DE102008006199B4

DE102008006199B4 - Actuating drive for an adjustment element

Info

Publication number: DE102008006199B4
Application number: DE102008006199.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hill
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-01-26
Filing date: 2008-01-26
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2028-01-27
Also published as: DE102008006199A1

Abstract

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.Actuating drive for an adjustment element on a machine element rotating relative to a machine frame, comprising an electric motor (01) rotating with the machine element for driving the adjustment element, which motor has a rotor (03) and a stator (04); and an inductive power transmitter (22), which comprises a primary coil (23) on the machine frame and a secondary coil (24) on the motor (01), the primary coil (23) and the secondary coil (24) being arranged opposite one another, characterized in that a number of turns of the secondary coil (24) is greater than a number of turns of the primary coil (23).

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 present invention relates to an actuator for an adjustment element on a machine element rotating relative to a machine frame. Such actuators are used, for example, in the form of a phase adjuster for adjusting the relative angular position of a camshaft relative to a crankshaft of an internal combustion engine.

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 adjustment device for a camshaft is known, which enables a relative adjustment between a camshaft and a drive wheel of an internal combustion engine that drives it. An electric motor is provided for this purpose, which effects a relative adjustment via an actuating gear. The stator of the electric motor is stationarily arranged in the housing and the actuating gear is mounted together with the rotor on a shaft piece so that it can rotate relative to the camshaft, the shaft piece being part of the inner part and being non-rotatably connected to the cam end piece. When a voltage is applied to the electric motor, the actuating gear that rotates with it runs faster or slower for a short time, so that the camshaft is adjusted relative to the drive wheel. The disadvantage of this solution is that the power of the electric motor has to be significantly higher than the usable power for the relative adjustment, since the torque for the adjustment has to be transmitted at a speed that is increased by the system speed. Another disadvantage stems from the fact that the actuating gear must be designed to be self-locking so that additional forces are not required to hold the gear. For this purpose, the actuating gear is designed with a low mechanical efficiency of less than 40%, for example, which means that the power of the electric motor has to be designed to be even higher. As a result, the power supply for the electric motor is heavily loaded, which means that the costs for the electronics for controlling 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 an electric motor which is fixedly connected to the camshaft or to the drive wheel. An adjustment is achieved in that the adjustment mechanism includes a planetary gear. So that the electric motor can 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 transmitter formed by the slip rings and sliding contacts requires a sealed installation space and, as a wearing part, jeopardizes the long-term stability of the system.

Ein weiterer Nockenwellenversteller mit einem Stellantrieb ist in DE 101 16 707 A1 gezeigt. Der Stellantrieb und das Antriebsrad sind an entgegengesetzten Enden der Nockenwelle angeordnet, wobei der Stellantrieb als ein Elektromotor ausgebildet ist, der direkt oder über einen Zwischentrieb an der Nockenwelle angeflanscht ist.Another camshaft adjuster with an actuator is in DE 101 16 707 A1 shown. The actuator and the drive wheel are arranged at opposite ends of the camshaft, with the actuator being designed as an electric motor which is flanged to the camshaft directly or via an intermediate drive.

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.Furthermore, solutions are known from the prior art in which an inductive rotary transmitter is used to transmit the electrical energy to a rotating motor. These solutions require current-carrying electronic components both on the primary and on the secondary side of the rotary joint, which means that 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 object of the present invention is to provide an actuator, for example for adjusting a camshaft of an internal combustion engine, in which reliable and long-term stable transmission of electrical energy to the electric motor is made possible with little effort.

Die genannte Aufgabe wird durch einen Stellantrieb gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.The above object is achieved by an actuator according to appended 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.The actuator according to the invention is provided for adjusting an adjustment element on a rotating machine element. This machine element can be formed, for example, by a camshaft which rotates in an internal combustion engine. The rotation of the machine element takes place in relation to a machine frame, for example a housing of the internal combustion engine. The adjusting element is driven by an electric motor. This motor rotates together with the rotating machine element and has a rotor and a stator. The stator is therefore a rotating stator, since it rotates in relation to the machine frame. The actuator also includes an inductive power transmitter for transmitting the electrical energy to drive the electric motor. The inductive power transmitter includes a primary coil which is attached to the machine frame. Furthermore, the inductive power transmitter includes a secondary coil, which is arranged on the motor and thus rotates together with the motor and the rotating machine element. So that the electrical energy can be transferred from the primary coil to the secondary coil, the primary coil and the secondary coil are arranged opposite one another. According to the invention, a number of turns is the secondary coil is larger than one number of turns of the primary coil, so that the transmission factor of the power transformer is greater than 1.

