DE102016203063A1

DE102016203063A1 - Reluktanzaktor für aktive Lager mit vermindertem Strombedarf

Info

Publication number: DE102016203063A1
Application number: DE102016203063.9A
Authority: DE
Inventors: Anton Paweletz; Toni Jankowski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31
Also published as: CN107134906A

Abstract

Reluktanzaktor (1), umfassend mindestens einen ferromagnetischen Stator (2, 2a, 2b), mindestens eine Erregerspule (3, 3a, 3b) zum Einbringen eines magnetischen verketteten Flusses Ψ in den Stator (2, 2a, 2b) sowie mindestens ein Wirkelement (4), das beweglich gegen den Stator (2, 2a, 2b) gelagert ist, wobei die Induktivität L der mit dem Stator (2, 2a, 2b) zusammenwirkenden Erregerspule (3, 3a, 3b) von der Position p des Wirkelements (4) abhängig ist, wobei der Stator (2, 2a, 2b) mindestens einen Spalt (5, 5a, 5b) aufweist, in den ein ferromagnetischer Bereich (41, 41a, 41b) des Wirkelements (4) einführbar ist.
Aktives Lager (100), welches eine angreifende Lagerkraft F_L zumindest teilweise durch Ausübung einer Gegenkraft F_G kompensiert, wobei der Reluktanzaktor (1) zur Ausübung der Gegenkraft F_G vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reluktanzaktor für aktive Lager, insbesondere für Motorlager in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Aktive Motorlager sind Bestandteil verschiedener PKWs und reduzieren die Vibrationsübertragung des Verbrennungsmotors an das Fahrgestell. Dies verringert unter anderem die Entwicklung und Übertragung von Geräuschen. Aktive Motorlager sind beispielsweise aus der DE 10 2011 081 291 A1 bekannt.
Als Basis für ein aktives Motorlager werden beispielsweise Hydrolager genutzt. Dabei wird eine angreifende Lagerkraft F_L auf ein Hydraulikfluid in einer Hydraulikkammer übertragen, und eine Gegenkraft F_G zur Kompensation dieser Lagerkräfte wird eingebracht, indem der Druck des Hydraulikfluids über einen Aktor verändert wird. Hydrolager als aktive Motorlager sind beispielsweise aus der DE 10 2011 011 328 A1 bekannt.
Als Aktorprinzipien sind Reluktanz-, Lorentz- und Piezo-Aktoren sowie Hybridlösungen, etwa Lorentz-Reluktanz-Aktoren, bekannt. Die Aktoren werden über ein vom Motorsteuergerät getrenntes externes Steuergerät angesteuert.
Die DE 196 34 342 A1 beschreibt allgemeinen Stand der Technik zur Ansteuerung elektromagnetischer Verbraucher. Die DE 10 2014 204 165 A1 und die DE 10 2014 204 286 A1 beschreiben allgemeinen Stand der Technik zur Herstellung von Aktoren bzw. Statoren für Elektromotoren.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Reluktanzaktor entwickelt. Dieser Reluktanzaktor umfasst mindestens einen ferromagnetischen Stator, mindestens eine Erregerspule zum Einbringen eines magnetischen Flusses Φ, bzw. eines magnetischen verketteten Flusses Ψ, in den Stator sowie mindestens ein Wirkelement, das beweglich gegen den Stator gelagert ist. Die Induktivität L der mit dem Stator zusammenwirkenden Erregerspule ist bereichsweise stark gesättigt und damit nicht nur von der Position p des Wirkelements, sondern auch vom Strom I durch die Erregerspule abhängig.
Wird die Erregerspule bestromt, so wirkt auf das Wirkelement eine Kraft, die bestrebt ist, die Induktivität L zu maximieren. Mit einem einzelnen Reluktanzaktor kann das Wirkelement durch Bestromung der Erregerspule aus einem gewissen Einzugsbereich von Positionen p um die Position p_M, in der die Induktivität L maximal ist, in diese Position p_M überführt werden. Das Wirkelement kann alternativ oder auch in Kombination hierzu durch Bestromung der Erregerspule in einer Richtung auf die Position p_M zu bewegt und in der anderen Richtung durch eine Rückstellkraft, beispielsweise eine Federkraft, von dieser Position weg bewegt werden. Das Wirkelement kann beispielsweise in einer Weise beweglich gelagert sein, dass es in einer Dimension linear bewegbar ist.
