Rotor eines elektromotorischen Ventilantriebs

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor eines elektro- motorischen Ventilantriebs, wobei der Rotor aus zwei Glocken gebildet ist, die mit ihren Bodenwandungen zueinander weisen, wobei mehrere Permanentmagnete an zylindrischen Wandungsabschnitten der Glocken angeordnet sind, die einen ersten Teilbereich des Umfangs des Rotors bilden.

Stand der Technik

In der WO2005/071817A1 ist ein kafigartiger Rotor offenbart. Dieser Rotor ist aufwandig und besitzt ein relativ hohes Trägheitsmoment. Bei in Langsachse asymmetrischer Ventilankopplung verwindet sich der Rotorkafig, was zum Magnetbruch fuhren kann. Die Lagerung der Magnete in der Mitte des Mitnehmers kann ebenfalls leicht zum Bruch der spröden Permanentmagnete führen.

In der DE 10 2005 040 389.1 ist ein weiterer Rotor beschrei ^¬ ben. Dieser Rotor ist robuster als der vorbeschriebene. Das Fenster für den Hebel zur Ventilankopplung ist jedoch aufwandig und verringert die Steifheit des Rotors.

Die Anforderungen hinsichtlich Temperaturumgebung, Vibrationsund Stoßbelastung für den Ventiltrieb sind sehr hoch. Insbesondere wird durch die Stoßbelastung, wenn das Ventil aufsetzt und die Regelung den Soft-Touch noch nicht eingeregelt hat, der Rotor stark belastet. Auch beim vollen Offnen entsteht ei- ne Stoßbelastung, wenn der Rotor bei fehlerhafter oder ungenügender Regelung auf einen Anschlag trifft.

Um eine hohe Kraft- oder Drehmomentausbeute zu erhalten, ist die volle Baulange zum Zylinderabstand auszunutzen. Deshalb ist die Ventilebene bzw. -achse nicht symmetrisch zum Aktuator angeordnet, was eine außermittige Lagerung der Ventilankopplung zum Rotor bedeutet. Somit entsteht eine zusatzliche Belastung für den Rotor, insbesondere für die verwindungs- und stoßempfindlichen Permanentmagnete .

Aufgabe der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kosten- und gewichtsgunstigen Rotor für einen Aktuator bereitzustellen, der äußerst robust für Temperatur-, Stoß- und Vibrationsbelastung ist.

Diese Aufgabe wird vorteilhaft mit einem Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Rotors nach Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der Un- teranspruche .

Der erfindungsgemaße Rotor zeichnet sich durch einen vorteil- haften Kraftfluss sowie eine verwindungssteife und massearme Rotorstruktur mit entsprechend geringer Belastung der stoß- und rissempfindlichen Magnete aus.

Die Magnete, welche vorteilhaft mit dem Rotor verklebt sein können, übertragen ihre Umfangskraft unmittelbar auf die Wandung der Glocke. Dieses Drehmoment wird vom Boden der Glocke über die Mitnehmerscheibe auf die Ventilankopplung übertragen. Die Ventilachse liegt dabei in der Mittelebene der Mitnehmer ^¬ scheibe. Die Ventilkrafte, welche sich vorwiegend aus Gas- und Beschleunigungskraften sowie Stoßen beim Ventilschließen zusammensetzen, müssen von der Lagerung der Ventilankopplung auf das Ventil übertragen werden. Die Lagerung der Ventilankopp- lung ist deshalb vorteilhaft symmetrisch zur Mitnehmerscheibe angeordnet und direkt mit dieser verbunden.

Die Glocken haben durch ihre geringe Hohe und dem geschlossenen Querschnitt eine hohe Torsionssteifigkeit . Hierdurch werden die Glocken weniger belastet und verformt, so dass die Permanentmagnete einer geringeren Belastung ausgesetzt sind.

Die Wandstarke der Glocke kann dünn ausgeführt werden, wodurch eine geringe Massenträgheit des Rotors erzielt werden kann. Dieses wirkt sich vorteilhaft auf die Dynamik und den Energieverbrauch des Ventiltriebs dar.