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 Stellleistung 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.An essential advantage of the actuator according to the invention is that compared to solutions according to the prior art, a reduced electrical power has to be transmitted. A non-self-locking, high-efficiency gear can be used in the actuator, and still only small losses are incurred to hold certain positions. The power required to hold a specific position corresponds to the intrinsic losses of the actuator, since the torques required for this to be generated by the co-rotating motor only result in intrinsic losses in windings in the motor circuit. This leads to a reduction in the maximum actuating power by a factor of between 2 and 3 or more. For example, the output power of such a motor can be reduced from 300 W to 111 W if the required control 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 so that it is supplied with a constant voltage, which at the same time results in a constant output voltage of the secondary coil.

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 a step-up converter, which is preferably fed by a regulated voltage, means that, for example, up to 90% of the chip area required for power semiconductors can be saved compared to the solutions according to the prior art with a stationary stator. In addition, the total peak power requirement is reduced by up to 80%, which means that the power semiconductors on the stationary side are also significantly smaller. Despite the higher number of functional components caused by the additional energy conversion, the total chip area required for all power semiconductors is significantly smaller than in solutions with a 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.A constant supply voltage for the electric motor can be ensured by using the rotary transfer as a regulated step-up converter, which steps up, for example, vehicle-typical voltages of 6 V to 28 V to a constant voltage of 30 V (± 1 V). Thus, in the most unfavorable case to be assumed, which is relevant for the design, with a drive power of 120 W, for example, it is not a current of 20 A that flows through the secondary electronics, but only a current of 4 A. The components can therefore be designed much smaller. Since the required dielectric strength does not increase, the chip area could decrease by the square of the step-up factor with the same level of efficiency.

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.In a preferred embodiment of the actuator according to the invention, it is designed such that a supply voltage provided externally for operating the actuator is generally greater than the voltage to be applied to the primary coil. Insofar as this supply voltage can fluctuate, its minimum value is greater than the voltage to be applied to the primary coil. The external supply voltage for operating the actuator is in most cases direct current. Otherwise it is preferably to be rectified. The supply voltage applied as direct voltage or the rectified supply voltage is converted with an inverter (chopper) into an alternating voltage to be applied to the primary coil. Due to the voltage conditions described, the inverter only needs to work as a step-down converter to operate, which further reduces the outlay for the control electronics. The transistors present in the inverter are switched on for shorter and shorter periods of time if the external supply voltage for operating the actuator is increased, which means that the pulse duty factor of the transistors is reduced. As a result, the high-frequency AC voltage applied to the primary coil and smoothed by the inductance is 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.In a preferred embodiment of the actuator according to the invention, the adjusting element is driven by the motor via a planetary gear. A sun gear of the planetary gear is attached to the rotor in a rotationally fixed manner, while the adjusting element is driven by one or more planetary gears of the planetary gear. A ring gear of the planetary gear is fixed to the stator of the motor.

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.The motor is preferably designed as a transverse flux motor, on whose stator the ring gear of the planetary gear is placed. An advantage of the transverse flux motor is that it has high torque and very low terminal resistance. By placing the ring gear of the planetary gear on the stator of the transverse flux motor, the stator and the ring gear can form a functional unit that can be designed to save space.

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 phase adjuster 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 to adjust the angular position of a crank of a crank CFT. A crank CFT (continuously variable transmission) is a continuously variable transmission in which adjustment is achieved by changing the angular position of a crank. Crank CFTs are often designed so that multiple cranks rotate in a gear housing and drive a common output. A further application for the actuator according to the invention is the adjustment of a clutch, for example an all-wheel drive clutch. Here, the actuator according to the invention is used to move an adjustment element of a rotating clutch disk, which rotates in relation 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 adjustment element, for example for rotary or translatory adjustment 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 Hohlrades 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 drive wheel driven by a crankshaft. 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. The stator 04 is enclosed by a housing 06, in which a ring gear 07 of the planetary gear 02 is inserted. For this purpose, the ring gear 07 has a connecting sleeve 08 which is inserted into an inner circumference of the housing 06 of the stator 04 and enables attachment to the stator 04. The connection sleeve 08 of the ring gear 07 is placed on a roller bearing 09 which in turn is placed on a shaft 11 of the rotor 03 . The roller bearing 09 enables the rotor 03 to be mounted in the stator 04. A sun wheel 12 of the planetary gear 02 is fastened to the shaft 11 of the rotor 03. The sun wheel 12 meshes with planet wheels 13, which in turn mesh with the ring gear 07. The planetary gears 13 are supported and guided by a planetary gear guide 14 . The planetary gear guide 14 has an output 16 of the planetary gear 02 . Like the rotor 03 of the transverse flux motor 01, the output 16 can be rotated about an axis of rotation 17.

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 is used as a phase adjuster for a camshaft of an internal combustion engine, then, for example, the output 16 must be connected to the camshaft in a torque-proof manner. The planetary gear 02 is to be driven in relation to the output 16 via the ring gear 07, for example by a drive wheel (not shown) being placed circumferentially on the ring gear 07, which is driven by the crankshaft. As long as the rotor 03 does not rotate in the transverse flux motor 01, the position of the sun gear 12 relative to the planetary gears 13 and the ring gear 07 does not change. Consequently, the planetary gear 02 remains unchanged in its entirety, so that the position of the drive wheel relative to the camshaft does not change. The phase position of the crankshaft relative to the camshaft thus remains constant. If the rotor 03 of the transverse flux motor 01 is driven, the sun gear 12 rotates relative to the ring gear 07, as a result of which the engaged planetary gears 13 rotate at the same time. Furthermore, this causes the planetary gear guide 14 to rotate in relation to the ring gear 07 . 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 made 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 18 on its outer circumference. The permanent magnets 18 rotate between two conductor rings 19, which are placed in powder cores 21 in the stator 04.

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 actuator according to the invention, the stator 04 and the rotor 03 of the transverse flux motor 01 rotate together with the rotating machine element, for example with a camshaft and its drive wheel. In order to transmit the electrical energy for driving 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, the actuator according to the invention has an inductive power transmitter 22, which comprises a primary coil 23 and a secondary coil 24. The primary coil 23 is arranged in a primary core 26 . The secondary coil 24 is arranged in a secondary core 27 . The secondary coil 24 is arranged together with the secondary core 27 in a cylindrical recess in the stator 04 of the transverse flux motor 01 and fixed there. Consequently, the secondary coil 24 rotates together with the stator 04. The primary coil 23 is fixed together with the primary core 26 on a machine frame (not shown). The inductive power transmitter 22 is thus designed as a rotary transmitter. The primary core 26 with the primary coil 23 is arranged within a cylindrical recess in the stator 04 and faces the secondary core 27 with the secondary coil 24 . Between the primary An air gap 28 is formed between the coil 23 and the secondary coil 24, via which an inductive power transmission takes place between the primary coil 23 and the secondary coil 24.

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 Transversalflussmotor 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.Due to the arrangement of the primary core 26 with the primary coil 23 in the cylindrical recess of the stator 04, the inductive power transmitter 22 and the transverse flux motor 01 form a compact cylindrical unit. The primary coil 23 and the secondary coil 24 are designed in such a way that the inductive power transmitter 22 has a transmission factor greater than 1 and the voltage is thus increased by the inductive power transmission. For example, the voltages between 6 and 28 V that are typical in a motor vehicle can be transformed to a voltage of over 30 V. The transverse flux motor 01 has control electronics 29 on the secondary side, which are attached to the outer circumference of the rotor 03 and include a rectifier and a motor control. In addition, the transverse flux motor 01 has control electronics on the primary side (not shown), which include a voltage regulator for regulating the voltage present at the primary coil 23, thereby ensuring a constant voltage at the secondary coil 24. 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 control electronics on the primary side can be, for example, a voltage regulator (preferably purely a step-down converter) for a voltage of 6 V±0.2 V. The voltage, which is increased by a factor of up to 5 (6 V to 30 V) by the inductive power transformer 22 and regulated by the voltage regulator arranged in a chopper (not shown), results in the required currents becoming smaller. If, for example, 120 W drive power is required for the actuator, the maximum current through the control electronics is only 4 A compared to a current of 20 A that would be required if the minimum voltage of 6 V were not increased. As a result, the electronic components used in the secondary-side control electronics 29 can be designed to be significantly smaller. For the example mentioned, the resistance values of the electronic components can be higher by a factor that corresponds to the square of the ratio of the step-up voltage, without this leading to an increase in the losses in the electronic components. If, for example, a MOSFET is used in the secondary-side control electronics 29, its volume resistance only has to be 0.25 Ω instead of 0.01 Ω. The required chip area of power transistors can be reduced in the same ratio with increasing efficiency. With the size (capacity) of the power transistors, power stage drivers can also be designed with a significantly smaller chip area. The size and costs of passive components (capacitors and inductors), which are used in the secondary control electronics 29 rotating with the stator 04, are also reduced with the current.

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 electronic control system 29, which includes an output stage and rectifier, for example, are preferably integrated into a smart power module. As a result, direct wiring can take place within an encapsulation of a multichip module, which largely represents the active part of the electronic control system 29, so that no circuit carrier or similar components are required for the electronic control system 29 on the secondary side. For example, by using a Smartpower module, the number of pins and thus the number of soldering points and conductor tracks are significantly reduced, 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 component, including peripheral components, is integrated in an MID component. An MID component (molded interconnected device) is a circuit carrier in which metallic conductor tracks are applied to an injection-molded plastic carrier. By using an MID component, additional circuit carriers, for example in the form of a printed circuit board, can be dispensed with. Furthermore, the required conductor tracks can be routed three-dimensionally, so that contact plugs for the transverse flux motor 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.In contrast to many solutions according to the prior art, the actuator according to the invention does not have to be designed with a self-locking gear. As a result, the transmission ratio can be selected to be smaller. Therefore, high torques of the actuator are effected with a lower engine power even at low speeds.

