (not shown) having a voltage regulator for controlling the primary coil 23 applied voltage, resulting in a constant voltage at the secondary coil 24 is guaranteed. The rectifier and the motor control in the secondary-side control electronics 29 only work with the current reduced by the voltage step-up ratio. The voltage regulator in the primary-side control electronics may, for example, be a voltage regulator (preferably pure buck converter) for a voltage of 6 V ± 0.2 V. The through the inductive power transformer 22 voltage regulated up to a factor of 5 (6V to 30V) and regulated by the voltage regulator located in a chopper (not shown) will cause the required currents to decrease. For example, if 120 W driving power is required for the actuator, the maximum current through the control electronics is only 4 A, compared to a current of 20 A, which would be required if the minimum voltage of 6 V were not increased. As a result, in the secondary-side control electronics 29 used electronic components are designed to be much smaller. For the example mentioned, the resistance values of the electronic components can be higher by a factor which corresponds to the square of the ratio of the voltage boost without this leading to an increase in the losses in the electronic components. Is in the secondary-side control electronics 29 For example, a MOSFET used, its volume resistance must be only 0.25 Ω instead of 0.01 Ω. In the same ratio, the required chip area of power transistors can be reduced with increasing efficiency. With the size (capacity) of the power transistors, it is also possible to implement output stage drivers with a significantly smaller chip area. With the current, the size and cost of passive components (capacitors and inductors), which in the with the stator 04 rotating secondary control electronics 29 be used.

Die elektronischen Bauelemente der sekundärseitigen Steuerelektronik 29, welche beispielsweise eine Endstufe und Gleichrichter umfasst, sind vorzugsweise in einen Smartpower-Baustein integriert. Hierdurch kann eine direkte Verdrahtung innerhalb einer Umspritzung eines Multichipbausteins erfolgen, der weitgehend den aktiven Teil der Steuerelektronik 29 darstellt, sodass kein Schaltungsträger oder ähnliche Komponenten für die sekundärseitige Steuerelektronik 29 erforderlich sind. Beispielsweise reduzieren sich durch die Verwendung eines Smartpower-Bausteines die Pinanzahl und damit die Anzahl der Lötstellen und der Leiterbahnen erheblich, beispielsweise von 80 auf 20.The electronic components of the secondary-side control electronics 29 , which includes, for example, a power amplifier and rectifier, are preferably integrated into a smart power module. In this way, a direct wiring can be carried out within an encapsulation of a multi-chip component, which largely the active part of the control electronics 29 represents, so no circuit carrier or similar components for the secondary-side control electronics 29 required are. For example, by using a smartpower device, the number of pits and thus the number of solder joints and the interconnects are reduced considerably, for example from 80 to 20.

Der Smartpower-Baustein ist einschließlich Peripheriebausteinen in ein MID-Bauteil integriert. Bei einem MID-Bauteil (molded interconnected device) handelt es sich um einen Schaltungsträger, bei welchem metallische Leiterbahnen auf einen spritzgegossenen Kunststoffträger aufgetragen sind. Durch die Verwendung eines MID-Bauteiles kann auf zusätzliche Schaltungsträger, beispielsweise in Form einer Platine, verzichtet werden. Weiterhin können die erforderlichen Leiterbahnen dreidimensional geführt werden, sodass Kontaktstecker zum Transversalflussmotor 01 oder auch Lagesensoren des Transversalflussmotors 01 direkt kontaktiert werden können.The Smartpower module, including peripheral modules, is integrated into an MID component. An MID component (molded interconnected device) is a circuit carrier in which metallic interconnects are applied to an injection-molded plastic carrier. The use of an MID component makes it possible to dispense with additional circuit carriers, for example in the form of a circuit board. Furthermore, the required interconnects can be guided in three dimensions, so that contact plug to Transversalflussmotor 01 or also position sensors of the transverse flux motor 01 can be contacted directly.

Der erfindungsgemäße Stellantrieb muss im Gegensatz zu vielen Lösungen gemäß dem Stand der Technik nicht mit einem selbsthemmenden Getriebe ausgeführt werden. Folglich kann die Übersetzung des Getriebes kleiner gewählt werden. Daher werden mit einer kleineren Motorleistung auch bei geringen Drehzahlen hohe Drehmomente des Stellantriebes bewirkt.Of the actuator according to the invention must in contrast to many solutions according to the state of Technique not carried out with a self-locking gear become. Consequently, the transmission ratio can be smaller to get voted. Therefore, with a smaller engine power even at low speeds high torques of the actuator causes.

