DE102013221158A1

DE102013221158A1 - Elektrischer Antrieb

Info

Publication number: DE102013221158A1
Application number: DE201310221158
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Feigel
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-04-23
Also published as: WO2015055493A2; WO2015055493A3

Abstract

Ein Elektrischer Antrieb (2) mit einem feststehenden Außenstator (20) und Innenstator (96) und einem Rotor (50), der eine ferromagnetische Rotorhülse (56) umfasst, an der an der zum Außenstator (20) zu gewandten Seite Permanentmagnete (62) angebracht sind, und mit einem Rotations-Translations-Getriebe (78), umfassend eine sich mit dem Rotor (50) mitdrehende Spindel (80) und eine gegenüber der Spindel (80) verdrehbare Mutter (86), soll ein möglichst geringes Trägheitsmoment aufweisen und gleichzeitig einfach in der Fertigung sein. Dazu ist vorgesehen, dass der Innenstator eine Verdrehsicherung für die Mutter (86) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb mit einem feststehenden Außenstator und einem Innenstator und einem Rotor, der eine ferromagnetische Rotorhülse umfasst, an der an der zum Außenstator zugewandten Seite Permanentmagnete angebracht sind, und mit einem Rotations-Translations-Getriebe, umfassend eine sich mit dem Rotor mitdrehende Spindel und eine gegenüber der Spindel verdrehbare Mutter.
Derartige elektrische Antriebe finden in einer Vielzahl technischer Gebiete Verwendung. So werden sie beispielsweise als Linearaktuatoren eingesetzt, bei denen durch elektronische Ansteuerung ein Aktuatorelement linear hin- und hergefahren werden soll.
Ein typisches Einsatzgebiet sind „aktive“ Bremssysteme für Kraftfahrzeuge, in denen in den Bremskreisen ohne Muskelkraft des Fahrers Bremsdruck aufgebaut werden kann. Derartige Bremssystem werden gewöhnlich in einem „Brake-by-Wire“-Modus betrieben, in dem der Fahrer mit Hilfe einer Pedalentkopplungseinheit vom direkten Zugriff auf die Bremsen entkoppelt wird. Durch einen Pedalsimulator wird ihm beim Betätigen des Bremspedals ein möglichst angenehmes und vertrautes Bremsgefühl vermittelt, während er Bremsflüssigkeit in einen Simulator verschiebt. Durch eine Wegsensorik, die beispielsweise einen Weg- und/oder Winkelsensor umfassen kann, wird ein Maß für die Betätigung des Bremspedals ermittelt, woraus dann der Bremswunsch des Fahrers ermittelt wird. Daraus wird dann in einer Steuer- und Regeleinheit ein Sollbremsmoment bzw. ein Sollbremsdruck bestimmt, welcher dann mit Hilfe einer Druckbereitstellungseinrichtung in den Bremsen eingestellt wird. Dazu wird mit Hilfe eines elektrischen Antriebs, umfassend einen Elektromotor sowie ein nachgeschaltetes Rotations-Translationsgetriebe ein Druckkolben in einen hydraulischen Druckraum geschoben, wodurch Bremsflüssigkeit in die Bremsen gefördert wird.
In oben beschriebenen Bremssystemen können Sicherheitsprogramme wie ABS, TCS und Komfortprogramme wie HSA komfortabel für den Fahrer realisiert werden. Die Sicherheitsprogramme erfordern gewöhnlich schnelle Regelvorgänge, bei denen gezielt an einzelnen Bremsen schnell Druck auf- und abgebaut werden muss. Dazu muss der Kolben schnell hin und her gefahren, d. h. auch schnell reversiert, werden. Bei dieser schnell durchzuführenden Stellbewegung ist das Trägheitsmoment des Rotors maßgeblich.