Die Erregerspule kann beispielsweise über eine Spannungsquelle und mindestens ein mit der Erregerspule in einer Reihenschaltung geschaltetes Steuerelement bestromt werden.
Erfindungsgemäß weist der Stator mindestens einen Spalt auf, in den ein ferromagnetischer Bereich des Wirkelements einführbar ist.
Es wurde erkannt, dass die Induktivität L der mit dem Stator zusammenwirkenden Erregerspule sehr stark davon abhängt, ob der ferromagnetische Bereich des Wirkelements in den Spalt eingeführt ist oder nicht. Dementsprechend wirkt auf den ferromagnetischen Bereich des Wirkelements eine Reluktanzkraft, die bestrebt ist, diesen Bereich in den Spalt einzuführen und so die Induktivität L zu maximieren.
Dabei bringt es die Kombination aus dem Spalt mit dem ferromagnetischen Bereich des Wirkelements zwangsläufig mit sich, dass nach dem Einführen des ferromagnetischen Bereichs in den Spalt zu beiden Seiten des ferromagnetischen Bereichs jeweils ein Teil des Spalts frei bleibt. Der ferromagnetische Bereich des Wirkelements ist also an zwei Seiten durch je einen Luftspalt vom Stator getrennt. Jeder dieser beiden Luftspalte stellt einen Widerstand für den magnetischen verketteten Fluss Ψ dar. Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik, bei dem es nur einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Wirkelement gab, ist der Widerstand für den magnetischen verketteten Fluss Ψ also näherungsweise verdoppelt. Dementsprechend sind die Induktivität L, und damit auch die erzielbare Reluktanzkraft, näherungsweise halbiert.
Es wurde jedoch erkannt, dass im Gegenzug das Wirkelement ganz erheblich leichter gebaut werden kann. Gerade wenn in einem aktiven Lager, in dem der Reluktanzaktor zur Ausübung der Gegenkraft F_G vorgesehen ist, die Gegenkraft F_G schnell einer Änderung der angreifenden Lagerkraft F_L nachgeführt soll, kommt es letztendlich darauf an, wie schnell das Wirkelement beschleunigt werden kann. Indem nur ein geringer Anteil des Wirkelements als ferromagnetischer Bereich ausgebildet sein muss und der Rest aus einem Leichtbaumaterial gefertigt sein kann, kann das Gewicht des Wirkelements um bis zu 70 % reduziert werden. Dementsprechend wird für die gleiche Beschleunigung weniger Reluktanzkraft benötigt, und zwar so erheblich weniger, dass sogar der Strom I durch die Erregerspule vermindert werden kann. Infolgedessen benötigt die Ansteuerung des Reluktanzaktors, und damit auch des aktiven Lagers als Ganzes, eine deutlich geringere Stromstärke. Diese geringere Stromstärke wiederum kann beim Einsatz des aktiven Lagers als Motorlager in einem Fahrzeug durch das bereits existierende Motorsteuergerät bereitgestellt werden.
Letztlich hat der gemäß der Erfindung vorgesehene Spalt am Stator also die Wirkung, dass ein aktives Motorlager mit dem Reluktanzaktor von dem existierenden Motorsteuergerät angesteuert werden kann und ein zusätzliches Steuergerät nur für die Ansteuerung des aktiven Motorlagers entbehrlich wird.
Der scheinbare Nachteil einer durch den doppelten Luftspalt zunächst verminderten Reluktanzkraft wird also deutlich überkompensiert.
In diesem Zusammenhang hat der verminderte Strombedarf weiterhin die vorteilhafte Wirkung, dass die Komponenten für die Ansteuerung des Reluktanzaktors für geringere Maximalströme dimensioniert werden können. Dementsprechend können hierfür kleinere Bauteile verwendet werden, so dass die Integration der Ansteuerung für das aktive Motorlager in das existierende Motorsteuergerät weniger zusätzlichen Platz benötigt. Es wirkt sich hier wiederum vorteilhaft aus, dass durch den doppelten Luftspalt die Induktivität L der mit dem Stator zusammenwirkenden Erregerspule insgesamt herabgesetzt ist.
