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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen, in einem Normalmodus sowie in einem Notlaufmodus betreibbaren Nockenwellenversteller nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
EP 1 836 764 B1 bekannt. Ein Notlaufmodus dieses Nockenwellenverstellers dient dazu, das gesamte Nockenwellenverstellsystem in eine Sicherheitsposition zu verfahren. Wird vom Normallaufbetrieb, das heißt Normalmodus, in den Notlaufmodus geschaltet, so wird im Elektromotor des Nockenwellenverstellers ein Bremsmoment erzeugt, durch welches das Nockenwellenverstellsystem in die Sicherheitsposition verfahren wird.
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Die
DE 102 57 706 A1 offenbart einen Nockenwellenversteller mit elektrischem Antrieb, wobei ein Abbremsen einer Verstellwelle durch Kurzschlußbremsung eines Verstellmotors möglich ist.
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Die
DE 10 2004 043 548 B4 offenbart einen Nockenwellenversteller, welcher einen rastenden Freilauf umfasst, mit dessen Hilfe eine Notlaufposition anfahrbar sowie konstant haltbar sein soll.
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Die
DE 10 2014 223 361 A1 beschreibt einen Elektromotor mit einem Leistungsmodul, wobei bei einem Defekt des Leistungsmoduls eine Verarbeitungseinheit einen Notlauf-Ansteuermodus erzeugen soll.
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Bei nicht ordnungsgemäßer Funktion eines elektrischen Nockenwellenverstellers sollte dieser idealerweise über eine Notlauffunktion verfügen, welche sicherstellt, dass eine Verstellposition angefahren wird, in der der Verbrennungsmotor lauffähig bleibt. Die Aktivierung einer Notlauffunktion kann grundsätzlich durch selbstaktivierende Mechanismen, durch aktiv geschaltete Mechanismen oder durch permanent aktive Mechanismen erfolgen. Hierbei können, insbesondere im Zusammenspiel mit einem Freilauf, neben fluidtechnisch oder elektrisch erzeugten Antriebs- oder Bremsmomenten auch Trägheitsmomente oder Nockenwellenwechselmomente genutzt werden. Je nach gewünschter Einstellung eines Nockenwellenverstellers im Notlaufmodus ist eine Auslegung des Verstellers einschließlich Stellgetriebes derart möglich, dass die Verstellung in Richtung Notlaufposition ohne externe Energiezufuhr erfolgt. Dies gilt insbesondere bei einer Verstellung in Richtung „spät“ im Fall einer Störung des Normalmodus. In anderen Fällen ist dagegen eine aktive Energiezufuhr zum Nockenwellenversteller nötig, um eine Notlaufposition zu erreichen. Um auch komplette Ausfälle von Steuer- und Antriebskomponenten abzudecken, ist eine Redundanz mehrerer Komponenten des elektrischen Nockenwellenverstellers erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem apparativen Aufwand einen Notlaufmodus eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers, in welchem eine aktive Energiezufuhr gegeben ist, zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektromechanischen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Nockenwellenversteller, und umgekehrt.
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Der Nockenwellenversteller umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption einen Elektromotor und ein durch diesen betätigbares Stellgetriebe. Der Elektromotor ist in einem Normalmodus und in einem Notlaufmodus betreibbar. Erfindungsgemäß weist der Elektromotor mindestens eine im Notlaufmodus mittels eines magnetfeldsensiblen Schalters, insbesondere Hallsensors, aktivierbare Zusatzwicklung auf, womit der Elektromotor passiv kommutierbar ist. Der Normalmodus unterscheidet sich vom Notlaufmodus folgendermaßen:
- - Im Normalmodus wird der Elektromotor mittels einer Steuereinheit elektronisch kommutiert,
- - Im Notlaufmodus, das heißt bei Störung des Normalmodus, wird mindestens eine unabhängig von der Steuereinheit mit elektrischer Energie in Form von Gleichstrom versorgte Zusatzwicklung des Elektromotors passiv kommutiert.
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Mit dieser Gestaltung wird erreicht, dass der Elektromotor auch bei einem vollständigen Ausfall der Steuereinheit funktionsfähig bleibt. Die Zuleitungen von der Steuereinheit zu den im Normalmodus zu bestromenden Wicklungen des Elektromotors sind vorzugsweise von den Zuleitungen, welche im Notlaufmodus mit elektrischer Energie in Form von Gleichstrom versorgt werden, räumlich getrennt.
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Der magnetfeldsensible Schalter, welcher im Notlaufmodus zum Einsatz kommt, ist von einer Rotorlagesensorik, die im Normalmodus des Elektromotors genutzt wird, unabhängig.
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Bei dem Elektromotor des Nockenwellenverstellers handelt es sich vorzugsweise um einen bürstenlosen Gleichstrommotor, insbesondere einen Innenläufermotor mit permanentmagneterregtem Rotor. Der Rotor des Elektromotors ist vorzugsweise konzentrisch zur Rotationsachse der zu verstellenden Nockenwelle angeordnet.