Aus der WO 2007/022833 A1 ist ein elektrischer Antrieb mit einem Außenstator und einem Innenstator bekannt, wobei sich der Innenstator nicht mit dem Rotor, welcher wenigstens ein topfförmiges Teil aufweist, dreht und somit nicht zu seinem Trägheitsmoment beiträgt. Nachteilig bei einer derartigen Konfiguration ist die aufwändige Fertigung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Antrieb dahingehend zu verbessern, dass er ein möglichst geringes Trägheitsmoment aufweist und gleichzeitig einfach in der Fertigung ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Innenstator eine Verdrehsicherung für die Mutter umfasst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei vielen herkömmlichen elektrischen Antrieben ein großer Beitrag zum Trägheitsmoment von dem Eisenrückschluss herrührt. Eine deutliche Reduktion des Trägheitsmomentes des Rotors kann allerdings erreicht werden, wenn der Eisenrückschluss nicht an der Rotation des Rotors beteiligt ist. Dies kann durch die Bildung eines Innenstators erreicht werden, der innerhalb des Rotors angeordnet ist und als Eisenrückschluss dient, so dass der äußere Teil des Rotors, der mit Permanentmagneten versehen ist, zwischen Innenstator und Außenstator rotiert.
Wie nunmehr erkannt wurde, lässt die Tatsache, dass sich der innere Stator nicht mit dem Rotor dreht, eine weitere Funktion des Innenstators zu. Damit der elektrische Antrieb als Linearaktuator fungieren kann, bei dem die Drehbewegung des Rotors bzw. der Spindel in eine lineare Bewegung umgewandelt wird, muss die Mutter gegen Rotation gesichert sein, das heißt, es muss eine Verdrehsicherung für die Mutter vorgesehen sein. Da nun der Innenstator innerhalb des Rotors und gewissermaßen benachbart zu der Mutter angeordnet ist, kann er aufgrund seiner starren räumlichen Anordnung als Verdrehsicherung für die Mutter eingesetzt werden. Dem Innenstator kommt somit eine Doppelfunktion zu. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Bauteile für eine Verdrehsicherung der Mutter verzichtet werden, so dass die Fertigung des Antriebs vereinfacht wird.
Vorteilhafterweise ist die Verdrehsicherung durch eine in dem Innenstator verlaufende Nut und ein an der Mutter angeformtes Eingriffelement gebildet, welches beim Drehen der Spindel in der Nut in axialer Richtung läuft. Die Verdrehsicherung umfasst also die Nut im Innenstator und das Eingriffelement an der Mutter, welches vorzugsweise in der Art eines Nockens, Blocks oder Keils ausgebildet ist und bei einer Rotation der Spindel mit möglichst geringem Spiel in der Nut läuft, so dass Reversierungen der Spindeldrehrichtung möglichst unmittelbar zu Reversierungen der Linearbewegungen der Mutterführen. In beispielhafter alternativer Ausgestaltung ist in der Mutter eine Nut ausgebildet, die einen von dem Innenstator radial nach innen abstehender länglichen Nocken oder Kamm formschlüssig umfasst, so dass die Rotation der Mutter verhindert wird.
Der Innenstator ist vorzugsweise als innerhalb der Rotorhülle angeordnete Innenstatorhülse ausgebildet. Das heißt, er ist als Hohlzylinder ausgebildet, dessen Wanddicke gering ist im Vergleich zu seiner Länge in axialer Richtung. Durch seine hülsenartige Ausgestaltung kann die Baugruppe Spindel/Mutter, Innenstator, Rotor in radialer Richtung sehr eng und platzsparend gebaut werden.
Um eine besonders zuverlässige Materialverbindung mit geringem thermischen Verzug zu realisieren, ist die Innenstatorhülse vorteilhafterweise durch Laserschweißung mit einem Element des Antriebs, insbesondere einem Lagerelement, verbunden. Dadurch kann eine präzise Positionierung und Ausrichtung der Innenstatorhülse verwirklicht werden. Dies ermöglicht, diese Hülse in radialer Richtung möglichst eng an das Rotations-Translations-Getriebe und möglichst eng an dem Rotor anzuordnen, so dass der Luftspalt zwischen Innenstator und Rotor gering dimensioniert werden kann.