Die leichtere Ausführung des Wirkelements hat des weiteren die Wirkung, dass die mechanische Eigenfrequenz des Wirkelements, und damit auch eines aktiven Lagers mit diesem Wirkelement, erhöht wird. Gerade beim Einsatz des Reluktanzaktors in einem aktiven Motorlager kommt es darauf an, dass das Motorlager speziell in dem Frequenzbereich, in dem das Frequenzspektrum der angreifenden Lagerkraft F_L die größten Anteile hat, die unerwünschten Schwingungen besonders gut absorbieren kann. In diesem Zusammenhang kann auch der doppelte Luftspalt zu beiden Seiten des in den Spalt am Stator eingeführten ferromagnetischen Bereichs des Wirkelements, der zunächst einen scheinbaren Nachteil bewirkte, zu einem weiteren Vorteil umgemünzt werden: Die Breite dieses Luftspalts ist ein weiterer Freiheitsgrad, mit dem auf die Eigenfrequenz des aktiven Lagers eingewirkt werden kann. Insbesondere kann die Bandbreite an Frequenzen f der angreifenden Lagerkraft F_L, die von dem aktiven Lager absorbiert werden kann, durch den doppelten Luftspalt vergrößert werden.
Der Wegfall eines zusätzlichen Steuergeräts allein für das aktive Motorlager spart entsprechend Bauraum, Materialkosten und Aufwand für zusätzliche Verkabelung ein. Weiterhin ist es aus Sicht von Fahrzeugherstellern generell günstig, mit möglichst wenigen Steuergeräten auszukommen. Schließlich wirkt sich die Energieeinsparung im aktiven Motorlager auch günstig auf den Kraftstoffverbrauch und damit auf den CO₂-Ausstoß aus.
Ein Reluktanzaktor hat in einem aktiven Lager allgemein den Vorteil, dass er ohne Permanentmagnete auskommt, die in der Regel aus Seltenen Erden bestehen und entsprechend hohe Materialkosten verursachen. Weiterhin sind Amplitude und Frequenz der durch den Reluktanzaktor ausgeübten Gegenkraft F_G getrennt voneinander einstellbar.
Der Spalt kann insbesondere eine vollständige Unterbrechung einer Struktur des Stators darstellen, durch die zumindest ein Teil des von der Erregerspule in den Stator eingebrachten magnetischen verketteten Flusses Ψ geführt ist. Die Induktivität L der mit dem Stator zusammenwirkenden Erregerspule reagiert dann mit maximalem Kontrast darauf, ob der ferromagnetische Bereich des Wirkelements in den Spalt eingeführt ist oder nicht. Ist der Spalt hingegen keine vollständige Unterbrechung, konzentriert sich zumindest ein Teil des magnetischen verketteten Flusses Ψ an der ihn überbrückenden Struktur.
Vorteilhaft korrespondiert der Spalt zu dem ferromagnetischen Bereich des Wirkelements. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der Spalt von dem eingeführten ferromagnetischen Bereich des Wirkelements bis auf den doppelten Luftspalt bestmöglich ausgefüllt wird und/oder dass der ferromagnetische Bereich des Wirkelements zur Gänze in den Spalt einführbar ist. Wenn der Spalt zu dem ferromagnetischen Bereich des Wirkelements korrespondiert, kann dies unter anderem auch die Wirkung haben, dass es für die Position p des Wirkelements genau eine Position p_M gibt, in der die Induktivität L der mit dem Stator zusammenwirkenden Erregerspule maximal ist. Bei bestromter Erregerspule hat das Wirkelement dann eine definierte stabile Ruhelage, ohne dass hierfür ein mechanischer Anschlag erforderlich ist.