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Das im Notlaufmodus durch den Elektromotor erzeugbare Antriebsmoment ist einerseits geringer als das im Normalmodus erzeugbare Antriebsmoment, andererseits jedoch ausreichend groß, um den gewünschten Verstellvorgang durchzuführen. Der Verstellvorgang im Notlaufmodus kann, je nach Auslegung des Nockenwellenverstellers, in jeder beliebigen Richtung erfolgen. Beispielsweise erfolgt durch antreibende Momente des Elektromotors eine Verstellung in Richtung Frühanschlag oder durch verzögernde Momente des Elektromotors eine Verstellung in Richtung Spätanschlag.
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In konstruktiv besonders einfacher Weise kann der Elektromotor eine einzige Zusatzwicklung aufweisen, welche im Notlaufmodus bestromt wird. Ebenso sind zum Beispiel Bauformen des Elektromotors mit genau zwei, sich diametral gegenüberliegenden Zusatzwicklungen realisierbar.
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Die Motorwelle des Elektromotors kann mit einer Verstellwelle des Stellgetriebes fest oder über eine Ausgleichskupplung und/oder über eine zusätzliche Getriebestufe gekoppelt sein. Das Stellgetriebe des elektromechanischen Nockenwellenverstellers ist vorzugsweise als Dreiwellengetriebe, insbesondere Wellgetriebe, ausgebildet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 einen elektromechanischen Nockenwellenversteller in schematisierter Darstellung,
- 2 in einem Notlaufmodus zu betätigende Komponenten des Nockenwellenverstellers nach 1,
- 3 einen Verstellvorgang im Notlaufmodus des Nockenwellenverstellers.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter elektromechanischer Nockenwellenversteller umfasst ein als Dreiwellengetriebe ausgebildetes Stellgetriebe 2, nämlich ein Wellgetriebe, sowie einen Elektromotor 3. Eine Motorwelle 4 des Elektromotors 3 ist mit einer Verstellwelle des Stellgetriebes 2, optional über eine Ausgleichskupplung, drehfest gekoppelt. Ein Getriebegehäuse 5 des Stellgetriebes 2 ist fest mit einem Antriebsrad 6 in Form eines Ketten- oder Riemenrades verbunden. Alternativ ist das Getriebegehäuse beispielsweise mittels eines Stirnradgetriebes antreibbar. Das mit 7 bezeichnete Ausgangselement des Stellgetriebes 2 ist mit einer zu verstellenden Nockenwelle 8 verbunden. Die gemeinsame Mittelachse des Stellgetriebes 2 und des Elektromotors 3, welche mit der Rotationsachse der Nockenwelle 8 identisch ist, ist mit M bezeichnet.
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Der Elektromotor 3 ist in einem Normalmodus in an sich bekannter Weise als bürstenloser Gleichstrommotor betreibbar, wobei bestrombare Wicklungen 9 des Elektromotors 3 über Leitungen 10, von welchen in 1 lediglich eine einzige dargestellt ist, an eine Steuereinheit 11 angeschlossen sind. Das Gehäuse des Elektromotors 3 ist mit 12, der Rotor des Elektromotors 3 mit 13 bezeichnet. Eine Sensorik zur Detektion der Rotorlage im Normalmodus ist in den Figuren nicht dargestellt. Sobald beispielsweise diese Rotorlagesensorik defekt oder eine Leitung 10 unterbrochen ist, ist der Elektromotor 3 nicht mehr im Normalmodus betreibbar.
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Im Falle einer solchen Störung des Normalmodus wird eine Energieversorgungseinheit 14, welche als Gleichstromquelle ausgebildet ist, über eine Wirkverbindung 15 in Funktion gesetzt. Die Wirkverbindung 15 stellt hierbei eine datentechnische Verbindung zwischen der Steuereinheit 11 und der Energieversorgungseinheit 14 her und ist derart gestaltet, dass sie die Energieversorgungseinheit 14 im inaktiven Zustand hält, solange die Steuereinheit 11 funktionsfähig und der Normalmodus des Elektromotors 3 aktiv ist.
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Von der Energieversorgungseinheit 14 gehen Leitungen 16, 17 aus, die von den Leitungen 10, das heißt den Phasenanschlüssen des Elektromotors 3, getrennt sind. Ein Kabelbruch im Bereich der Leitungen 10 ist somit für die Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinheit 14 ohne Belang.
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Über die Leitungen 16, 17 sind Zusatzwicklungen 18, 19 bestrombar, um in einem Notlaufmodus des Elektromotors 3 ein Drehmoment auf die Motorwelle 4 aufzubringen. Bei diesem Drehmoment kann es sich um ein beschleunigendes oder ein bremsendes Drehmoment handeln.
