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WO2005095765A1 - Elektrischer nockenwellenversteller mit scheibenläufermotor - Google Patents

Elektrischer nockenwellenversteller mit scheibenläufermotor Download PDF

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WO2005095765A1
WO2005095765A1 PCT/EP2005/001551 EP2005001551W WO2005095765A1 WO 2005095765 A1 WO2005095765 A1 WO 2005095765A1 EP 2005001551 W EP2005001551 W EP 2005001551W WO 2005095765 A1 WO2005095765 A1 WO 2005095765A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
motor
stator
camshaft adjuster
adjuster according
disc
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2005/001551
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Schäfer
Martin Steigerwald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHO Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
INA Schaeffler KG
Schaeffler KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by INA Schaeffler KG, Schaeffler KG filed Critical INA Schaeffler KG
Priority to US10/599,122 priority Critical patent/US20070194649A1/en
Priority to JP2007504274A priority patent/JP2007530850A/ja
Priority to DE112005000299.3T priority patent/DE112005000299B4/de
Publication of WO2005095765A1 publication Critical patent/WO2005095765A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
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    • H02K1/18—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures
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    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
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    • H02K5/1732—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor
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    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2146—Latching means
    • F01L2009/2148—Latching means using permanent magnet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L2301/00—Using particular materials
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2205/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to casings, enclosures, supports
    • H02K2205/03—Machines characterised by thrust bearings

Definitions

  • the invention relates to an electric camshaft adjuster for adjusting and fixing the phase position of a camshaft of an internal combustion engine with respect to its crankshaft, with a three-shaft gear and an adjusting motor designed as a disc motor, in particular according to the preamble of patent claim 1.
  • Conventional electrical camshaft adjustment systems have an adjustment gear and an adjustment motor which is designed as an inner rotor of the roller rotor type.
  • the installation space of the camshaft adjuster can only be reduced by shortening the adjustment motor. However, this also reduces its torque. This depends on the airborne gap between the rotor and stator when the electric motor is energized electrical force F e - and the effective lever arm d R 2, where d R denotes the diameter of the rotor.
  • the lever arm ⁇ ⁇ 2 can only be increased with difficulty in the case of an inner rotor in the form of a roller rotor with a radial air gap and a relatively small rotor diameter by enlarging the same.
  • To increase the torque only the increase in the electrical force F e ⁇ remains. This can be achieved by increasing the magnetic flux density. The way to do this by increasing the current has the disadvantage of increasing the power loss and consequently the electric motor temperature. There is also a risk of demagnetization of the permanent magnet rotor. Increasing the magnetic flux density of the same via a corresponding magnetic material is expensive.
  • An interesting option for reducing the overall length of the electric camshaft adjuster is a brushless DC motor with a disc rotor design.
  • This is a disc-shaped rotor (rotor), which consists of magnetized circular sectors.
  • the magnetic poles of a magnetized circular sector element point in the axial direction.
  • the polarity of adjacent circular sectors is carried out alternately.
  • the circular sectors are advantageously manufactured separately and then attached to a carrier element, the magnetized circular sectors preferably consisting of a magnetizable metal, a magnetizable metal alloy or plastic which is provided with magnetizable particles.
  • At least one stator is assigned to the rotor and is provided with winding parts.
  • the rotor is driven by the targeted energization of the winding parts with the correct polarity of the current.
  • Position sensors record the position of the rotor relative to the stator. Based on this information, the individual winding parts are supplied with a current of the correct polarity at the right time. Hall sensors, for example, or sensors whose resistance is dependent on the magnetic field (magnetoresistance effect) are available as position sensors.
  • the disc rotor motors can be divided into the categories internal and external rotor.
  • the rotor does not protrude above the stator or the stators.
  • the stator is essentially ring-shaped and surrounds the rotor in the radial direction, as a result of which an air gap is defined in the circumferential direction between the rotor and the stator.
  • the stator is also ring-shaped, but is arranged offset in the axial direction to the stator. This also defines an annular air gap that is located in the axial direction between the rotor and the stator.
  • a magnetizable disk is advantageously arranged in the axial direction of the rotor on the side facing away from the stator.
  • annular stator is arranged in front of and behind the rotor in the axial direction.
  • two annular air gaps are defined, one air gap each lying in the axial direction between the rotor and one of the two stators.
  • An external rotor is also possible, in which the external disc rotor encompasses the internal stator. Based on the mass accumulation on a large diameter, this solution has a high mass moment of inertia, which exerts a negative influence on its dynamics when the disk rotor motor is accelerating and braking. Accordingly, the inner rotor version with an axial air gap is an advantageous variant of the disc rotor motor.
  • the diameter of the disc rotor and thus the lever arm of the electric force F e ⁇ can be selected to be considerably larger than that of a roller rotor, the torque of the disc rotor motor is considerably higher than this. This also largely compensates for the higher mass moment of inertia of the disc rotor motor, so that its dynamic behavior is hardly influenced. Accordingly, the disc rotor motor achieves at least the same output as the roller rotor motor with a smaller axial length.
  • the disc rotor motor offers various design options that allow it to be adapted to different applications.
  • a stator can be attached in the axial direction in front of and behind the rotor.
  • a rotor that grips around the stator in the axial direction is also conceivable.
  • - Single pole coils are concentrated around stator teeth, where one tooth is one pole.
  • Coils are wound around several stator teeth and overlap in the angular head, which has larger dimensions.
  • Stator with teeth requires high manufacturing costs, but offers concentrated flow in the teeth and a small air gap (distance) between the rotor and stator.
  • Embodiment however, the low manufacturing effort.
  • Enameled wire conductor enables conventional windings, but which require special winding machines.
  • - Sheet metal layer conductor The winding is made of punched or etched sheets and requires insulation and assembly effort.
  • Low number of poles of the disc rotor Offers low leakage flux, but requires a thick yoke with the appropriate installation space and moment of inertia.
  • High number of poles Conditionally high leakage flux, but allows a thin yoke with a small moment of inertia.
  • Non-grooved (ironless) stator core requires: - Sintered magnets of the disc rotor due to the larger magnetic gap.
  • a low-pole disc rotor because of the magnetic field scatter.
  • a multi-pole disc rotor requires: A grooved stator due to the magnetic field scatter.
  • - A plastic-bonded magnet of a disc rotor requires: A grooved stator due to the low magnetic flux density.
  • a yoke rotating with the disc rotor requires: A multi-pole disc rotor because of the low yoke thickness (low mass moment of inertia).
  • An air gap requires: A multi-pole disc rotor because of the thin return ring on the disc rotor that is possible (low mass moment of inertia).
  • All grooved variants with two air gaps can be constructed both symmetrically and asymmetrically.
  • a coil with a yoke is arranged on both sides of the permanent magnet disc rotor, while in the case of an asymmetrical structure, the coil with a yoke and only one yoke on the other side.
  • the coil with yoke can also be used with a permanent magnet disc rotor with only one air gap.
  • variant 1 appears to be particularly advantageous in an embodiment with an air gap and variant 22 in an embodiment with 2 air gaps:
  • the multi-pole, iron-covered winding of the stator is very short axially;
  • the plastic-bonded magnet of the permanent magnet disc rotor can be manufactured inexpensively;
  • the enamelled wire used for the stator winding is inexpensive;
  • the torque-forming part of the stator winding is high because of the small proportion of end windings;
  • the mass moment of inertia of the disc rotor is low due to the stationary yokes.
  • variant 36 can also be used as disc-type motors for electric camshaft adjusters. Since all variants have their specific advantages and disadvantages, the selection is determined by the respective application.
  • EP 1 039 101 A2 discloses an electric camshaft adjuster with an adjusting motor designed as a disc rotor.
  • This disc motor forms a unit with the adjustment gear, so that it rotates with the same. For this reason, the power supply to the adjustment motor takes place via slip rings.
  • the use of slip rings has a disadvantageous effect on the axial installation space. Furthermore, the use of slip rings is subject to wear and thus leads to a shorter motor life.
  • the invention has for its object to provide a generic disc motor for an electric camshaft adjuster, the manufacture and operation of which are inexpensive.
  • the adjusting motor can be exchanged and installed and repaired independently of the adjusting gear and used for other purposes.
  • the releasable coupling can be designed, for example, as a spline shaft, elastic rubber element or magnetic coupling.
  • the cover or the housing is designed as a sensor module made of plastic, into which a lead frame is integrated, which is used for the conductive connection of a molded connector on the cover with position sensors for electronic commutation and with connections of the stator.
  • the position sensors can be addressed by the disc rotor.
  • the disc rotor consists of a sintered or plastic-bonded permanent magnet which is attached to a disc-shaped carrier by means of which the disc rotor is pressed onto the motor shaft.