Vorteilhaft umfasst das Wirkelement neben dem ferromagnetischen Bereich einen nicht ferromagnetischen Träger, der insbesondere mindestens das zehnfache Volumen des ferromagnetischen Bereichs aufweisen kann. Die Gewichtsersparnis des Wirkelements ist dann besonders ausgeprägt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stator mindestens aus einem ersten Stück und einem zweiten Stück zusammengesetzt, und die Erregerspule ist auf eines der beiden Stücke gewickelt. Die Spule kann dann besonders einfach vor der Endmontage des Reluktanzaktors mit hohem Füllfaktor separat gewickelt werden. Insbesondere lässt sich mit einer Wicklung der Erregerspule, die konzentrisch mit einer Symmetrieachse des Reluktanzaktors ist, ein hoher Füllfaktor erreichen. Für die Erzielung eines hohen Füllfaktors erfolgt die Wicklung vorteilhaft mit Profildraht.
Die beiden Stücke müssen nicht aus dem gleichen Material bestehen. Sie können auch aus verschiedenen Materialien bestehen. Jedes der Stücke kann beispielsweise auch ein Blechpaket aus parallelen, ferromagnetischen, gegeneinander isolierten Blechen sein.
Vorteilhaft ist der Stator zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Kompositmaterial, SMC, gefertigt. Dieses Kompositmaterial kann beispielsweise eine elektrisch isolierende Matrix umfassen, in die magnetische Partikel eingebettet sind. Die Ausbildung von Wirbelströmen mit entsprechenden Ohmschen Verlusten im Stator wird dann weitestgehend unterdrückt, da im Stator im Wesentlichen nur noch ein kapazitiver Stromtransport zwischen den einzelnen magnetischen Partikeln möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Stator mindestens zwei aneinander angrenzende Blechpakete aus parallelen, ferromagnetischen, gegeneinander isolierten Blechen. Auch die Isolierung zwischen den Blechen unterdrückt den Transport von Wirbelströmen senkrecht zu den Ebenen der Bleche.
Vorteilhaft schließt die Grenzfläche zwischen zwei aneinander angrenzenden Blechpaketen mit der Ebene je mindestens eines Bleches aus jedem der beiden Blechpakete einen Winkel zwischen 30 und 60 Grad, bevorzugt zwischen 40 und 50 Grad, ein. Der durch die Erregerspule erzeugte magnetische verkettete Fluss Ψ kann dann besonders effektiv von einem Blechpaket in das nächste übertreten.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der von der Erregerspule erzeugte magnetische verkettete Fluss Ψ durch ein Blechpaket in Richtung auf den Spalt geführt. Je stärker der magnetische Fluss Φ, bzw. der magnetische verkettete Fluss Ψ, auf den Spalt fokussiert ist, desto größer ist die Reluktanzkraft, die den ferromagnetischen Bereich des Wirkelements in den Spalt zieht.
Insbesondere kann sich ein teilweise aus einem weichmagnetischen Kompositmaterial, SMC, gefertigter Stator vorteilhaft mit einem zusätzlichen Blechpaket, das den magnetischen Fluss in Richtung auf den Spalt führt, ergänzen. Ein Blechpaket hat für einen magnetischen Fluss Φ einen stark anisotropen Widerstand. Der Widerstand ist bei einem Flusstransport entlang der Ebenen der Bleche kleiner als in SMC-Material, bei einem Flusstransport senkrecht zu den Ebenen der Bleche hingegen deutlich größer als in SMC-Material. Wenn also ein magnetischer Fluss Φ auf einem geschlossenen Weg um Ecken herum zu führen ist, dann hat SMC-Material zum Einen den Vorteil, dass es durch Pressen leicht in geeignete geometrische Formen überführt werden kann. Zum Anderen ist der Widerstand für den Flusstransport innerhalb des SMC-Materials isotrop, da die einzelnen magnetischen Partikel statistisch orientiert sind.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Statoren mit zugehörigen Erregerspulen und Spalten vorgesehen. Das Wirkelement weist mindestens zwei ferromagnetische Bereiche auf, welche so zueinander angeordnet sind, dass eine Erhöhung der Induktivität L der einen mit dem einen Stator zusammenwirkenden Erregerspule die Induktivität L der anderen mit dem anderen Stator zusammenwirkenden Erregerspule vermindert.