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 efficiency of the transmission gear 02 compared to the prior art enables the power to be transmitted by the inductive power transmitter 22 to be reduced, as a result of which the primary coil 23 can also be designed for correspondingly lower currents and the load on the supply decreases. Consequently, both active and passive components for controlling the primary coil 23 can be designed to be correspondingly smaller. Semiconductors of an H-bridge in front of the primary coil 23 are preferably also integrated in an electronic component.

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.Due to the reduced electrical power to be transmitted compared to the prior art, the electronic components can be made smaller both on the primary and on the secondary side. In addition, the power transformer power transformer 22 is integrated into the ring-shaped transverse flux motor 01, so that the installation space required for the actuator according to the invention is small. In addition, the cost of a non-self-locking, low-ratio transmission gear 02 is significantly reduced.

BezugszeichenlisteReference List

0101: Transversalflussmotortransverse flux motor
0202: Planetengetriebeplanetary gear
0303: Rotorrotor
0404: Statorstator
0505: --
0606: Gehäuse des Statorshousing of the stator
0707: Hohlradring gear
0808: Anschlusshülse des HohlradesRing gear connecting sleeve
0909: Wälzlagerroller bearing
1010: --
1111: Welle des Rotorsshaft of the rotor
1212: Sonnenradsun gear
1313: Planetenräderplanet gears
1414: Planetenradführungplanetary gear guide
1515: --
1616: Abtriebdownforce
1717: Drehachseaxis of rotation
1818: Dauermagnetepermanent magnets
1919: Leiterringeladder rings
2020: --
2121: Pulverkernepowder cores
2222: induktiver Leistungsübertragerinductive power transmitter
2323: Primärspuleprimary coil
2424: Sekundärspulesecondary coil
2525: --
2626: Primärkernprimary core
2727: Sekundärkernsecondary core
2828: Luftspaltair gap
2929: sekundärseitige Steuerelektroniksecondary-side control electronics

Claims

Actuating drive for an adjustment element on a machine element rotating relative to a machine frame, comprising an electric motor (01) rotating with the machine element for driving the adjustment element, which motor has a rotor (03) and a stator (04); and an inductive power transmitter (22), which comprises a primary coil (23) on the machine frame and a secondary coil (24) on the motor (01), the primary coil (23) and the secondary coil (24) being arranged opposite one another, characterized in that a number of turns of the secondary coil (24) is greater than a number of turns of the primary coil (23).

actuator after claim 1 , characterized in that the adjusting element is driven by the motor (01) via a planetary gear (02), and that the primary coil (23) is electrically connected to a voltage regulator.

actuator after claim 2 , characterized in that a sun gear (12) of the planetary gear (02) is non-rotatably connected to the rotor (03) of the motor (01) and that the adjusting element is driven by a planetary gear (13) of the planetary gear (02).

actuator after claim 3 , characterized in that a ring gear (07) of the planetary gear (02) is fixed to the stator (04) of the motor (01).

actuator after claim 4 , characterized in that the motor is formed by a transverse flux motor (01) on whose stator (04) the ring gear (07) is placed.

Actuator according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the stator (04) has a cylindrical recess in which the primary coil (23) of the power transmitter (22) is arranged.

Actuator according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the number of turns of the secondary coil (24) is greater by a factor of 2 to 10 than the number of turns of the primary coil (23).

actuator after claim 7 , characterized in that the number of turns of the secondary coil (24) is greater by a factor of 3 to 5 than the number of turns of the primary coil (23).

Actuator according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that a tension rectifier and other electronic components for controlling the motor (01) are integrated into a smart power module.

actuator after claim 9 , characterized in that the smart power module, including peripheral modules, is integrated into an MID component (29).

Actuator according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that it is designed for a supply voltage which is made available externally to operate the actuator and which is greater than the voltage to be applied to the primary coil (23).

Actuator according to one of Claims 1 until 11 , characterized in that it is designed for setting the adjusting element on a camshaft of an internal combustion engine, which camshaft forms the rotating machine element.

Actuator according to one of Claims 1 until 11 , characterized in that it is designed for setting an adjusting element on a crank of a crank-CFT forming the rotating machine element.

Actuator according to one of Claims 1 until 11 , characterized in that it is designed for setting an adjusting element on a clutch disc of a clutch forming the rotating machine element.