  • the sintered disc rotor achieves a higher flux density and thus a higher torque than the plastic-bonded one, which is less expensive to manufacture and more variable in shape, but also more sensitive to temperature. If the stator is grooved, there is a higher magnetic flux in the stator teeth, while the less expensive stator core of a non-grooved stator creates a high leakage flux. This reduces the torque and efficiency of the adjustment motor.
  • stator yoke as a ring band core and the stator core as a sintered disk with sintered teeth are designed separately but can be joined together, or that the stator yoke and stator core can be produced in one piece from a wide ring band core by milling or punching out the stator grooves ,
  • the assembly can be done e.g. B. done by screwing or riveting after the winding has been applied to the stator core.
  • an output stage of the disc rotor motor is preferably operated bipolar.
  • roller bearings are preferably designed as deep groove ball bearings and are preferably arranged in the housing and in the cover.
  • needle, roller or plain bearings are also conceivable. It is also possible to mount the motor shaft with one roller bearing in the motor housing and with another roller bearing via the clutch in the gear housing.
  • Another possibility is the floating mounting of the motor shaft in the motor housing.
  • the solution requires particularly little axial installation space, in which the motor shaft can be supported in the inner ring of the deep groove ball bearing close to the output and on the outer ring of the deep groove ball bearing remote from the output.
  • the bearing remote from the output is at least partially arranged in the disc rotor. It is advantageous if an O-ring is preferably provided between the housing and the cover as a seal and a radial shaft seal is preferably provided between the motor shaft and the housing.
  • the O-ring can also be replaced with a paper seal or a sealing paste.
  • a labyrinth seal or a sealed deep groove ball bearing can also be used.
  • Disc rotor motors can have one or two air gaps.
  • Disc-type motors with an air gap load the bearings with an axial force which, with two air gaps, is theoretically balanced and at least reduced in practice due to tolerances.
  • An advantageous further development of the invention consists in that in the case of a disc rotor motor with an air gap, a coaxial motor shaft compression spring acting on the motor shaft in the direction of the stator and / or a coaxial stator compression spring acting on the stator in the direction of the disc rotor are provided.
  • the two compression springs serve to minimize the air gap of the disc rotor by bridging the bearing play of the roller bearings and the installation play of the stator.
  • the smallest possible air gap width ensures a maximum torque of the disc motor.
  • the winding parts of the stator consist of stamped sheets, molded parts or enamelled wire.
  • the number of pole pairs is preferably 2 to 12.
  • Figure 1 is a schematic representation of a camshaft adjuster with a three-shaft gear and a drive motor
  • Figure 2 shows a brushless disc motor with two air gaps and a two-part stator
  • FIG. 3 shows a diagram of an alternative disc rotor motor with two air gaps and a two-part disc rotor
  • Figure 4 shows a brushless disc motor with an air gap
  • Figure 5 shows a brushless disc motor with an air gap and alternative bearing of the motor shaft
  • Figure 5a shows a brushless disc motor with an air gap and a second alternative bearing for the motor shaft
  • FIG. 5b shows a brushless disc motor with an air gap and a third alternative bearing for the motor shaft
  • Figure 6 and 6a tables with variants of disc motors
  • FIG. 7a shows a brushless roller rotor motor with a first position sensor arrangement
  • FIG. 7b shows an alternative embodiment of a brushless roller rotor motor with a second position sensor arrangement
  • FIG. 1 the diagram of a camshaft adjuster A is shown, with a drive wheel B, which drives an adjustment gear C.
  • the adjustment gear C which is advantageously designed as a three-shaft gear, is connected to the camshaft D and a motor shaft E.
  • the motor shaft E is driven by a rotor F of an adjusting motor G, the stator H of which is firmly connected to a housing J.
  • the housing is firmly connected to a cylinder head K.
  • FIG. 2 shows a disc-type motor 1 designed as a brushless DC motor (BLDC motor) with two air gaps 2, 2a.
  • the air gaps 2, 2a are located between a disc rotor 3 and a two-part stator 4, 4a.
  • the disc rotor 3 is connected in a torsionally fixed manner to a motor shaft 5 and this is connected to a coupling element 6. This can be connected in a rotationally fixed and detachable manner to an adjusting shaft of an adjusting gear (not shown).
  • the motor shaft 5 is mounted in two roller bearings 7, 7a, which are designed as deep groove ball bearings in this illustration, which are arranged on both sides of the disc rotor 3 directly next to the same and in a housing 8 and in a cover 9 of the same.
  • the housing 8 and its cover 9 are assigned to one another via a radial guide 10, mutually sealed by an O-ring 11 and screwable by screws 12.
  • the motor shaft 5 is sealed by a radial shaft sealing ring 13 and the free end of the motor shaft 5 by the closed cover 9.
  • FIG. 3 shows the diagram of a disk rotor motor 1 'with two air gaps 2', 2a ', the disk rotor 3' of which is formed in two parts.
  • the disc rotor 3 ' consists of two disc rotor parts 3a and 3b, which are connected by a hub 14.
  • the stator 15 ' is located in the axial direction between the two disc rotor parts 3a and 3b.
  • stator 15 'and disk rotor 3' in disk rotor motors 1 ' with two air gaps, in each of which a stator 15' (disk rotor 3 ') lies in front of and behind the disk rotor 3' (stator 15 ') in the axial direction Forces opposed and thus compensate each other. Theoretically, this can completely eliminate the axial force, but this fails in practice due to tolerances (different sizes of the two air gaps, slightly different windings of the winding parts).
  • FIG. 4 shows a disc motor 1 "with only one air gap 2".
  • This disc rotor motor 1 " also has a housing 8 'which is closed by a cover 9' by means of screws 12 '.
  • roller bearings 7', 7a ' which serve to mount a motor shaft 5' and in this example are designed as deep groove ball bearings.
  • the roller bearings 7 ', 7a' are sealed to the outside on the side of the motor shaft 5 'close to the output by a radial shaft sealing ring 13' and on the side remote from the output by a sealable cover 18 to the outside.
  • the motor shaft 5 ' is non-rotatably connected to a disc rotor 3 "and to a coupling element 6', the disc rotor 3" being arranged between the roller bearings 7 ', 7a' and the coupling element 6 'at the end of the motor shaft 5' close to the output.
  • the disc rotor 3 " consists of a yoke part 16 and a permanent magnet part 17.
  • the latter is arranged opposite a winding part 19 of a stator 15", on the rear side of which a stator yoke 20 is arranged.
  • Position sensors 21, which serve to control the electrical commutation and which are acted upon by the permanent magnet part 17 of the disc rotor 3 ", are located within the stator 15".
  • the permanent magnet part 17 consists of a plurality of permanent magnets designed in the manner of a sector of a circle, which are arranged on the disk-shaped yoke part 16 in such a way that, in their entirety, they form a circular ring.
  • the yoke part 16 consequently serves as a carrier via which the permanent magnets are fastened on the motor shaft 5, 5 ', 5 ". Furthermore, in the case of a motor, the yoke part is provided with an air gap on the stator 15, 15', 15", 15 ' “and away from the side and can consist of a magnetizable material for returning the magnetic flux.
  • the magnetic polarity of the individual permanent magnets runs in the axial direction of the yoke part 16 and adjacent circular sectors are attached with alternating polarity.
  • the permanent magnets serve two purposes. On the one hand, they form the drive of the motor in connection with the winding parts of the stator (s) 15, 15 ', 15 ", 15"'. On the other hand, they deliver the position signal to be detected by the position sensors 21, 21 '. Consequently, instead of the circular sector-like design of the permanent magnets, a partially ring-shaped design can be selected, the permanent magnets extending in the radial direction only in the area in which either the winding parts of the stator extend 15, 15 ', 15 ", 15'” or the position sensors 21, 2V.
  • a motor shaft compression spring 22 and a stator compression spring 23 are provided.
  • the motor shaft compression spring 22 is supported on a pressure ring 24a connected to the motor shaft 5 'and the outer ring of the roller bearing 7a' remote from the output and thereby compensates for the bearing play of the roller bearings 7 ', 7a'.
  • the stator compression spring 23 is arranged in an annular groove provided in the cover 9 'and presses the stator 15 "against a stator stop 24, as a result of which the manufacturing and assembly play of the stator 15" is compensated ,
  • the winding parts 19 are subjected to high currents, which leads to a high level of heat at the stator 15".
  • sufficient heat must be dissipated from the disc motor 1 ".
  • the disc motor 1" is located in the engine compartment outside the cylinder head, with the housing side 29 of the disc motor facing away from the cover 9 ' 1 ", at least partially, rests directly on a cylinder head (not shown).