Mit dieser Ausgestaltung lässt sich besonders einfach eine Bewegung in zwei entgegengesetzte Richtungen realisieren, indem die beiden Erregerspulen im Wechsel bestromt werden. Im Unterschied zu einem Reluktanzaktor mit nur einer Erregerspule kann eine Feder oder eine andere Quelle für eine Rückstellkraft, die unerwünschterweise eine mechanische Eigenfrequenz vorgibt, entfallen.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das aktive Lager als hydraulisches Lager mit einer Hydraulikkammer zur Aufnahme von Hydraulikfluid ausgebildet ist, wobei sich die Hydraulikkammer zwischen einer Aufnahmemembran zur Aufnahme der angreifenden Lagerkraft F_L und einer an den Reluktanzaktor gekoppelten Aktormembran zur Ausübung der Gegenkraft F_G erstreckt. Dadurch kann der Frequenzbereich, in dem das aktive Lager unerwünschte Schwingungen absorbiert, vorteilhaft erweitert und zugleich der Bedarf an elektrischer Leistung weiter reduziert werden. Ist beispielsweise die Hydraulikkammer über eine gedrosselte Verbindung mit einer Nebenkammer verbunden, so entsteht durch Reibungsverluste beim Fluidtransport auch ohne aktives elektrisches Zutun bereits eine Dämpfung im Lager. Dies kann bereits ausreichen, um die Schwingungen mit Frequenzen f unterhalb der hydraulischen Eigenfrequenz der Fluidsäule abzudämpfen. Der Reluktanzaktor wird dann nur noch für höhere Frequenzen f benötigt und verbraucht entsprechend weniger elektrische Energie.
Eine Reihenschaltung aus einem Steuerelement und der Erregerspule kann beispielsweise als H-Brücke von mindestens vier Steuerelementen ausgebildet sein, zwischen die die Erregerspule geschaltet ist. Die H-Brücke kann beispielsweise eine symmetrische oder asymmetrische Transistorbrücke sein. Die Erregerspule kann dann durch je zwei diagonal gegenüberliegende Steuerelemente in zwei verschiedenen Spannungspolaritäten angeregt werden. Diese Art der Beschaltung der Erregerspule ermöglicht es, das Vorzeichen der Ableitung des in den Stator eingebrachten magnetischen verketteten Flusses Ψ umzukehren. Weiterhin ist es möglich, die Erregerspule kurzzuschließen und so unter Verzicht auf eine Energiespeicherung im Kondensator als elektromagnetische Bremse zu betreiben. Eine Bewegung des Wirkelements durch die äußere Lagerkraft F_L erzeugt dann auch ohne Permanentmagnet über die remanente Magnetisierung des Wirkelements einen magnetischen Fluss in der Erregerspule, der gemäß der Lenzschen Regel der Bewegung entgegenwirkt.
Sind mehrere Erregerspulen vorhanden, so kann jede Erregerspule über eine separate H-Brücke aus der gleichen Gleichspannungsquelle versorgt werden, beispielweise aus dem Bordnetz eines Fahrzeugs. Das Motorsteuergerät, das die H-Brücken enthält, generiert dann beispielsweise reckteckförmige Ansteuerpulse, wobei die Arbeitsfrequenz, die Amplitude und der Pulsbreitenfaktor beispielsweise so geregelt werden können, dass die Gegenkraft F_G der angreifenden Lagerkraft F_L im zeitlichen Mittel bestmöglich nachgeführt wird.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
1 Ausführungsbeispiel eines aktiven Lagers 100 mit einem Reluktanzaktor 1 gemäß der Erfindung;
2 Weiteres Ausführungsbeispiel eines aktiven Lagers 100 mit kleineren ferromagnetischen Bereichen 41a und 41b am Wirkelement 4.