Der im Vergleich zum Stand der Technik höhere Wirkungsgrad des Übertragungsgetriebes 02 ermöglicht eine Senkung der durch den induktiven Leistungsübertrager 22 zu übertragenden Leistung, wodurch auch die Primärspule 23 für entsprechend niedrigere Ströme ausgelegt werden kann und die Belastung der Versorgung sinkt. Folglich können neben aktiven auch passive Bauelemente zur Ansteuerung der Primärspule 23 entsprechend kleiner ausgelegt werden. Halbleiter einer H-Brücke vor der Primärspule 23 werden vorzugsweise ebenfalls in eineneinen elektronischen Baustein integriert.The higher compared to the prior art efficiency of the transmission gear 02 allows a reduction in the through the inductive power transformer 22 to be transmitted power, which also causes the primary coil 23 can be designed for correspondingly lower currents and the load on the supply decreases. Consequently, in addition to active and passive components for driving the primary coil 23 be designed correspondingly smaller. Semiconductor of an H-bridge in front of the primary coil 23 are preferably also integrated into an electronic device.

Durch die im Vergleich zum Stand der Technik verringerten zu übertragenden elektrischen Leistungen können die elektronischen Bauelemente sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite kleiner ausgeführt werden. Zusätzlich ist der LeistungsübertragerLeistungsübertrager 22 in den ringförmigen TransversalflussmotorTransversalflussmotor 01 integriert, sodass der Bauraumbedarf für den erfindungsgemäßen Stellantrieb gering ist. Zudem ist der Aufwand für ein nicht selbsthemmendes, niedrig übersetztes Übertragungsgetriebe 02 deutlich gesenkt.By reduced compared to the prior art to be transmitted electrical power, the electronic components can be made smaller both on the primary and on the secondary side. In addition, the power transformer is power transformer 22 into the annular transverse flux motor transverse flux motor 01 integrated, so that the space requirement for the actuator according to the invention is low. In addition, the cost of a non-self-locking, low translated transmission transmission 02 significantly lowered.

0101
Transversalflussmotortransverse flux
0202
Planetengetriebeplanetary gear
0303
Rotorrotor
0404
Statorstator
0505
-
0606
Gehäuse des Statorscasing of the stator
0707
Hohlradring gear
0808
Anschlusshülse des Hohlradesconnecting sleeve of the ring gear
0909
Wälzlagerroller bearing
1010
-
1111
Welle des Rotorswave of the rotor
1212
Sonnenradsun
1313
Planetenräderplanetary gears
1414
PlanetenradführungPlanetenradführung
1515
-
1616
Abtrieboutput
1717
Drehachseaxis of rotation
1818
Dauermagnetepermanent magnets
1919
Leiterringeconductor rings
2020
-
2121
Pulverkernepowder cores
2222
induktiver Leistungsübertragerinductive Power Transformers
2323
Primärspuleprimary coil
2424
Sekundärspulesecondary coil
2525
-
2626
Primärkernprimary core
2727
Sekundärkernsecondary core
2828
Luftspaltair gap
2929
sekundärseitige Steuerelektroniksecondary side control electronics

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - EP 0903471 A1 [0003] EP 0903471 A1 [0003]

Claims (14)

Stellantrieb für ein Verstellelement an einem gegenüber einem Maschinengestell rotierenden Maschinenelement, umfassend einen mit dem Maschinenelement rotierenden elektrischen Motor (01) zum Antrieb des Verstellelementes, der einen Rotor (03) und einen Stator (04) aufweist; und einen induktiven Leistungsübertrager (22), der eine Primärspule (23) am Maschinengestell und eine Sekundärspule (24) am Motor (01) umfasst, wobei die Primärspule (23) und die Sekundärspule (24) gegenüberstehend zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Windungszahl der Sekundärspule (24) größer als eine Windungszahl der Primärspule (23) ist.Actuator for an adjusting element on a machine element rotating relative to a machine frame, comprising an electric motor rotating with the machine element (US Pat. 01 ) for driving the adjusting element, which has a rotor ( 03 ) and a stator ( 04 ) having; and an inductive power transformer ( 22 ), which is a primary coil ( 23 ) on the machine frame and a secondary coil ( 24 ) on the engine ( 01 ), wherein the primary coil ( 23 ) and the secondary coil ( 24 ) are arranged opposite one another, characterized in that a number of turns of the secondary coil ( 24 ) greater than one turn number of the primary coil ( 23 ). Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement über ein Planetengetriebe (02) durch den Motor (01) angetrieben wird, und dass die Primärspule (23) elektrisch an einen Spannungsregler angeschlossen ist.Actuator according to claim 1, characterized in that the adjusting element via a planetary gear ( 02 ) by the engine ( 01 ), and that the primary coil ( 23 ) is electrically connected to a voltage regulator. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sonnenrad (12) des Planetengetriebes (02) drehfest mit dem Rotor (03) des Motors (01) verbunden ist und dass das Verstellelement durch ein Planetenrad (13) des Planetengetriebes (02) angetrieben wird.Actuator according to claim 2, characterized in that a sun gear ( 12 ) of the planetary gear ( 02 ) rotatably with the rotor ( 03 ) of the motor ( 01 ) is connected and that the adjusting element by a planetary gear ( 13 ) of the planetary gear ( 02 ) is driven. Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad (07) des Planetengetriebes (02) am Stator (04) des Motors (01) befestigt ist.Actuator according to claim 3, characterized in that a ring gear ( 07 ) of the planetary gear ( 02 ) on the stator ( 04 ) of the motor ( 01 ) is attached. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor durch einen Transversalflussmotor (01) gebildet ist, auf dessen Stator (04) das Hohlrad (07) aufgesetzt ist.Actuator according to claim 4, characterized in that the motor by a transverse flux motor ( 01 ) is formed on the stator ( 04 ) the ring gear ( 07 ) is attached. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (04) eine zylinderförmige Ausnehmung aufweist, in welcher die Primärspule (23) des Leistungsübertragers (22) angeordnet ist.Actuator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the stator ( 04 ) has a cylindrical recess in which the primary coil ( 23 ) of the power transmitter ( 22 ) is arranged. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahl der Sekundärspule (24) um den Faktor 2 bis 10 größer als die Windungszahl der Primärspule (23) ist.Actuator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the number of turns of the secondary coil ( 24 ) by a factor of 2 to 10 greater than the number of turns of the primary coil ( 23 ). Stellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahl der Sekundärspule (24) um den Faktor 3 bis 5 größer als die Windungszahl der Primärspule (23) ist.Actuator according to claim 7, characterized in that the number of turns of the secondary coil ( 24 ) by a factor of 3 to 5 greater than the number of turns of the primary coil ( 23 ). Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsgleichrichter sowie weitere elektronische Bauelemente zur Ansteuerung des Motors (01) in einen Smartpower-Baustein integriert sind.Actuator according to one of claims 1 to 8, characterized in that a voltage rectifier and other electronic components for controlling the motor ( 01 ) are integrated in a smart power module. Stellantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Smartpower-Baustein einschließlich Peripheriebausteinen in ein MID-Bauteil (29) integriert ist.Actuator according to claim 9, characterized in that the smart power module including peripheral components in an MID component ( 29 ) is integrated. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er für eine von außen zum Betrieb des Stellantriebes zur Ver fügung gestellte Versorgungsspannung ausgeführt ist, die größer als die an der Primärspule (23) anzulegende Spannung ist.Actuator according to one of claims 1 to 10, characterized in that it is designed for a request from the outside to the operation of the actuator for use Ver supply voltage which is greater than that at the primary coil ( 23 ) is to be applied voltage. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Stellen des Verstellelementes an einer das rotierende Maschinenelement bildenden Nockenwelle eines Verbrennungsmotors ausgeführt ist.Actuator according to one of claims 1 to 11, characterized in that it provides for the adjustment on a camshaft forming the rotating machine element Internal combustion engine is executed. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Stellen eines Verstellelementes an einer das rotierende Maschinenelement bildenden Kurbel eines Kurbel-CFT ausgeführt ist.Actuator according to one of claims 1 to 11, characterized in that it provides an adjusting element on a crank forming the rotating machine element Crank-CFT is executed. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Stellen eines Verstellelementes an einer das rotierende Maschinenelement bildenden Kupplungsscheibe einer Kupplung ausgeführt ist.Actuator according to one of claims 1 to 11, characterized in that it provides an adjusting element on a clutch disc forming the rotating machine element a coupling is executed.
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