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Die Zusatzwicklungen 18, 19 befinden sich auf Statorzähnen 20, 21 des Elektromotors 3. Weitere Statorzähne 22 sind nicht mit Zusatzwicklungen umwickelt. Insgesamt sind im skizzierten Ausführungsbeispiel, wie aus den 2 und 3 hervorgeht, sechs Statorzähne 20, 21, 22 vorhanden, wobei sich die beiden mit Zusatzwicklungen 18, 19 umwickelten Statorzähne 20, 21 diametral gegenüberliegen. In der in 1 schematisch dargestellten Bauform sind die für den Notlauf vorgesehenen Zusatzwicklungen 18, 19 von den im normalen, ungestörten Betrieb verwendeten Wicklungen 9 räumlich getrennt, nämlich in Axialrichtung des Elektromotors 3 versetzt. Alternativ sind Bauformen realisierbar, bei welchen verschiedene, für den Notlauf beziehungsweise für den Normalbetrieb vorgesehene Wicklungen übereinander oder ineinander auf ein und demselben Statorzahn gewickelt sind.
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Der Rotor 13 ist mit Permanentmagneten 23 bestückt; die Drehrichtung des Rotors 13 ist in 2 mit D angegeben. In den 2 und 3 ist die Lage der Südpole S und Nordpole N der Permanentmagneten 23, bei welchen es sich beispielsweise um Seltenerdmagneten handelt, skizziert.
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Abhängig von der Lage des Rotors 13 wird ein Schalter 24 betätigt, welcher fest im Motorgehäuse 12 angeordnet und als Hallsensor ausgebildet ist. Abweichend von der symbolisierten Darstellung nach 1 kann zusätzlich auch die Energieversorgungseinheit 14 innerhalb des Motorgehäuses 12 angeordnet sein.
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Der Schalter 24 ermöglicht eine passive Kommutierung des Elektromotors 3 im Notlaufmodus. Zeitlich aufeinander folgende Zustände Z1, Z2, Z3, Z4 des Elektromotors 3 im Notlaufmodus sind in 3 veranschaulicht. Abweichend vom skizzierten Ausführungsbeispiel, in welchem der Elektromotor 3 sechs Statorzähne 20,21, 22 aufweist, sind auch Bauformen mit einer anderen Anzahl an Statorzähnen realisierbar.
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Im Zustand Z1 rotiert der Rotor 13 in Drehrichtung D, das heißt im Uhrzeigersinn, bezogen auf die Ansicht nach den 2 und 3. Diese Drehrichtung D bleibt bis zum Zustand Z4 unverändert. Der Schalter 24 ist derart angeordnet, dass er auf das rotierende Magnetfeld des Rotors 13 reagiert und in den Zuständen Z1, Z2 die Zusatzwicklungen 18, 19 mit Strom versorgt. Der im Rotor 13 angeordnete Südpol S, welcher der Zusatzwicklung 18 direkt gegenüber liegt, wird in diesem Zustand vom Statorzahn 20 abgestoßen, so dass der Rotor 13 bei seinem Übergang vom Zustand Z1 zum Zustand Z2 eine Beschleunigung erfährt. Bei weiterer Rotation des Rotors 13 wird der die Zusatzwicklung 18 einschließende Stromkreis, wiederum ausgelöst durch den Schalter 24, geöffnet, wobei sich der Rotor 13 über die Zustände Z3 und Z4 weiterdreht, bis erneut der Zustand Z1 eingenommen ist. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis das Stellgetriebe 2 eine Anschlagposition erreicht hat. Diese Anschlagposition wird auch als Basisposition des Nockenwellenverstellers 1 bezeichnet und kann durch Bestromung der Zusatzwicklungen 18, 19 gehalten werden. Alternativ ist es möglich, das Stellgetriebe 2, nachdem im Notlaufmodus der Anschlag erreicht wurde, durch eine mechanische Verriegelung in der Basisposition zu halten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Stellgetriebe
- 3
- Elektromotor
- 4
- Motorwelle
- 5
- Getriebegehäuse
- 6
- Antriebsrad
- 7
- Ausgangselement
- 8
- Nockenwelle
- 9
- Wicklung
- 10
- Leitung
- 11
- Steuereinheit
- 12
- Gehäuse
- 13
- Rotor
- 14
- Energieversorgungseinheit
- 15
- Wirkverbindung
- 16
- Leitung
- 17
- Leitung
- 18
- Zusatzwicklung
- 19
- Zusatzwicklung
- 20
- Statorzahn
- 21
- Statorzahn
- 22
- Statorzahn
- 23
- Permanentmagnet
- 24
- Schalter
- M
- Mittelachse, Rotationsachse
- N
- Nordpol
- D
- Drehrichtung
- S
- Südpol
- Z1...Z4
- Zustand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1836764 B1 [0002]
- DE 10257706 A1 [0003]
- DE 102004043548 B4 [0004]
- DE 102014223361 A1 [0005]