Der Rotor ist zudem vorteilhaft modular aufgebaut, so dass bei gleichem Aufbau verschiedene Ventilabstande möglich sind. Zudem ist der Rotor sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren geeignet. Letztere Applikation ist in der Regel besonders schwierig, da der Abstand von Ventil zu Zylinderkopfachse ge- ring ist. Auch ist vorteilhaft eine hohe Kraftausbeute möglich. Die Mitnehmerscheibe ist vorteilhaft an einer Lagerhulse befestigt oder angeformt, welche drehbar auf einer im Gehäuse feststehend angeordneten Lagerwelle gelagert ist. Es ist jedoch auch möglich, die Mitnehmerscheibe an einer sich mit dem Rotor mitdrehenden Welle anzuordnen, welche z.B. über Walzlager im Gehäuse des Ventilantriebs gelagert ist. In diesem Fall kann der Rotor fliegend gelagert werden, indem die feststehende Welle einseitig im Gehäuse sitzt. Dies ist besonders vorteilhaft für Kosten und Montage. Zur Minimierung der biegsamen

Lange der Welle bietet es sich an, das Hauptlager in der Ebene der oben genannten Ventilkrafte anzuordnen. Auch die Kombination mit einem Drehwinkelsensor ist bei dieser Ausfuhrung einfach.

Zur Befestigung des Lagers für die Ventilankopplung steht die Mitnehmerscheibe vorteilhaft radial zwischen den Glocken hervor.

Eine bestimmte Offnungs- und Schließkraft kann durch die Wahl des Verhältnis der Abstande Ventilankopplung-Rotorachse und Permanentmagnete-Rotorachse eingestellt werden. So ist es vorteilhaft, wenn das Abstandsverhaltnis 0,8 bis 1,2 betragt. Um dies zu erreichen, können die Glocken bevorzugt asymmetrisch ausgestaltet werden. D.h. der Teilbereich, in dem die Permanentmagnete angeordnet sind, ist im Querschnitt kreisförmig ausgestaltet, wohingegen der Teilbereich, in dem keine Permanentmagnete angeordnet sind, abgeflacht, ein- oder ausgedellt ausgebildet werden kann.

Anhand von Zeichnung werden nachfolgend mögliche Ausfuhrungsformen der Erfindung naher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Längsschnitt durch eine erste mögliche Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Rotors;

Fig. Ia: Querschnittsdarstellung des mit Permanentmagneten bestuckten Rotors gem. Fig. 1 ;

Fig. Ib: Mitnehmerscheibe des Rotors gem. Fig. 1 und Fig. Ia;

Fig. 2: Längsschnitt durch eine zweite mögliche Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Rotors;

Fig. 2a: Längsschnitt durch eine dritte mögliche Ausfuh- rungsform eines erfindungsgemaßen Rotors;

Fig. 3: Längsschnitt durch eine Twin-Anordnung eines Ventilantriebs .

In Figur 1 ist eine erste mögliche Rotorausgestaltung darge- stellt. Der Rotor ist als doppelte Glocke 2 mit Mitnehmerscheibe 1 ausgeführt. Der Kraftabgriff des nicht dargestellten Stellgliedes, im speziellen des Ventils, befindet sich vorzugsweise in der Ebene der Mitnehmerscheibe. Die Rotorglocken 2 sind mit der Mitnehmerscheibe 1 entweder durch Nieten 3a, Stanzpragen mit optional zusatzlichem Schweißen 3b, Stemmen oder Schweißen verbunden. Die Mitnehmerscheibe 1 sitzt auf der Welle 6. Die Mitnehmerscheibe 1 hat hierzu einen axial gerichteten Kragen Ib, welcher mit seiner radial nach innen gerichteten Flache auf der mitdrehenden Welle 6 anliegt. Der Kragen Ib kann mit der Welle 6 verklebt, verschraubt oder verschweißt sein. Andere Verbindungstechniken sind ebenso möglich. Die Welle 6 ist mittels den, vorzugsweise als Walzlagern ausgeführten, Lagern 4a und 4b im Gehäuse 7 gelagert ist. Die axiale Lagerung erfolgt über AnlaufScheiben 5a und 5b mit geeigne- ten Gleiteigenschaften.

Am Umfang der Glocken 2 sind Permanentmagneten 8 aufgeklebt oder zusatzlich mit Gießharz vergossen. Eine andere Befestigung des Permanentmagnete ist selbstverständlich möglich. Für die Ausfuhrung der Magnete sind verschiedene Varianten vorge- sehen. In der Standardausführung sind die Magnete in Umfangs- richtung in Segmente aufgeteilt. Aus Kostengrunden können die Magnete auch in Längsrichtung halbiert oder mehrteilig ausgeführt sein. Es ist jedoch ebenso möglich, das der Rotor nur mit einem einzigen Magneten - nicht dargestellt - ausgestattet wird, der unterschiedlich magnetisiert ist.