  • both the stator 15 "and the position sensors 21 are mounted on the side facing away from the cylinder head within the disk motor 1 ′′ on the cover 9 ′.
  • a disc motor 1 '"of Figure 5 also has only one air gap 2".
  • the basic structure is similar to that of the disc motor 1 ".
  • the main difference lies in the design of the motor shaft 5", the solid part 5a of a roller bearing 7 "close to the output in its inner ring 25 and the hollow part 5b of the roller bearing 7a" of the distant output on its outer ring 26a is stored.
  • the roller bearing 7a "remote from the drive can move partially into the disk rotor 3" and closer to the roller bearing 7 "near the drive. In this way, the axial dimensions of the disk rotor motor 1 '" are minimized.
  • the rolling bearings 7 ", 7a" are internally sealed and filled with permanent grease.
  • the disc motor 1 '" has a housing 8" which is closed by a cover 9 ".
  • the cover 9" is centered in a radial guide 10' of the housing 8 "and both are sealed by an O-ring 11.
  • the cover 9 " carries a central pin 27, onto which the inner ring 25a of the roller bearing 7a" remote from the drive is pressed.
  • the stator 15 '' with the stator yoke 20 'and the winding part 19' is also arranged in the housing 8 ''. Position sensors 21 'are also located within the same. housed for electronic commutation.
  • the stator 15 '" is axially fixed by the cover 9".
  • the disc motor 1 '' is attached to a cylinder head (not shown) with the housing side 29 opposite the cover 9 ''.
  • the engine shaft 5 ′′ projects through a recess in the cylinder head and is connected to an adjusting mechanism (not shown) of the camshaft adjuster.
  • FIGS. 5a and 5b show two embodiments which are analogous to those shown in FIG. 5, which is why reference is made to FIG. 5 for their description and mode of operation.
  • the disc rotor motors shown in FIGS. 5a and 5b differ in the arrangement or the type of rolling bearings via which the motor shaft is mounted.
  • the roller bearing 7 ′′ close to the output is replaced by an axial bearing 28, such as, for example, an axial needle bearing or axial cylindrical roller bearing.
  • the axial bearing 28 absorbs the axial forces which occur due to the use of the disk motor with only one air gap.
  • the roller bearing 7 "close to the output is flush with the housing side 29 facing the cylinder head.
  • the radial shaft seal connects directly to the roller bearing 7"
  • the advantage of this embodiment lies in the larger distance between the two bearings. Furthermore, the roller bearing 7 "is cooled by spray oil from the cylinder head.
  • the motor shaft 5 ′′ is mounted on the output side by a coupling element, via which the motor shaft 5 ′′ is in drive connection with an adjusting shaft of a three-shaft transmission.
  • FIGS. 6, 6a show tables with variants of disc rotor motors which, because of their different design elements, are suitable for different applications.
  • a roller rotor motor 30 is shown in FIGS. 7a and 7b.
  • a rotor 31 designed as a roller rotor consists of a motor shaft 5 '' on which a roller-shaped yoke 32 is attached in a rotationally fixed manner.
  • a cylindrical magnet-shaped permanent magnet 33 is attached in a rotationally fixed manner.
  • the permanent magnet 33 consists of several segments in the form of partial cylinders. The magnetic poles of the segments lie along the radial direction and the segments are mounted on the yoke 32 such that the direction of the polarity of adjacent segments alternates.
  • the rotor 31 and the motor shaft 5 ′ ′′ are mounted in a housing 8 ′ ′′ via a roller bearing 7 ′ ′′ and a roller bearing 7a ′′ remote from the output, in the embodiment shown a grooved ball bearing each.
  • the housing 8 '" consists of a flange part 34, a cover 9'" and a sleeve 35, the flange part 34 and the cover 9 "'being connected to the sleeve 35 in a material, non-positive or positive, sealing manner
  • Flange part 34 is provided with bores by means of which the roller motor 30 can be screwed to a cylinder block, not shown.
  • a stator 15 "" consisting of a yoke part 16 '"and winding parts 19", encompasses the rotor 31 in the circumferential direction.
  • the stator 15 "” is mounted within the housing 8 '"and rotatably to the latter.
  • An axially extending annular extension 36 is formed on the yoke 32, on the end face of which an annular second permanent magnet 37 is attached, opposite the position-fixed position sensors 21 ′′ which serve to control the electrical commutation.
  • the second permanent magnet 37 is like that first permanent magnet 33 divided into segments and attached to the extension 36 in such a way that the segment boundaries of the two permanent magnets 33 and 36 are located at identical circumferential positions.
  • the position sensors 21 are attached to the flange part 34.
  • the flange part 34 lies directly on the cylinder head and is sprayed with spray oil analogously to the above description using the disc rotor motor 1""and is thereby cooled.
  • the direct contact of the position sensors 21 "on the cooled flange part 34 protects them from overheating and thus extends the service life of the roller rotor motor 30.
  • the position sensors 21" are attached to the cover 9 '".
  • the direct contact of the position sensors 21 "on the cooled flange part 34 protects them from overheating and thus extends the service life of the roller rotor motor 30.
  • the effectiveness of both embodiments can be increased by increasing the cooled area, for example by forming cooling fins, or better thermal connection of the position sensors 21". to the flange part 34 or the cover 9 '"can be increased.
  • roller rotor motor 31 rotor

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Nockenwellenversteller zur Verstellung und Fixierung der Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle, wobei der Nockenwellenversteller ein Dreiwellengetriebe aufweist, mit einem kurbelwellenfesten Antriebsrad, einem nockenwellenfesten Abtriebsteil und einer Verstellwelle, die mit einer Motorwelle (5, 5', 5'') eines als Scheibenläufermotor (1, 1', 1'', 1''') ausgebildeten elektrischen Verstellmotors verbunden ist, der einen Scheibenläufer (3, 3', 3'') und einen Stator (15, 15', 15'', 15''') aufweist, der in einem Gehäuse (8, 8', 8'') mit zugehörigem Deckel (9, 9', 9'') angeordnet ist. Einen in Fertigung und Betrieb kostengünstigen Nockenwellenversteller erzielt man dadurch, dass der Scheibenläufermotor (1, 1', 1'', 1''') als bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ausgebildet ist, dessen Gehäuse (8, 8', 8'') und Deckel (9, 9', 9'') zylinderkopffest angeordnet und dessen Motorwelle (5, 5', 5'') mit der Verstellwelle durch eine lösbare Kupplung verbunden sind.

Description

Bezeichnung der Erfindung Elektrischer Nockenwellenversteller mit Scheibenlaufermotor
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Nockenwellenversteller zur Verstellung und Fixierung der Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle, mit einem Dreiwellengetriebe und einem als Scheibenlaufermotor ausgebildeten Verstellmotor, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Übliche elektrische Nockenwellenverstellsysteme weisen ein Verstellgetriebe und einen Verstellmotor auf, der als Innenläufer in Walzenläuferbauart ausgebildet ist.
In modernen Fahrzeugen werden aufgrund von sicherheitstechnischen Überle- gungen (Crash-Verhalten) gewisse Abstände zwischen Karosserie und Verbrennungsmotor gefordert. Daraus folgt der Wunsch nach möglichst kompakten Motoren. Dem steht der Bauraumbedarf der axial hintereinander angeordneten Verstellgetriebe und Verstell motoren entgegen, was insbesondere bei Fahrzeugen mit quer eingebautem Motor problematisch ist.
Bei gegebenem Verstellgetriebe kann der Bauraum des Nockenwellenverstel- lers nur durch Verkürzen des Verstellmotors verringert werden. Dadurch wird aber zugleich dessen Drehmoment verringert. Dieses hängt von der im Luft- spalt zwischen Rotor und Stator bei Bestromung des Elektromotors entstandenen elektrischen Kraft Fe- und dem wirksamen Hebelarm dR 2 ab, wobei dR den Durchmesser des Rotors bezeichnet. Der Hebelarm ά^2 kann bei einem Innenläufer in Walzenläuferausführung mit radialem Luftspalt und relativ kleinem Rotordurchmesser durch Vergrößern desselben nur schwer erhöht werden. Es bleibt zur Erhöhung des Drehmoments nur die Steigerung der elektrischen Kraft Feι. Dieses kann durch Erhöhen der magnetischen Flussdichte erreicht werden. Der Weg dahin über eine Verstärkung des Stromes hat den Nachteil einer Erhöhung der Verlustleistung und daraus folgend der Elektromotortempe- ratur. Außerdem besteht die Gefahr einer Entmagnetisierung des Permanentmagnetrotors. Eine Steigerung der magnetischen Flussdichte desselben über ein entsprechendes Magnetmaterial ist kostspielig.
Eine interessante Möglichkeit zur Verringerung der Baulänge des elektrischen Nockenwellenverstellers bietet ein bürstenloser Gleichstrommotor in Scheiben- läuferausführung. Hierbei handelt es sich um einen scheibenförmigen Läufer (Rotor), der aus magnetisierten Kreissektoren besteht. Die magnetischen Pole eines magnetisierten Kreissektorelementes weisen in axialer Richtung. Weiterhin ist die Polung benachbarter Kreissektoren alternierend ausgeführt. Vorteil- hafterweise sind die Kreissektoren separat gefertigt und anschließen an einem Trägerelement befestigt, wobei die magnetisierten Kreissektoren vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Metall, einer magnetisierbaren Metallegierung oder Kunststoff bestehen, der mit magnetisierbaren Partikeln versehen ist.
Dem Rotor ist mindestens ein Stator zugeordnet, der mit Wicklungsteilen versehen ist. Durch das gezielte Bestromen der Wicklungsteile mit der korrekten Polung des Stroms wird der Rotor angetrieben. Positionssensoren erfassen die Lage des Rotors relativ zum Stator. Aufgrund dieser Information werden die einzelnen Wicklungsteile zum richtigen Zeitpunkt mit einem Strom der korrek- ten Polung beaufschlagt. Als Positionssensoren stehen beispielsweise Hall- Sensoren, oder Sensoren zur Verfügung, deren Widerstand magnetfeldabhängig (Magnetowiderstandseffekt) ist. Die Scheibenläufermotoren lassen sich in die Kategorien Innen- und Außenläufer aufteilen.
Bei den Innenläufermotoren überragt der Rotor den Stator oder die Statoren nicht. In einer ersten Ausführungsform des Motors ist der Stator im wesentli- chen ringförmig ausgeführt und umgreift den Rotor in radialer Richtung, wodurch ein Luftspalt in Umfangsrichtung zwischen Rotor und Stator definiert ist. In einer weiteren Ausführungsform ist der Stator ebenfalls ringförmig ausgeführt, ist aber in axialer Richtung versetzt zum Stator angeordnet. Dadurch ist ebenfalls ein ringförmiger Luftspalt definiert, der sich in axialer Richtung zwi- sehen Rotor und Stator befindet. Zur verbesserten magnetischen Flussrückführung ist vorteilhafterweise in axialer Richtung zum Rotor, auf der dem Stator abgewandten Seite eine magnetisierbare Scheibe angeordnet. Ebenfalls denkbar ist eine Anordnung, in der in axialer Richtung vor und hinter dem Rotor jeweils ein ringförmig ausgeführter Stator angeordnet ist. In dieser Ausführungsform sind zwei ringförmige Luftspalte definiert, wobei je ein Luftspalt in axialer Richtung zwischen dem Rotor einem der beiden Statoren liegt. Auch ein Außenläufer ist möglich, bei dem der außen liegende Scheibenrotor den innen liegenden Stator umgreift. Diese Lösung hat aufgruπ d der Massenanhäufung auf großem Durchmesser ein hohes Massenträgheitsmoment, das beim Beschleunigen und Abbremsen des Scheibenläufermotors einen negativen Einfluss auf dessen Dynamik ausübt. Demnach ist die Innenläuferversion mit axialem Luftspalt eine vorteilhafte Variante des Scheibenläufermotors.
Da der Durchmesser des Scheibenläufers und damit der Hebelarm der elektri- sehen Kraft Feι erheblich größer als der eines Walzenläufers gewählt werden kann, liegt das Drehmoment des Scheibenläufermotors erheblich über diesem. Dadurch wird auch das höhere Massenträgheitsmoment des Scheibenläufermotors weitgehend kompensiert, so dass dessen dynamisches Verhalten kaum beeinflusst wird. Demnach erreicht der Scheibenlaufermotor bei geringerer axialer Länge eine zumindest gleiche Leistung gegenüber dem Walzenläufermotor. Der Scheibenlaufermotor bietet diverse Gestaltungsmöglichkeiten, die seine Anpassung an unterschiedliche Einsatzfälle erlauben.
Bei der Konzeption bzw. Auslegung eines Scheibenläufermotors stehen unter anderem folgende Gestaltungselemente zur Verfügung:
Anzahl der Luftspalte (ein oder zwei) Wicklungsart des Stators (Einzel- oder Vollpol) Permanentmagnet (gesintert oder kunststoffgebunden) - Statorkern (genutet, d. h. Wicklung mit Eisen, oder ungenutet, d. h. Wicklung eisenlos) Joche von Läufer und Stator (stationär oder rotierend) Leiterart (Lackdraht oder isolierte Blechschichten oder Formteile) Polzahl des Stators (niederpolig, d. h. < zehn Pole, oder hochpolig, d. h. ≥ zehn Pole).
Im Folgenden werden die Merkmale der beiden Möglichkeiten der Gestaltungselemente aufgelistet: - Ein Luftspalt: Statorwicklung befindet sich nur auf einer Seite des Dauermagnetläufers, wodurch eine Axialkraft auf die Lager wirkt.
Zwei Luftspalte: Hierbei sind zwei Anordnungen denkbar. Zum einen kann in axialer Richtung vor und hinter dem Rotor je ein Stator angebracht sein. E- benfalls denkbar ist ein Rotor, der den Stator in axialer Richtung umgreift. - Einzelpol: Spulen sind konzentriert um Statorzähne gewickelt, wobei ein Zahn gleich ein Pol ist. Vollpol:
Spulen sind um mehrere Statorzähne gewickelt und überschneiden sich im Winkelkopf, der größere Abmessungen aufweist.
Gesinterte Magnete:
Hohe Flussdichte von Br > 0,8 Tesla, teuer.
Kunststoffgebundene Magnete:
Flussdichte Br ≤ 0,8 Tesla, kostengünstig, variabel aber temperatur- empfindlich.
Statorkern genutet:
Stator mit Zähnen erfordert hohen Fertigungsaufwand, bietet aber konzentrierten Fluss in den Zähnen und einen geringen Luftspalt (Abstand) zwischen Rotor und Stator.
Statorkern ungenutet:
Mit einem Blechpaket als Ringbandkern, auf das eine Luftspaltwicklung aufgebracht wird, wird ein großer magnetischer Luftspalt mit ge- ringer Flußkonzentration bewirkt. Vorteilhaft wirkt sich bei dieser
Ausführungsform allerdings der geringe Fertigungsaufwand aus.
Stationäres Joch:
Hohe Ummagnetisierungsverluste die durch Blechung reduziert wer- den. Vorteilhaft ist jedoch das dadurch erreicht geringe Massenträgheitsmoment des Läufers.
Rotierendes Joch:
Bietet geringe Ummagnetisierungsverluste, da das massive Joch mit dem Permanentmagnetrotor rotiert. Dies verursacht jedoch ein hohes
Massenträgheitsmoment. Lackdrahtleiter: Ermöglicht konventionelle Wicklungen, die aber spezielle Wickelmaschinen erfordern. - Blechschichtenleiter: Die Wicklung ist aus gestanzten oder geätzten Blechen aufgebaut und erfordert Isolations- und Montageaufwand.
Niedrige Polzahl des Scheibenläufers: Bietet geringen Streufluss, erfordert aber ein dickes Joch mit entsprechendem Bauraum und Massenträgheitsmoment.
Hohe Polzahl: Bedingt hohen Streufluss, erlaubt aber ein dünnes Joch mit kleinem Massenträgheitsmoment.
Durch Kombination der unterschiedlichen Gestaltungselemente ergeben sich eine Vielzahl verschiedener Scheibenläufervarianten, von denen zwar viele nicht sinnvoll, alle aber realisierbar sind.
Im folgenden werden einige Gestaltungselemente und die dazu passenden ergänzenden Gestaltungselemente aufgelistet:
Ungenuteter (eisenloser) Statorkern erfordert: - Gesinterte Magnete des Scheibenläufers wegen des größeren magnetischen Spalts. Einen niederpoligen Scheibenläufer wegen der Magnetfeldstreuung. Ein hochpoliger Scheibenläufer erfordert: Einen genuteten Stator wegen der Magnetfeldstreuung. - Ein kunststoffgebundener Magnet eines Scheibenläufers erfordert: Einen genuteten Stator wegen der kleinen Magnetflussdichte. Ein mit dem Scheibenläufer rotierendes Joch erfordert: Einen hochpoligen Scheibenläufer wegen der dadurch möglichen geringen Jochdicke (niedriges Massenträgheitsmoment). Ein Luftspalt erfordert: Einen hochpoligen Scheibenläufer wegen des dadurch möglichen dünnen Rückschlussrings am Scheibenläufer (niedriges Massenträgheitsmoment).