Die Innenstatorhülse stützt sich vorzugsweise axial auf einem Lager des elektrischen Antriebs ab und richtet sich darauf aus. Auf diese Weise ist eine präzise Anordnung und Ausrichtung der Hülse möglich, so dass unter Berücksichtigung der entsprechenden Toleranzen eine enge Auslegung des Luftspaltes zwischen der Innenstatorhülse und der Rotorhülse ermöglicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mutter als Innenstator ausgebildet. Die Verdrehsicherung erfolgt hierbei durch eine oder mehrere Nuten in der Mutter und einem Bauteil, welches dem Innenstator mit großflächig eingebrachten Aussparungen entspricht. Das heißt, die Mutter übernimmt hierbei eine zweite Funktion, nämlich die des Innenstators bzw. Eisenrückschlusses. Sie ist dazu vorzugsweise aus ferromagnetischem Material gefertigt. Aufgrund der Doppelfunktion der Mutter kann auf einen separaten Innenstator bzw. einen separaten Eisenrückschluss verzichtet werden. Die Rotorhülse ist bevorzugt ungestuft ausgebildet, d. h. in axialer Richtung weist die Rotorhülse stets den gleichen Durchmesser auf.
Die Permanentmagnete sind bevorzugt mit wenigstens einer Fixierungshülse, die Sicken aufweist, an dem Rotor drehmomentübertragend befestigt, wodurch eine besonders robuste und zuverlässige Befestigung der Permanentmagnete ermöglicht wird. Dadurch ist auch die Ausdehnung der Permanentmagnete in radialer Richtung sehr präzise kontrollierbar, so dass der Luftspalt zwischen Rotor und Außenstator sehr klein gehalten werden kann.
Die jeweilige Fixierhülse ist vorzugsweise durch Laserschweißung an der Rotorhülse befestigt, so dass während des Schweißvorganges nur geringe thermische Verformungen der Fixierhülse und Rotorhülse erfolgen, wodurch sich der Luftspalt zwischen Rotor und Außenstator sehr genau festlegen lässt.
Die jeweilige Fixierhülse übergreift vorzugsweise die Permanentmagnete außerhalb des aktiven Luftspaltes. Dadurch kann der Luftspalt klein und der Wirkungsgrad des Motors hoch gehalten werden.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch die Bereitstellung einer Verdrehsicherung für die Mutter durch den Innenstator die Fertigung des elektrischen Antriebes gegenüber bekannten Antrieben deutlich vereinfacht wird. Ein hülsenartig ausgebildeter Innenstator bildet eine besonders bauraumsparende Ausbildung. Zusammen mit einem hülsenartig ausgebildeten Rotor lassen sich diese beiden Komponenten in radialer Richtung sehr eng an dem Rotations-Translationsgetriebe anordnen.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 einen elektrischen Antrieb mit einem Außenstator, einem Rotor und einem Innenstator in einer ersten bevorzugten Ausführungsform in einem Längsschnitt,
2 den elektrischen Antrieb gemäß 1 in einer alternativen Darstellung in einem Längsschnitt,
3 einen elektrischen Antrieb in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform in einem Längsschnitt, und
4 einen elektrischen Antrieb in einer dritten bevorzugten Ausführungsform in einem Längsschnitt.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein in 1 gezeigter elektrischer Antrieb 2 ist als bürstenloser Elektromotor ausgestaltet, welcher für den aktiven Druckaufbau in einem elektrohydraulischen Bremssystem ausgebildet ist. Er ist in einem Gehäuse 4 angeordnet bzw. verbaut und umfasst eine elektromechanische Komponente 8, an der eine hydraulische Komponente 14 befestigt ist. Seine elektromechanische Komponente 8 umfasst einen Außenstator mit zwei Erregerspulen 26, 32 und einem in zwei Kugellagern 36, 44 gelagerten Rotor 50. Der Rotor 50 umfasst einen ferromagnetischen, hülsenartig ausgebildeten Magnetträger bzw. eine Rotorhülse 56, auf der eine Anzahl Permanentmagnete 62 angebracht bzw. befestigt sind. Der Magnetträger bzw. die Rotorhülse 56 ist als ungestufte bzw. stufenlose Hülse ausgebildet, d. h. ihr Durchmesser ist in axialer Richtung konstant.
Der Rotor 50 ist durch Laserverschweißung an einem ringförmigen Schweißbereich 70 mit einem Lagerelement 76, welches in dem Kugellager 44 gelagert ist, starr verbunden bzw. angeflanscht. Der elektrische Antrieb 2 umfasst ein Rotations-Translationsgetriebe 78, umfassend eine Spindel 80 und eine Mutter 86, durch das die rotatorische Bewegung des Rotors 50 in eine translatorische Bewegung der Mutter 86 umgewandelt wird.
Mit dem Lagerelement 76 ist die Spindel 80 starr verbunden, die sich bei Rotation des Rotors 50 mit ihm dreht. Die Spindel 80 ist von der Mutter 86 umgeben, welche auf einem Außengewinde 92 der Spindel 80 relativ zur Spindel 80 umläuft.
Der elektrische Antrieb 2 ist dazu ausgebildet, ein möglichst geringes Trägheitsmoment des Rotors 50 aufzuweisen und gleichzeitig einfach in der Fertigung zu sein. Dazu ist zunächst der Eisenrückschluss als eine Komponente bzw. ein Bauteil ausgebildet, das nicht mit dem Rotor 50 mitrotiert und somit nicht zu seinem Trägheitsmoment beiträgt. Der Eisenrückschluss ist als Innenstator 96 in Form einer Hülse 98 ausgebildet. Er weist eine Nut 104 auf, die als Längsnut ausgebildet ist und in axialer Richtung 68 in der Hülse 98 verläuft und in die ein an die Mutter 86 angeformter Nocken 110 eingreift dergestalt, dass bei einer Rotation der Spindel 80 die Rotation der Mutter 86 verhindert wird. Die Mutter 86 bewegt sich auf diese Weise bei einer Rotation der Spindel 80 in axialer Richtung 68 oder entgegengesetzt dazu.
Die Mutter 86 ist starr mit einem Druckkolben 120 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbindung mittels Verstemmung. Der Druckkolben 120 wird zum Druckaufbau in axialer Richtung 68 in einen hydraulischen Druckraum 126 geschoben bzw. verfahren. Ein Druckabbau ist möglich durch Verfahren des Druckkolbens 120 in entgegengesetzter Richtung. Der Druckraum 126 ist mit einem Bremsmittelvorratsbehälter 132 bedarfsweise hydraulisch verbindbar, um in einem Saugzyklus Bremsmittel zu saugen. Die hydraulische Komponente 14 umfasst weiterhin einen Ventilblock 136. Eingezeichnet sind weiterhin ein Kondensator 140, ein Tandemhauptbremszylinder 146, ein induktiver Wegsensor 152, ein Power-Stecker 158 sowie ein Einpresskontaktpin 160.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der elektrische Antrieb 2 die hydraulische Komponente 14 auf, wodurch er zum Einsatz in einem elektrohydraulischen Bremssystem ertüchtigt wird. Diese Komponente 14 ist aber nicht zwangsweise Teil des Antriebs 2. In anderen Ausführungen kann die Komponente 14 fehlen oder durch eine andere ersetzt werden.
Bei Darstellung des elektrischen Antriebes in 2 ist das Kugellager 44 auf der linken Seite deutlich erkennbar.
Bei der in 3 gezeigten Ausführung des elektrischen Antriebes 2 stützt sich der Innenstator 96 bzw. die Hülse 98 in einem Lagerbereich 170 an dem Kugellager 36 ab. Die Hülse 98 ist dazu in diesem Bereich in axialer Richtung 68 gesehen zweimal um 90° nach außen abgewinkelt, wodurch gewissermaßen ein Kragen 176 gebildet wird. Eine derartige Konstruktion erlaubt eine stabile Befestigung und darüber hinaus eine präzise Ausrichtung der Hülse 98 parallel zu dem auch hülsenförmig ausgebildeten Rotor 50. Die Hülse 98 und der Rotor 50 sollten möglichst genau parallel verlaufen, da der zwischen ihnen gebildete Luftspalt möglichst gering sein sollte und noch die Toleranzen der beiden Bauteile bei ihrer Dimensionierung in radialer Richtung berücksichtigt genommen werden müssen. Durch die in 3 dargestellte Ausrichtung des Innenstators wird somit die Bildung eines sehr engen Luftspaltes ermöglicht.