3 Teilgeschnittene perspektivische Ansicht des Bereichs oberhalb der Befestigungsplatte 109 in 2.
4 Bildung eines Stators 2 aus aneinander angrenzenden Blechpaketen 23a–23d.
1 zeigt ein aktives hydraulisches Lager 100, das um eine Achse 100a rotationssymmetrisch aufgebaut ist. In einem Gehäuse 106 ist eine Hydraulikkammer 101 zur Aufnahme von Hydraulikfluid 102 angeordnet. Diese Hydraulikkammer ist nach oben hin durch die aus einem Elastomer gebildete Aufnahmemembran 103 und nach unten hin durch die Aktormembran 104 begrenzt, die von einer Befestigung 104a im Gehäuse 106 gehalten wird. Die Aufnahmemembran 103 nimmt die angreifende Lagerkraft F_L auf; über die Aktormembran 104 wird die Gegenkraft F_G ausgeübt. Die Aufnahmemembran 103 ist über das im Wesentlichen inkompressible Hydraulikfluid 102 mechanisch an die Aktormembran 104 angekoppelt. Die Hydraulikkammer 101 vermag über eine gedrosselte Verbindung Hydraulikfluid 102 mit einer Nebenkammer auszutauschen und so die Energie niederfrequenter Schwingungen zu dissipieren. Dies ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und daher in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.
Die Aktormembran 104 ist über einen Stempel 107 mit einer Welle 105 verbunden, die ihrerseits durch den Reluktanzaktor 1 bewegbar ist. Der Stempel 107 ist in einem ersten Gleitlager 108a entlang der Symmetrieachse 100a beweglich gelagert. Die Achse der Welle 105 stimmt mit der Symmetrieachse 100a des aktiven Lagers 100 überein. Die Welle 105 ist in einem zweiten Gleitlager 108b entlang der Symmetrieachse 100a beweglich gelagert. Das erste Gleitlager 108a ist über einen ersten Flansch 108c im Gehäuse 106 befestigt. Das zweite Gleitlager 108b ist über einen zweiten Flansch 108d im Gehäuse 106 befestigt. Der Reluktanzaktor 1 erstreckt sich im Gehäuse 106 beiderseits einer Befestigungsplatte 109, die ihrerseits mit einer Befestigungsschraube 109a gehalten wird.
Oberhalb der Befestigungsplatte 109 ist ein erster Stator 2a angeordnet, der aus einem ersten Stück 21a und einem zweiten Stück 22a zusammengesetzt ist. Auf das zweite Stück 22a ist die erste Erregerspule 3a gewickelt. Die beiden Stücke 21a und 22a des ersten Stators 2a begrenzen einen ersten umlaufenden Spalt 5a, in den ein erster umlaufender ferromagnetischer Bereich 41a des Wirkelements 4 unter Bildung zweier Luftspalte 6a und 6b einführbar ist. Die erste Erregerspule 3a ist über eine Zuleitung 31a bestrombar.
Analog ist unterhalb der Befestigungsplatte 109 ein zweiter Stator 2b angeordnet, der aus einem ersten Stück 21b und einem zweiten Stück 22b zusammengesetzt ist. Auf das zweite Stück 22a ist die zweite Erregerspule 3b gewickelt. Die beiden Stücke 21b und 22b des zweiten Stators 2b begrenzen einen zweiten umlaufenden Spalt 5b, in den ein zweiter umlaufender ferromagnetischer Bereich 41b des Wirkelements 4 unter Bildung zweier Luftspalte 6c und 6d einführbar ist. Die zweite Erregerspule 3b ist über eine Zuleitung 31b bestrombar.
Das Wirkelement 4 ist an der Welle 105 befestigt. Die ferromagnetischen Bereiche 41a und 41b des Wirkelements 4 sind so zueinander angeordnet, dass immer nur einer dieser Bereiche 41a und 41b seinen zugeordneten Spalt 5a bzw. 5b vollständig ausfüllen und so die Induktivität L seiner zugeordneten Erregerspule 3a bzw. 3b maximieren kann.