Weitere Kombinationen der Gestaltungselemente sind in der Tabelle von Figur 5 und 5a aufgelistet.
Alle genuteten Varianten mit zwei Luftspalten können sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch aufgebaut sein.
Bei symmetrischem Aufbau werden auf beiden Seiten des Permanentmagnet- Scheibenläufers eine Spule mit Joch angeordnet, während sich bei asymmetrischem Aufbau auf einer Seite die Spule mit Joch und auf der anderen Seite nur ein Joch befinden.
Die Spule mit Joch lässt sich auch bei einem Permanentmagnet- Scheibenläufer mit nur einem Luftspalt verwenden.
Beim Vergleich der 44 Varianten der Figuren 5 und 5a erscheint die Variante 1 bei eine Ausführungsform mit einem Luftspalt und die Variante 22 bei einer Ausführungsform mit 2 Luftspalten als besonders vorteilhaft:
Die hochpolige, eisenbehaftete Wicklung des Stators baut axial sehr kurz; Der kunststoffgebundene Magnet des Permanentmagnet- Scheibenläufers kann kostengünstig gefertigt werden; - Der für die Statorwicklung verwendete Lackdraht ist kostengünstig; Der drehmomentbildende Anteil der Statorwicklung ist wegen des geringen Wickelkopfanteils hoch; Das Massenträgheitsmoment des Scheibenläufers ist aufgrund der stillstehenden Joche niedrig.
Aber auch alle anderen Varianten, insbesondere die Variante 36, kommen als Scheibenläufermotoren für elektrische Nockenwellenversteller in Frage. Da alle Varianten ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben, wird die Auswahl durch den jeweiligen Anwendungsfall bestimmt.
In der EP 1 039 101 A2 ist ein elektrischer Nockenwellenversteller mit einem als Scheibenläufer ausgebildeten Verstellmotor offenbart.
Dieser Scheibenlaufermotor bildet eine Einheit mit dem Verstellgetriebe, so dass er mit dem selben rotiert. Deshalb erfolgt die Stromversorgung zum VerStellmotor über Schleifringe. Nachteilig wirkt sich in dieser Lösung die Verwen- düng von Schleifringen auf den axialen Bauraum aus. Weiterhin ist die Verwendung von Schleifringen mit Verschleiß behaftet und führt damit zu einer kürzeren Motorlebensdauer.
Weiterhin wirkt sich nachteilig aus, dass die Motorwelle mit der Verstellwelle einstückig ausgebildet ist. Das hat zur Folge, dass der Verstellmotor zusam- men mit dem Verstellgetriebe zusammengebaut und im Falle eines Defekts im eingebauten Zustand repariert werden muss.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Scheibenlaufermotor für einen elektrischen Nockenwellenversteller zu schaffen, dessen Fertigung und Betrieb kostengünstig sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Dadurch, dass der Scheibenl ufermotor als bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ausgebildet ist, entfällt der Bürstenverschleiß.
Da außerdem das Gehäuse und der Deckel und somit auch der Stator zylin- derkopffest sind, entfallen jegliche Schleifringe und die damit verbundene Probleme.
Da die Motorwelle mit der Verstellwelle durch eine lösbare Kupplung verbunden ist, kann der Verstellmotor ausgetauscht und unabhängig vom Verstellge- triebe montiert und repariert sowie für andere Einsatzzwecke verwendet werden.
Die lösbare Kupplung kann beispielsweise als Keilwelle, elastisches Gummielement oder magnetische Kupplung ausgeführt sein.
Die elektrische Installation des Versteilmotors wird dadurch erheblich vereinfacht, dass der Deckel oder das Gehäuse als ein aus Kunststoff bestehendes Sensormodul ausgebildet ist, in das ein Stanzgitter integriert ist, das zur leitenden Verbindung eines am Deckel angespritzten Steckers mit Positionssensoren für die elektronische Kommutierung sowie mit Anschlüssen des Stators dient.
Es bietet Kostenvorteile, wenn die Positionssensoren durch den Scheibenläufer ansprechbar sind. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Magnetimpulse durch einen zusätzlich angebrachten Sensormagnet auslösen zu lassen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht der Scheibenläufer aus einem gesinterten oder kunststoff gebunden Permanentmagneten, der an einem Scheibenförmigen Träger angebracht ist mittels dem der Scheibenläufer auf die Motorwelle aufgepresst ist. Der gesinterte Scheibenläufer erreicht hö- here Flussdichte und damit ein höheres Drehmoment als der kunststoffgebundene, der kostengünstiger in der Fertigung und variierbarer in der Formgebung aber auch temperaturempfindlicher ist. Wenn der Stator genutet ist, entsteht ein höherer Magnetfluss in den Statorzähnen, während durch den kostengünstigeren Ringbandkern eines ungenute- ten Stators ein hoher Streufluss entsteht. Dadurch sinken Drehmoment und Wirkungsgrad des Verstellmotors.
Vorteilhafte Alternativen für das Statorjoch bestehen darin, dass das Statorjoch als Ringbandkern und der Statorkern als gesinterte Scheibe mit angesinterten Zähnen getrennt aber zusammenfügbar ausgebildet sind oder, dass Statorjoch und Statorkern aus einem breiten Ringbandkern durch ausfräsen oder aus- stanzen der Statornuten aus demselben einteilig herstellbar sind. Das Zusammenfügen kann z. B. durch Zusammenschrauben oder -nieten erfolgen, nachdem die Wicklung auf den Statorkern aufgebracht worden ist.
Von Vorteil ist auch, dass eine Endstufe des Scheibenläufermotors vorzugs- weise bipolar betrieben wird.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, dass der Scheibenläufer wälzgelagert ist und die Wälzlager vorzugsweise als Rillenkugellager ausgebildet und vorzugsweise im Gehäuse und im Deckel angeordnet sind.
Alternativ sind auch Nadel-, Rollen- oder Gleitlager denkbar. Ebenso ist es möglich, die Motorweile mit einem Wälzlager im Motorgehäuse und mit einem anderen Wälzlager über die Kupplung im Getriebegehäuse zu lagern.
Eine weitere Möglichkeit bietet eine fliegende Lagerung der Motorwelle im Motorgehäuse.
Besonders wenig axialen Bauraum benötigt die Lösung, bei der die Motorwelle beim abtriebsnahen Rillenkugellager in dessen Innenring und beim abtriebsfernen Rillenkugellager auf dessen Außenring lagerbar ist. Auf diese Weise ist das abtriebsferne Lager zumindest teilweise im Scheibenläufer angeordnet. Es ist von Vorteil, wenn zwischen Gehäuse und Deckel als Dichtung vorzugsweise ein O-Ring und zwischen Motorwelle und Gehäuse vorzugsweise eine Radialwellendichtung vorgesehen sind.
Der O-Ring kann auch durch eine Papierdichtung oder eine Dichtpaste ersetzt werden. Anstelle des Radialwellendichtrings kann auch eine Labyrinthdichtung oder ein abgedichtetes Rillenkugellager eingesetzt werden.
Scheibenläufermotoren können einen oder zwei Luftspalte aufweisen. Schei- benläufermotoren mit einem Luftspalt belasten die Lager mit einer Axialkraft, die bei zwei Luftspalten theoretisch ausgeglichen in der Praxis auf Grund von Toleranzen zumindest reduziert ist.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, dass bei ei- nem Scheibenlaufermotor mit einem Luftspalt eine auf die Motorwelle in Richtung Stator wirkende koaxiale Motorwellendruckfeder und / oder eine auf den Stator in Richtung Scheibenläufer wirkende koaxiale Statordruckfeder vorgesehen sind.
Die beiden Druckfedern dienen der Minimierung des Luftspalts des Scheibenläufers durch Überbrücken des Lagerspiels der Wälzlager und des Einbauspiels des Stators. Durch die geringstmögliche Luftspaltbreite wird ein maximales Drehmoment des Scheibenläufermotors sichergestellt.
Dadurch, dass bei Scheibenläufermotoren mit zwei Luftspalten das eine Bauteil (Rotor oder Stator) vom jeweils anderen Bauteil (zweiteiliger Stator oder zweiteiliger Rotor) in axialer Richtung in die Mitte genommen wird heben sich die Axialkräfte an der Motorwelle, von Toleranzen abgesehen, auf.
Das gilt auch für den Fall, dass zwei oder mehrere Scheibenläufer mit je zwei Luftspalten auf einer Motorwelle hintereinander angeordnet sind. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung bestehen die Wicklungsteile des Stators aus gestanzten Blechen, Formteilen oder Lackdraht.