Ein elektrischer Antrieb 2 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist schließlich in 4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform übernimmt die Mutter 86 die Funktion des Eisenrückschlusses bzw. Innenstators 96. Aufgrund ihrer Beweglichkeit in axialer Richtung 68 bildet sie einen in axialer Richtung 68 verschiebbaren Innenstator. Die Mutter 86 trägt bei Rotation des Rotors 50 nicht zu dessen Trägheitsmoment bei, so dass auch in dieser Ausführung ein trägheitsarmer Stellantrieb realisiert wird.
Die Verdrehsicherung der Mutter 86 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgeführt wie oben beschrieben. Wie auch in den Beispielen zuvor ist die Hülse 98 des Rotors 8 mit dem Lagerelement 76 durch Laserschweißung starr verbunden.
Bezugszeichenliste

2: elektrischer Antrieb
4: Gehäuse
8: elektromechanische Komponente
14: hydraulische Komponente
20: Außenstator
26: Erregerspule
32: Erregerspule
36: Kugellager
44: Kugellager
50: Rotor
56: Rotorhülse
62: Permanentmagnet
68: axiale Richtung
70: Schweißbereich
76: Lagerelement
78: Rotations-Translationsgetriebe
80: Spindel
86: Mutter
92: Außengewinde
96: Innenstator
98: Hülse
104: Nut
110: Nocken
120: Druckkolben
126: Druckraum
132: Bremsmittelvorratsbehälter
140: Kondensator
146: Tandem-Hauptbremszylinder
152: Induktiver Wegsensor
158: Powerstecker
160: Einpresskontaktpin
170: Lagerbereich
176: Kragen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/022833 A1 [0005]

Claims

Elektrischer Antrieb (2) mit einem feststehenden Außenstator (20) und einem Innenstator (96) und einem Rotor (50), der eine ferromagnetische Rotorhülse (56) umfasst, an der an der zum Außenstator (20) zugewandten Seite Permanentmagneten (62) angebracht sind, und mit einem Rotations-Translations-Getriebe (78), umfassend eine sich mit dem Rotor (50) mitdrehende Spindel (80) und eine gegenüber der Spindel (80) verdrehbare Mutter (86), dadurch gekennzeichnet, dass der Innenstator (96) eine Verdrehsicherung für die Mutter (86) umfasst.
Elektrischer Antrieb (2) nach Anspruch 1, wobei die Verdrehsicherung durch eine in dem Innenstator (96) verlaufende Nut (104) und ein an der Mutter (86) angeformtes Eingriffelement (110) gebildet ist, welches beim Drehen der Spindel (80) in der Nut in axialer Richtung (68) läuft.
Elektrischer Antrieb (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Innenstator (96) als innerhalb der Rotorhülse (56) angeordnete Innenstatorhülse (98) ausgebildet ist.
Elektrischer Antrieb (2) nach Anspruch 3, wobei die Innenstatorhülse (98) durch Schweißung, vorzugsweise Laserschweißung, mit einem Element des Antriebs, insbesondere einem Lagerelement (76), verbunden ist.
Elektrischer Antrieb (2) nach Anspruch 3 oder 4, wobei sich die Innenstatorhülse (98) axial auf einem Lager des elektrischen Antriebs (2) abstützt und ausrichtet.
Elektrischer Antrieb (2) nach Anspruch 1, wobei die Mutter als (86) Innenstator ausgebildet ist.
Elektrischer Antrieb (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Rotorhülse (56) ungestuft ausgebildet ist.
Elektrischer Antrieb (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Permanentmagnete (62) mit wenigstens einer Fixierungshülse, die Sicken aufweist, an dem Rotor (50) drehmomentübertragend befestigt sind.
Elektrischer Antrieb (2) nach Anspruch 8, wobei die jeweilige Fixierungshülse durch Schweißung, vorzugsweise Laserschweißung, an der Rotorhülse (56) befestigt ist.
Elektrischer Antrieb (2) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die jeweilige Fixierungshülse die Permanentmagnete (62) außerhalb des aktiven Luftspaltes übergreift.