Zur Ankopplung des nicht dargestellten Stellgliedes ist die Lagerhulse 9 mit der Mitnehmerscheibe 1 verschweißt 9c. Die Lagerhulse 9 kann an der Laufflache der Lager einsatzgehartet sein. Um trotzdem eine sicher Schweißung zu gewahrleisten,

verfugt die Lagerhulse über einen Bund 9a welcher sich außerhalb der Hartezone befindet. Das übersetzungsverhältnis kann durch den Achsabstand der Rotorwelle 6 und der Lagerhulse ca. zwischen 0.8 und 1.2 variiert werden.

Der spezielle Aufbau des Rotors hat eine minimale Strukturbelastung zur Folge. Die Glocken 2 sind aufgrund ihrer geringen Hohe in axialer Richtung äußerst verwundungssteif und können als dünnwandiges Tiefziehteil ausgeführt werden. Zur zusatzlichen Verstärkung, kann der äußere Rand 2a der Glocke umgeformt werden. Hierdurch entsteht ein Verstarkungsring 2a, welcher zur die Radialkrafte aufnimmt.

Die Magnete 8 sind auf deren Mantelflache der Glocken 2 aufgelegt und mit den Glocken verklebt. Die Kraftübertragung auf den Rotor erfolgt somit unmittelbar an der Kraftentstehung was eine minimale Belastung der Magnete zur Folge hat. Radiale Kräfte werden ebenso direkt von der Glocke insbesondere durch den Verstarkungsring 2a aufgenommen.

Optional ist es möglich, die Magnete durch eine insbesondere komplette Ummantelung des Rotors gegen Bruch bzw. Abbröckeln zu schützen. Dazu kann der bestuckte Rotor unter anderem mit einem Gießlack, einem Schrumpfschlauch oder durch einen magnetisch nicht leitende Blechfolie ummantelt werden. Diese Ummantelung ist in der Figur nicht dargestellt.

Die Fig. Ia zeigt eine Querschnittsdarstellung durch den Rotor gem. Fig. 1. Zur besseren Magneteinbettung können in den Rotorglocken 2 zusatzliche Sicken 10, 10a eingeprägt werden. Neben der Klebverbindung wir die Umfangskraft der Magneten 8 somit über Formschluss auf die Glocke 2 übertragen. In Kombination mit Temperaturausgleichelementen 11 ist eine optimierte übertragung der Umfangskrafte gewahrleistet. Die Temperaturausgleichelemente 11 kompensieren den negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten der Permanentmagneten 8. Es sind verschiedene Anordnungskombinationen der Sicken und Temperaturausgleichelemente möglich. Wie in Fig. Ia oben dargestellt,

können die Sicken 10a zum einen nur am Anfang und am Ende der Magneten 8 angebracht werden. Die Lucken zwischen samtlichen Magneten 8 wird somit mit den Temperaturausgleichelemente 11 aufgefüllt. Diese Anordnung empfiehlt sich auch falls nur ein Magnet die mehreren Magnete ersetzt, welcher dann unterschiedlich magnetisiert sein muss. In diesem Fall wird der Großteil der Umfangskraft über die Klebeverbindung übertragen.

In Fig. Ia unten ist eine Variante dargestellt, bei der zwischen jedem zweiten Magneten eine Sicke 10 angeordnet ist. So- mit entstehen Magnetpaare, bei welchen sich je nach Kraftrichtung ein Magnet direkt auf eine Sicke 10 und der andere Magnet zum Teil über das Temperaturausgleichelemente indirekt auf die Sicke 10 und zum anderen Teil über die Klebeverbindung auf die Glocke 2 abstutzt. Alternativ ist es auch möglich den Rotor ohne Sicken zu gestalten. Die Mitnehmerscheibe hat insbesondere fensterartige Aussparungen Ic, die zur Gewichtsreduzierung des Rotors beitragen.

In Fig. Ib ist die Verbindung der Lagerhulse 9 mit der Mitnehmerscheibe 1 dargestellt. Die Mitnehmerscheibe 1 verfugt über eine festigkeitsoptimierte Fassung Ia in welche die Lagerhulse 9 eingelegt und am Bund 9a, 9c verschweißt wird. Der Bund 9a der Lagerhulse 9 kann außerhalb der Schweißnaht aus Gewichts- grunden abgestanzt werden 9b.

Die Lagerhulse kann eine Welle aufnehmen, bei der in den nicht gezeichneten Verbindungselementen die Lagerung erfolgt. Vorzugsweise sind in der harten Bohrung der Lagerhulse 9 Walzlager 9e eingesetzt die die Lagerwelle 9d aufnehmen. Diese ist nahezu spielfrei mit den Verbindungselementen zum Ventil verbunden. Diese Losung hat den Vorteil, dass die Verbindungsele- mente klein sind und mit dem Ventil durch die Bohrung der Ven- tilfuhrung eingeschoben werden können.

In Fig. 2 ist eine zweite mögliche Ausfuhrungsform des Rotors dargestellt. In diesem Fall ist die Lagerwelle 6' im Gehäuse 7 eingepresst und rotiert nicht. Die Mitnehmerscheibe 1 ist mit

einer Rotorlagerhulse 13 verbunden, in welcher die Walzlager 4a und 4b laufen. Die Buchse 13 ist optional an den Laufflachen der Walzkorper 4a, 4b durch Einsatzhartung behandelt und verfugt über einen Bund 13a, welcher nicht gehartet ist. Somit kann die Hülse 13 mit der Mitnehmerscheibe 1 bei 14 verschweißt werden. Die axiale Lagerung des Rotors erfolgt über die Stirnflache der Rotorlagerhulse 13 und über AnlaufScheiben 5 welche auf der Lagerwelle 6' axial gesichert sind. Der wesentliche Vorteil dieses Lagerung liegt darin, dass die Lage- rung fliegend erfolgen kann. Das heißt, dass der eine Lagerbock evtl. entfallen kann. Dieses Lagerkonzept ist von den Fertigungstoleranzen gut beherrschbar und ist zudem kostengünstiger als eine beidseitige Lagerung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.

In Fig. 2a ist eine optimale Anordnung der Lager 4a und 4b dargestellt, sofern die Mitnehmerscheibe 1 nicht in der Magnetmitte 8a liegt. Bei dieser Anordnung empfiehlt es sich, ein Lager 4b in die Ebene der Mitnehmerscheibe 1 und das andere Lager 4a in die Ebene der Magnetmitte 8a zu positionieren. So- mit kann der Lagerwellenzapfen 6' relativ kurz ausgeführt werden. Diese Anordnung hat eine minimale Belastung der Lager 4a und 4b und eine minimale Durchbiegung der Welle 6 zur Folge.

In Fig. 3 ist eine Ausfuhrungsvariante für eine Twin- Aktuatorik dargestellt. Die Lagerwelle 6' ist in das Gehäuse 7 eingepresst. An beiden Enden ist, wie in Fig. 2 beschrieben, je ein Rotor fliegend gelagert. Der Rotor ist als ein Teil dargestellt, so dass die Mitnehmerscheibe nicht zu erkennen ist.

Des weitern sind in Fig. 3 zwei mögliche Sensorkonzepte darge- stellt. Die Winkelposition des linken Rotors wird über einen mit dem Aktuatorgehause 20 verbundenem Drehwinkelsensor 15, vorzugsweise einem Hall-Sensor, ermittelt. Als Sensor-Target dient hierbei ein Permanentmagnet 16, der in eine Hülse 17 eingebettet ist, welche auf den Rotor verdrehsicher aufge-

steckt ist. Der Sensor 19 misst den Winkel des rechten Rotors indirekt über die relative Lage des Targets 18, welches auf den Rotor abgewickelt ist. Der Sensor ist vorzugsweise bei dieser Ausfuhrungsform als mehrstufiger Hall-Inkrementalsensor ausgeführt.

Bezugszeichen :

1 Mitnehmerscheibe

Ia festigkeitsoptimierte Fassung

Ib axial gerichteter Kragen zur Befestigung an der Welle 6

Ic fensterartige Aussparungen der Mitnehmerscheibe

2 Glocken

2a Verstarkungsring

3a Nieten 3b Stanzpragung mit Schweißnaht

4a, 4b Walzlager

5a, 5b AnlaufScheiben

6 Welle, mitdrehend

6' Lagerwelle, am Gehäuse fest 7 Gehäuse

8 Magnet

8a Magnetmitte

9 Schweißnaht Mitnehmer Laufbuchse

9d fensterartige öffnung in der Wandung der Lagerhulse 9

10 Sicken

11 Temperaturausgleichselement

12 Schweißnaht Mitnehmerscheibe, Lagerbuchse

13 Rotorlagerbuchse 13a Bund der Rotorlagerbuchse

14 Schweißnaht Mitnehmer, Rotorlagerbuchse

15 Drehwinkelsensor

16 Permanentmagnet (Drehwinkelsensor Target)

17 Hülse Drehwinkelsensor Target 18 Target Inkrementalsensor

19 Inkrementalsensor