Die Erregerspulen 3a und 3b werden im Wechsel bestromt. Wird die Erregerspule 3a bestromt, so wirkt auf den ferromagnetischen Bereich 41a des Wirkelements 4 eine Reluktanzkraft, die diesen Bereich 41a in den Spalt 5a am Stator 2a zieht. Die Welle 105, und damit die Aktormembran 104, bewegt sich dann nach unten in den in 1 gezeigten Zustand. Wird hingegen die Erregerspule 3b bestromt, wirkt die Reluktanzkraft auf den ferromagnetischen Bereich 41b des Wirkelements 4 und zieht diesen Bereich 41b in den Spalt 5b am Stator 2b. Die Welle 105, und damit die Aktormembran 104, bewegt sich dann ausgehend von dem in 1 gezeigten Zustand nach oben.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines aktiven Lagers 100 mit einem Reluktanzaktor 1 gemäß der Erfindung. Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie in 1. Es wurden jedoch die hydraulischen Komponenten sowie die Lager der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die angreifende Lagerkraft F_L wirkt von außen auf den Stempel 107; die Gegenkraft F_G wird mit dem Reluktanzaktor 1 aufgebracht und über die Welle 105, an die das Wirkelement 4 des Reluktanzaktors 3 angebracht ist, auf den Stempel 107 übertragen. Die Welle 105 ist durch einen Luftspalt 105a von den Statoren 2a und 2b beabstandet. In diesem Luftspalt 105a bewegt sich das an die Welle 105 gekoppelte Wirkelement 4 des Reluktanzaktors 1.
Im Unterschied zu 1 ist der erste Stator 2a aus einem ersten Stück 21a aus SMC-Material und einem ferromagnetischen Blechpaket 25a, das als zweites Stück 22a fungiert, zusammengesetzt. Das erste Stück 21a und das Blechpaket 25a begrenzen einen ersten Spalt 5a, in die ein erster ferromagnetischer Bereich 41a des Wirkelements 4 unter Bildung zweier Luftspalte 6a und 6b einführbar ist.
Analog ist der zweite Stator 2b aus einem ersten Stück 21b aus SMC-Material und einem ferromagnetischen Blechpaket 25b, das als zweites Stück 22b fungiert, zusammengesetzt. Das erste Stück 21b und das Blechpaket 25b begrenzen einen zweiten Spalt 5b, in die ein erster ferromagnetischer Bereich 41b des Wirkelements 4 unter Bildung zweier Luftspalte 6c und 6d einführbar ist.
Die Bauweise gemäß 2 ist insgesamt kürzer und kompakter. Insbesondere sind die ferromagnetischen Bereiche 41a und 41b des Wirkelements 4 kleiner dimensioniert als gemäß 1. Dies ist der besseren Fokussierung des von den Erregerspulen 3a und 3b erzeugten magnetischen Flusses Φ auf die umlaufenden Spalte 5a und 5b durch die Blechpakete 25a und 25b geschuldet.
3 ist eine teilgeschnittene perspektivische Ansicht des in 2 gezeigten aktiven Lagers 100. Es ist hier nur der Bereich oberhalb der Befestigungsplatte 109 dargestellt. Das Teil mit der komplexesten Form ist das erste Stück 21a, das gemeinsam mit dem Blechpaket 25a den ersten Stator 2a bildet. Hingegen ist die erste Erregerspule 3a eine vorgefertigte ringförmige Spule, und das Blechpaket 25a ist ein vorgefertigter geblechter Ring. Sowohl die Erregerspule 3a als auch der geblechte Ring 25a können einfach in das erste Stück 21a eingelegt werden. Die vergleichsweise komplexe Form des ersten Stücks 21a lässt sich aus SMC-Material besonders einfach durch Pressen herstellen.