Weiterhin beträgt die Polpaarzahl vorzugsweise 2 bis 12.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schema- tisch dargestellt sind.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Nockenwellenverstel- lers mit einem Dreiwellengetriebe und einem Antriebsmotor;
Figur 2 einen bürstenlosen Scheibenlaufermotor mit zwei Luftspalten und einem zweiteiligen Stator;
Figur 3 ein Schema eines alternativen Scheibenläufermotors mit zwei Luftspalten und einem zweiteiligen Scheibenläufer;
Figur 4 einen bürstenlosen Scheibenlaufermotor mit einem Luft- Spalt;
Figur 5 einen bürstenlosen Scheibenlaufermotor mit einem Luftspalt und alternativer Lagerung der Motorwelle; Figur 5a einen bürstenlosen Scheibenlaufermotor mit einem Luftspalt und einer zweiten alternativen Lagerung der Motorwelle; Figur 5b einen bürstenlosen Scheibenlaufermotor mit einem Luftspalt und einer dritten alternativen Lagerung der Motorwel- ie; Figur 6 und 6a Tabellen mit Varianten von Scheibenläufermotoren;
Figur 7a einen bürstenlosen Walzenläufermotor mit einer ersten Positionssensoranordnung; Figur 7b eine alternative Ausführungsform eines bürstenlosen Walzenläufermotor mit einer zweiten Positionssensoranordnung;
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist das Schema eines Nockenwellenverstellers A dargestellt, mit einem Antriebsrad B, das ein Verstellgetriebe C antreibt. Das Verstell getriebe C, welches vorteilhafterweise als Dreiwellengetriebe ausgeführt ist, ist mit der Nockenwelle D und einer Motorwelle E verbunden. Die Motorwelle E wird von einem Rotor F eines Versteilmotors G angetrieben, dessen Stator H mit einem Gehäuse J fest verbunden ist. Das Gehäuse ist fest mit einem Zylinderkopf K verbunden.
In Figur 2 ist ein als bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ausgebildeter Scheibenlaufermotor 1 mit zwei Luftspalten 2, 2a dargestellt. Die Luftspalte 2, 2a befinden sich zwischen einem Scheibenläufer 3 und einem zweiteiligen Stator 4, 4a. Der Scheibenläufer 3 ist verdrehfest mit einer Motorwelle 5 verbunden und diese mit einem Kupplungselement 6. Dieses kann verdrehfest und lösbar mit einer Verstellwelle eines nicht dargestellten Verstellgetriebes verbunden werden. Die Motorwelle 5 ist in zwei Wälzlagern 7, 7a, die in dieser Darstellung als Rillenkugellager ausgeführt sind, gelagert, die auf beiden Seiten des Scheibenläufers 3 unmittelbar neben demselben und in einem Gehäuse 8 sowie in einem Deckel 9 desselben angeordnet sind.
Das Gehäuse 8 und dessen Deckel 9 sind über eine radiale Führung 10 einander zugeordnet, durch einen O-Ring 11 gegenseitig abgedichtet und durch Schrauben 12 verschraubbar. Die Motorwelle 5 ist durch einen Radialwellen- dichtring 13 und das freie Ende der Motorwelle 5 durch den geschlossenen Deckel 9 abgedichtet.
Figur 3 zeigt das Schema eines Scheibenläufermotors 1' mit zwei Luftspalten 2', 2a', dessen Scheibenläufer 3' zweiteilig ausgebildet ist. Der Scheibenläufer 3' besteht aus zwei Scheibenläuferteilen 3a und 3b, die durch eine Nabe 14 verbunden sind. Der Stator 15' befindet sich in axialer Richtung zwischen den beiden Scheibenläuferteilen 3a und 3b.
Bei Scheibenläufermotoren 1 , 1' treten auf Grund des axial gerichteten Magnetfeldes der Permanentmagneten und der bestromten Wicklungsteile 19 Axial- kräfte zwischen Stator 15, 15' und Scheibenläufer 3, 3' auf. Bei symmetrischen Anordnungen von Stator 15' und Scheibenläufer 3' in Scheibenläufermotoren 1' mit zwei Luftspalten, in denen je ein Stator 15'(Scheibenläufer 3') in axialer Richtung vor und hinter dem Scheibenläufer 3' (Stator 15') liegt, sind diese Kräfte entgegengerichtet und kompensieren sich damit. Theoretisch kann da- durch die Axialkraft komplett eliminiert werden, was aber in der Praxis an Toleranzen (Unterschiedliche Größe der zwei Luftspalte, leicht unterschiedliche Wicklungen der Wicklungsteile) scheitert.
In Figur 4 ist ein Scheibenlaufermotor 1" mit nur einem Luftspalt 2" dargestellt. Auch dieser Scheibenl ufermotor 1" besitzt ein Gehäuse 8', das von einem Deckel 9' mittels Schrauben 12' verschlossen wird. Im Gehäuse 8' und Deckel 9' befinden sich Wälzlager 7', 7a', die der Lagerung einer Motorwelle 5' dienen und in diesem Beispiel als Rillenkugellager ausgeführt sind. Die Wälzlager 7', 7a' sind auf der abtriebsnahen Seite der Motorwelle 5' durch einen Radialwellendichtring 13' und auf der abtriebsfernen Seite durch einen versch raubbaren Abschlussdeckel 18 nach außen abgedichtet.
Die Motorwelle 5' ist mit einem Scheibenläufer 3" und mit einem Kupplungselement 6' verdrehfest verbunden, wobei der Scheibenläufer 3" zwischen den Wälzlagern 7', 7a' und das Kupplungselement 6' am abtriebsnahen Ende der Motorwelle 5' angeordnet sind.
Der Scheibenläufer 3" besteht aus einem Jochteil 16 und einem Permanentmagnetteil 17. Letzteres ist gegenüber einem Wicklungsteil 19 eines Stators 15" angeordnet, auf dessen Rückseite ein Statorjoch 20 angeordnet ist. Innerhalb des Stators 15" befinden sich Positionssensoren 21, die zur Steuerung der elektrischen Kommutierung dienen und die von dem Permanentmagnetteil 17 des Scheibenläufers 3" beaufschlagt werden. Das Permanentmagnetteil 17 besteht aus mehreren kreissektorartig ausgeführten Permanetmagneten, die an dem scheibenförmigen Jochteil 16 derart angeordnet sind, das diese in ihrer Gesamtheit einen Kreisring ergeben. Das Jochteil 16 dient folglich als Träger, über den die Permanentmagnete auf der Motorwelle 5, 5', 5" befestigt sind. Weiterhin ist das Jochteil im Falle eines Motors mit einem Luftspalt an der dem Stator 15, 15', 15", 15'" abgewandten Seite angeordnet und kann zur Flußrückführung des magnetischen Flusses aus einem magnetisierbaren Material bestehen. Die magnetische Polung der einzelnen Permanentmagneten verläuft in axialer Richtung des Jochteils 16 und benachbart angeordnete Kreissektoren sind mit alternierender Polung angebracht.
Die Permanentmagnete erfüllen zwei Aufgaben. Zum einen bilden sie in Verbindung mit den Wicklungsteilen des/der Stators/Statoren 15, 15', 15", 15"' den Antrieb des Motors. Zum anderen liefern sie das von den Positionssensoren 21 , 21' zu detektierende Positionssignal. Folglich kann statt der kreissektorartigen Ausführung der Permanentmagnete eine teilringförmige Ausführung gewählt werden, wobei sich die Permanentmagnete in radialer Richtung nur in dem Bereich erstrecken in dem sich entweder die Wicklungsteile des Stators 15, 15', 15", 15'" oder die Positionssensoren 21, 2V befinden. Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch eine Ausführungsform in der die Permanentmagneten in zwei zueinander konzentrischen Kreisringen angeordnet sind, wobei der eine Kreisring in radialer Richtung im Bereich der Wickiungsteile und der zweite Kreisring im Bereich der Positionssensoren 21, 21' liegt.
Um die vorgesehene Breite des Luftspalts 2" einzuhalten, sind eine Motorwellen-Druckfeder 22 und eine Statordruckfeder 23 vorgesehen. Die Motorwellen- druckfeder 22 stützt sich auf einen mit der Motorwelle 5' verbundenen Druck- ring 24a und dem Außenring des abtriebsfernen Wälzlagers 7a' ab und gleicht dadurch das Lagerspiel der Wälzlager 7', 7a' aus. Die Statordruckfeder 23 ist in einer im Deckel 9' angebrachten Ringnut angeordnet und drückt den Stator 15" gegen einen Statoranschlag 24, wodurch das Fertigungs- und Montagespiel des Stators 15" ausgeglichen wird.
Während des Betriebs des Scheibenläufermotors 1" werden die Wicklungsteile 19 mit hohen Strömen beaufschlagt, was zu einer hohen Wärmeentwicklung am Stator 15" führt. Um wärmebedingte Beschädigungen der Wicklungsteile 19 und der Positionssensoren 21 zu verhindern muß für eine ausreichende Wär- meabfuhr aus dem Scheibenlaufermotor 1" gesorgt sein. Der Scheibenlaufermotor 1" befindet sich im Motorraum außerhalb des Zylinderkopfes, wobei die dem Deckel 9' abgewandte Gehäuseseite 29 des Scheibenläufermotors 1", zumindest partiell, direkt an einem nicht dargestellten Zylinderkopf anliegt. In der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schei- benläufermotors 1" mit einem Stator 15" und damit auch nur einem Luftspalt 2" sind sowohl der Stator 15", als auch die Positionssensoren 21 an der zylinder- kopfabgewandten Seite innerhalb des Scheibenläufermotors 1" am Deckel 9' angebracht. Der Deckel 9' ragt in den Motorraum hinein und wird dabei durch die dort vorherrschende Konvektion gekühlt. Durch die direkte Anbringung der wärmesensitiven Bauteilen an dem Deckel bzw. die Herstellung von Wärmeleitpfaden zu dem Deckel findet eine effektive Kühlung der Bauteile statt. Um diesen Effekt zu verstärken ist auch vorgesehen am Deckel 9' Kühlrippen anzubringen und/oder den Deckel mittels eines ventilatorähnlichen Bauteils mit Luft zu beschaufein. Weiterhin ist vorgesehen die Wärmeleitung zwischen den Positionssensoren bzw. den Wicklungsteilen 19 und dem Deckel 9' durch den Einsatz von Wärmeleitmaterialien, wie beispielsweise Wärmeleitpasten zu erhöhen.
Ein Scheibenlaufermotor 1 '" der Figur 5 weist ebenfalls nur einen Luftspalt 2" auf. Der Grundaufbau ähnelt dem des Scheibenläufermotors 1". Der wesentliche Unterschied liegt in der Gestaltung der Motorwelle 5", deren massiver Teil 5a bei einem abtriebsnahen Wälzlager 7" in dessen Innenring 25 und deren hohler Teil 5b bei einem abtriebsfernen Wälzlager 7a" auf dessen Außenring 26a gelagert ist. Dadurch kann das antriebsferne Wälzlager 7a" zum Teil in den Scheibenläufer 3" und näher an das antriebsnahe Wälzlager 7" rücken. Auf diese Weise werden die axialen Abmessungen des Scheibenläufermotors 1'" minimiert.
Die Wälzlager 7", 7a" sind intern abgedichtet und mit Dauerfettfüllung versehen.
Der Scheibenlaufermotor 1'" weist ein Gehäuse 8" auf, das durch einen Deckel 9" geschlossen wird. Der Deckel 9" ist in einer radialen Führung 10' des Gehäuses 8" zentriert und beide sind durch einen O-Ring 11 abgedichtet. Der Deckel 9" trägt einen zentralen Zapfen 27, auf den der Innenring 25a des antriebsfernen Wälzlagers 7a" gepresst ist.
Der aus einem Jochteil 16' und einem Permanentmagnetteil 17' bestehende Scheiben lauf er 3" sitzt auf dem hohlen Teil 5b der Motorwelle 5" mit Presssitz.
Der Außenring 26 des abtriebsnahen Wälzlagers 7" ist in das Gehäuse 8" gepresst. Ebenso der Radialwellendichtring 13", der die Motorwelle 5" nach au- ßen abdichtet.
Im Gehäuse 8" ist auch der Stator 15'" mit dem Statorjoch 20' und dem Wicklungsteil 19' angeordnet. Innerhalb desselben sind auch Positionssensoren 21' für die elektronische Kommutierung untergebracht. Der Stator 15'" wird durch den Deckel 9" axial fixiert. Der Scheibenlaufermotor 1 '" ist mit der dem Deckel 9" gegenüberliegenden Gehäuseseite 29 an einem nicht dargestellten Zylinderkopf angebracht. Die Motorwelle 5" ragt durch eine Ausnehmung im Zylin- derkopf durch diesen hindurch und ist mit einem nicht dargestellten Verstellgetriebe des Nockenwellenverstellers verbunden. Durch die Ausnehmung im Zylinderkopf wird die Gehäuseseite 29 mit Motoröl beaufschlagt, wodurch eine effektive Kühlung der Gehäuseseite 29 erreicht wird. Mittels der Radialwellen- dichtung 13" wird das Innere des Scheibenläufermotors vor Öleintritt geschützt. Weiterhin wird Olaustritt aus dem Zylinderkopf in den Motorraum durch eine ringförmig um die Motorwelle 5" umlaufende, dichte Verbindung zwischen der Gehäuseseite 29 und dem Zylinderkopf verhindert. Vorteilhafterweise sind in dieser Ausführungsform wärmesensitive und wärmeproduzierende Bauteile des Scheibenläufermotors 1'", wie beispielsweise die Positionssensoren 2V oder die Wicklungsteile 19', an der Gehäuseseite 29 angebracht um einen effektiven Abtransport der Wärme von diesen Bauteilen zu gewährleisten. Wie weiter oben schon erwähnt, wirken sich in diesem Zusammenhang der Einsatz von wärmeleitenden Materialien oder das Anbringen von Kühlrippen an die Gehäuseseite 29 positiv aus.
Die Figuren 5a und 5b zeigen zwei zu der in Figur 5 gezeigten analoge Ausführungsformen, weswegen bzgl. deren Beschreibung und Funktionsweise auf Figur 5 verwiesen wird. Die in den Figuren 5a und 5b dargestellten Scheibenläufermotoren unterscheiden sich durch die Anordnung bzw. die Art der Wälz- lager über die die Motorwelle gelagert ist. In der Ausführungsform aus Figur 5a ist das abtriebsnahe Wälzlager 7" durch ein Axiallager 28, wie beispielsweise ein Axialnadellager oder Axialzylinderrol- lenlager ersetzt. Das Axiallager 28 nimmt die Axialkräfte auf, die durch die Verwendung des Scheibenläufermotors mit nur einem Luftspalt auftreten. In der Ausführungsform aus Figur 5b schließt das abtriebsnahe Wälzlager 7" bündig mit der dem Zylinderkopf zugewandten Gehäuseseite 29 ab. Innerhalb des Motors 1 '" schließt sich direkt an das Wälzlager 7" die Radiaiwellendich-
■ tung 13" an. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in dem größeren Abstand zwischen den beiden Lagerungen. Weiterhin wird das Wälzlager 7" durch Spritzöl aus dem Zylinderkopf gekühlt.
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch denkbar auf das abtriebsnahe Wälzlager 7" zu verzichten. Dabei wird die Motorwelle 5" abtriebsseitig durch ein Kuppelelement gelagert, über das die Motorwelle 5" in Antriebsverbindung mit einer Verstellwelle eines Dreiwellengetriebes steht.
In den Figuren 6, 6a sind Tabellen mit Varianten von Scheibenläufermotoren dargestellt, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Gestaltungselemente für un- terschiedliche Anwendungsfälle geeignet sind.
In den Figuren 7a und 7b ist jeweils ein Walzenläufermotor 30 dargestellt. Ein als Walzenläufer ausgebildeter Rotor 31 besteht aus einer Motorwelle 5'" auf der ein walzenförmiges Joch 32 drehfest angebracht ist. Auf der Außenmantel- fläche des Jochs 32 ist ein dieses umgreifender zylindermantelförmiger Permanentmagnet 33 drehfest angebracht. Der Permanentmagnet 33 besteht aus mehreren teilzylindermantelförmigen Segmenten. Die magnetischen Pole der Segmente liegen entlang der radialen Richtung und die Segmente sind derart auf dem Joch 32 angebracht, dass die Richtung der Polung benachbarter Segmente alterniert.
Der Rotor 31 und die Motorwelle 5'" sind über ein abtriebsnahes 7'" und ein abtriebsfernes 7a'" Wälzlager, in der dargestellten Ausführungsform je ein Rillenkugellager, in einem Gehäuse 8'" gelagert. Das Gehäuse 8'" besteht aus einem Flanschteil 34, einem Deckel 9'" und einer Hülse 35, wobei das Flansch- teil 34 und der Deckel 9"' mit der Hülse 35 stoff-, kraft- oder formschlüssig, dichtend verbunden ist. Das Flanschteil 34 ist mit Bohrungen versehen mit deren Hilfe der Walzenläufermotor 30 an einem nicht dargestellten Zylinderblock angeschraubt werden kann. Eine Radialwellendichtung 13'" dichtet den Durchtritt der Motorwelle 5'" durch das Gehäuse 9'" ab. die Radialwellendichtung 13'" kann zwischen dem abtriebsseitigen Wälzlager 7'" und dem Zylinderkopf oder zwischen dem abtriebsseitigen Wälzlager 7'" und dem Joch 32 angebracht sein. Ein Stator 15"", bestehend aus einem Jochteil 16'" und Wicklungsteilen 19", umgreift den Rotor 31 in Umfangsrichtung. Der Stator 15"" ist innerhalb des Gehäuses 8'" und drehfest zu diesem angebracht.
An dem Joch 32 ist ein sich axial erstreckender ringförmiger Fortsatz 36 aus- gebildet, an dessen Stirnfläche ein ringförmiger zweiter Permanentmagnet 37 angebracht ist, dem gehäusefeste Positionssensoren 21", die zur Steuerung der elektrischen Kommutierung dienen, gegenüberstehen. Der zweite Permanentmagnet 37 ist wie der erste Permanentmagnet 33 in Segmente unterteilt und derart an dem Fortsatz 36 angebracht, dass die Segmentgrenzen der bei- den Permanentmagneten 33 und 36 an identischen umfangsseitigen Positionen lokalisiert sind.
In der Ausführungsform des Walzenläufermotors 30 in Figur 7a sind die Positionssensoren 21" am Flanschteil 34 angebracht. Das Flanschteil 34 liegt direkt am Zylinderkopf an und wird analog der obigen Beschreibung anhand des Scheibenläufermotors 1'" mit Spritzöl beaufschlagt und dadurch gekühlt. Die direkte Anlage der Positionssensoren 21" am gekühlten Flanschteil 34 schützt diese vor Überhitzung und verlängert damit die Lebensdauer des Walzenläufermotors 30. In der Ausführungsform des Walzenläufermotors 30 in Figur 7b sind die Positi- onssensoren 21" am Deckel 9'" angebracht. Der Deckel 9"'ragt in den Motorraum hinein und wird dabei durch die dort vorherrschende Konvektion gekühlt. Die direkte Anlage der Positionssensoren 21" am gekühlten Flanschteil 34 schützt diese vor Überhitzung und verlängert damit die Lebensdauer des Walzenläufermotors 30. Die Effektivität beider Ausführungsformen, kann durch Vergrößerung der gekühlten Fläche, beispielsweise durch Ausbilden von Kühlrippen, oder bessere thermische Anbindung der Positionssensoren 21" an das Flanschteil 34 bzw. den Deckel 9'" erhöht werden. Bezugszeichen , 1', 1", 1'" Scheibenlaufermotor, 2a, 2', 2" Luftspalt, 3', 3" Scheibenläufera, 3b Scheibenläuferteile, 4a Statorteile, 5', 5",5'" Motorwellea massiver Teil der Motorwelleb hohler Teil der Motorwelle, 6' Kupplungselement, 7', 7",7'" abtriebnahes Wälzlagera, 7a', 7a", 7a'" abtriebfernes Wälzlager, 8', 8" Gehäuse, 9', 9",9'" Deckel0, 10' radiale Führung1, 11' O-Ring2, 12' Schraube3, 13', 13", 13'" Radialwellendichtung4 Nabe5, 15', 15", 15'", 15"" Stator6, 16', 16" Jochteil7, 17' Permanentmagnetteil8 Abschlussdeckel9, 19' Wicklungsteil0, 20' Statorjoch1, 21',21" Positionssensor2 Motorwellendruckfeder3 Statordruckfeder4 Statoranschlag4a Druckring5, 25a Innen ring6, 26a Außenring 27 zentraler Zapfen
28 Axial lager
29 Gehäuseseite
30 Walzenläufermotor 31 Rotor
32 Joch
33 Permanentmagnet
34 Flanschteil
35 Hülse 36 Fortsatz
37 zweiter Permanentmagnet
A Nockenwellenverstellers
B Antriebsrad
C Verstellgetriebe D Nockenwelle
E Motorwelle
F Rotor
G Verstellmotors
H Stator J Gehäuse 20
K Zylinderkopf

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Nockenwellenversteller zur Verstellung und Fixierung der Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle, wobei der Nockenwellenversteller ein Dreiwellengetriebe aufweist, mit einem kurbelwellenfesten Antriebsrad, einem nockenwellenfesten Abtriebsteil und einer Verstellwelle, die von einem als Scheibenlaufermotor (1, 1', 1", 1'") ausgebildeten, elektrischen Verstellmotor angetriebenen ist, der einen Scheibenläufer (3, 3', 3") und einen Stator (15, 15', 15", 15'") aufweist, die in einem Gehäuse (8, 8', 8") mit zugehörigem Deckel (9, 9', 9") angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenlaufermotor (1 , V, 1", 1"') als bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ausgebildet ist.
2. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8, 8', 8") und der Deckel (9, 9', 9") zylinderkopf- fest angeordnet sind.
3. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenläufer (3, 3', 3") eine Motorwelle (5, 5', 5") aufweist, die mit der Verstellwelle durch eine lösbare Kupplung verbun- den ist.
4. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (9, 9', 9") vorzugsweise als ein aus Kunststoff bestehendes Sensormodul ausgebildet ist, in das ein Stanzgitter integ- riert ist, das zur leitenden Verbindung eines am Deckel (9, 9', 9") angespritzten Steckers mit Positionssensoren (21, 21') für die elektronische Kommutierung sowie mit Anschlüssen des Stators (15, 15', 15", 15'") dient.
5. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8, 8', 8") vorzugsweise als ein aus Kunststoff bestehendes Sensormodul ausgebildet ist, in das ein Stanzgitter integ- riert ist, das zur leitenden Verbindung eines am Gehäuse (8, 8', 8") angespritzten Steckers mit Positionssensoren (21, 21') für die elektronische Kommutierung sowie mit Anschlüssen des Stators (15, 15', 15", 15"') dient.
6. Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssensoren (21, 21') vorzugsweise durch den Scheibenläufer (3, 3', 3") beaufschlagbar sind.
7. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenläufer (3, 3', 3") aus einem gesinterten oder kunststoffgebunden Permanentmagneten besteht, der an einem Scheibenförmigen Träger angebracht ist mittels dem der Scheibenläufer (3, 3', 3") auf die Motorwelle (5, 5', 5") aufgepresst ist.
8. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (15, 15', 15", 15'") genutet oder ungenutet ist.
9. Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorjoch (20, 20') als Ringbandkern und der Statorkern als gesinterte Scheibe mit angesinterten Zähnen getrennt aber zusammenfügbar ausgebildet sind, oder, dass das Statorjoch (20, 20') und der Statorkern aus einem breiten Ringbandkern durch Ausfräsen oder Ausstanzen der Statornuten aus demselben einteilig herstellbar sind.
10. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endstufe des Scheibenläufermotors (1 , 1', 1", 1'") vorzugsweise bipolar betrieben ist.
11. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenläufer (3, 3', 3") wälzgelagert ist und die Wälzlager vorzugsweise als Rillenkugellager (7, 7', 7"; 7a, 7a', 7a") ausge- bildet und vorzugsweise im Gehäuse (8, 8', 8") und im Deckel (9, 9', 9") angeordnet sind.
12. Nockenwellenversteller nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwelle (5") beim abtriebsnahen Rillenkugellager (7") in dessen Innenring (25) und beim abtriebsfernen Rillenkugellager (7a") auf dessen Außenring (26a) gelagert ist.
13. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gehäuse (8, 8', 8") und Deckel (9, 9', 9") als Dichtung vorzugsweise ein O-Ring (11 , 11') und zwischen Motorwelle (5, 5', 5") und Gehäuse (8, 8', 8") vorzugsweise ein Radialwellendichtring (13, 13', 13") vorgesehen sind.
14. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenlaufermotor mit einem Luftspalt ausgebildet ist.
15. Nockenwellenversteller nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf die Motorwelle (5') in Richtung Stator (15") wirkende koaxiale Motorwellendruckfeder (22) vorgesehen ist.
16. Nockenwellenversteller nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den Stator (15") in Richtung Scheibenläufer (3") wirkende koaxiale Statordruckfeder (23) vorgesehen ist.
17. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenlaufermotor mit zwei Luftspalten ausgebildet ist.
18. Nockenwellenversteller nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (15) mit den Statorteilen (4, 4a) oder der Scheibenläufer (3') mit den Scheibenläuferteilen (3a, 3b) zweiteilig ausgebildet sind und das jeweils komplementäre Bauteil in axialer Richtung umgreifen.
19. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsteile(19, 19') des Stators (15, 15', 15") aus gestanzten Blechen, Formteilen oder Lackdraht bestehen.
20. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polpaarzahl vorzugsweise 2 bis 12 beträgt.
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