4 verdeutlicht, wie ein Stator 2 aus vier identischen aneinander angrenzenden Blechpaketen 23a–23d aufgebaut sein kann. Die Ebenen, die durch die ferromagnetischen Bleche der Blechpakete 23a–23d definiert werden, verlaufen allesamt senkrecht zur Zeichenebene. Diese Ebenen verlaufen weiterhin in den Blechpaketen 23a und 23c waagerecht von links nach rechts, sowie in den Blechpaketen 23b und 23d senkrecht von oben nach unten. An den Grenzflächen 24a–24d stoßen jeweils zwei der Blechpakete 23a–23d aneinander. Dabei schließt die jeweilige Grenzfläche 24a–24d mit den Blechen in den aneinander angrenzenden Blechpaketen 23a–23d jeweils einen Winkel von 45 Grad ein. Auf diese Weise kann der von der umlaufenden Erregerspule 3 erzeugte magnetische verkettete Fluss Ψ in den Blechpaketen 23a–23d die Welle 105, die durch einen Luftspalt 105a von dem Stator 2 beabstandet ist, komplett umlaufen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011081291 A1 [0002]
DE 102011011328 A1 [0003]
DE 19634342 A1 [0005]
DE 102014204165 A1 [0005]
DE 102014204286 A1 [0005]

Claims

Reluktanzaktor (1), umfassend mindestens einen ferromagnetischen Stator (2, 2a, 2b), mindestens eine Erregerspule (3, 3a, 3b) zum Einbringen eines magnetischen verketteten Flusses Ψ in den Stator (2, 2a, 2b) sowie mindestens ein Wirkelement (4), das beweglich gegen den Stator (2, 2a, 2b) gelagert ist, wobei die Induktivität L der mit dem Stator (2, 2a, 2b) zusammenwirkenden Erregerspule (3, 3a, 3b) mindestens von der Position p des Wirkelements (4) abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2, 2a, 2b) mindestens einen Spalt (5, 5a, 5b) aufweist, in den ein ferromagnetischer Bereich (41, 41a, 41b) des Wirkelements (4) einführbar ist.
Reluktanzaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (5, 5a, 5b) zu dem ferromagnetischen Bereich (41, 41a, 41b) des Wirkelements (4) korrespondiert.
Reluktanzaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkelement (4) neben dem ferromagnetischen Bereich (41, 41a, 41b) einen nicht ferromagnetischen Träger (42) umfasst.
Reluktanzaktor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (42) mindestens das zehnfache Volumen des ferromagnetischen Bereichs (41, 41a, 41b) aufweist.
Reluktanzaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2, 2a, 2b) mindestens aus einem ersten Stück (21, 21a, 21b) und einem zweiten Stück (22, 22a, 22b) zusammengesetzt ist und die Erregerspule (3, 3a, 3b) auf eines der beiden Stücke (21, 21a, 21b; 22, 22a, 22b) gewickelt ist.
Reluktanzaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2, 2a, 2b) zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Kompositmaterial, SMC, gefertigt ist.
Reluktanzaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2, 2a, 2b) mindestens zwei aneinander angrenzende Blechpakete (23a–23d) aus parallelen, ferromagnetischen, gegeneinander isolierten Blechen umfasst.
Reluktanzaktor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche (24a–24d) zwischen zwei aneinander angrenzenden Blechpaketen (23a–23d) mit der Ebene je mindestens eines Bleches aus jedem der beiden Blechpakete (23a–23d) einen Winkel zwischen 30 und 60 Grad, bevorzugt zwischen 40 und 50 Grad, einschließt.
Reluktanzaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Erregerspule (3, 3a, 3b) erzeugte magnetische verkettete Fluss Ψ durch ein Blechpaket (25a, 25b) in Richtung auf den Spalt (5, 5a, 5b) geführt ist.
Reluktanzaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Statoren (2a, 2b) mit zugehörigen Erregerspulen (3a, 3b) und Spalten (5a, 5b) vorgesehen sind und dass das Wirkelement (4) mindestens zwei ferromagnetische Bereiche (41a, 41b) aufweist, welche so zueinander angeordnet sind, dass eine Erhöhung der Induktivität L der einen mit dem einen Stator (2a) zusammenwirkenden Erregerspule (3a) die Induktivität L der anderen mit dem anderen Stator (2b) zusammenwirkenden Erregerspule (3b) vermindert.
Aktives Lager (100), welches eine angreifende Lagerkraft F_L zumindest teilweise durch Ausübung einer Gegenkraft F_G kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reluktanzaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Ausübung der Gegenkraft F_G vorgesehen ist.
Aktives Lager (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Lager (100) als hydraulisches Lager mit einer Hydraulikkammer (101) zur Aufnahme von Hydraulikfluid (102) ausgebildet ist, wobei sich die Hydraulikkammer (101) zwischen einer Aufnahmemembran (103) zur Aufnahme der angreifenden Lagerkraft F_L und einer an den Reluktanzaktor (1) gekoppelten Aktormembran (104) zur Ausübung der Gegenkraft F_G erstreckt.
Aktives Lager (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es als Motorlager für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist.