Aufrufe
vor 1 Jahr

Mobile Maschinen 5/2015

Mobile Maschinen 5/2015

Vitamin C für

Vitamin C für AGR-Ventile Leistungsstarke bürstenlose DC-Antriebe für höhere Effizienz Für Hersteller von PKW und mobilen Maschinen sind die immer strengeren Emissionsrichtlinien eine große Herausforderung. Dazu kommt die Kostenfrage. Die Devise lautet: moderne, kosteneffiziente Motoren schaffen, deren Präzision und Zuverlässigkeit des Verbrennungsprozesses sich ständig verbessert. Aufgrund der vielen Komponenten eines effizienten internen Verbrennungssystems, wie Kraftstoffeinspritzanlagen, Luftstromführung, Öl- und Wasserwege, sind Automobilhersteller und -zulieferer weltweit ständig im Gespräch, um die angemessenste Technologiekombination zu finden und damit die beste Lösung für die Nachfrage nach weiteren CO 2 -Emissionssenkungen zu schaffen. Komponenten für höchste Ansprüche In diesem Zusammenhang ist es keine Frage, dass der Ansatz zu Änderungen an den elektrisch betätigten Zusatzgeräten erfolgen muss. Der Versuch, Emissionen zu verringern und gleichzeitig die Leistung und Zuverlässigkeit zu steigern, erfordert eine Vielzahl von Mechatroniksystemen mit integrierten Sensoren, Motoren und Aktuatoren. Nach der Elektrifizierung zahlreicher Aggregate rund um den Motor, wie beispielsweise Regelventile für die Luftzufuhr oder Abgase, konnten die Nachteile der weit verbreiteten Pneumatik- oder Hydrauliksysteme schrittweise ausgeglichen werden. Im Vergleich zu hochmodernen Pneumatiklösungen in früheren Motorengenerationen bieten elektrische Steller Vorteile in Bezug auf die vernachlässigbare Hysterese und die hohe Auflösung, verbunden mit einer sehr schnellen Positionierung. Dies sind die wichtigsten Parameter für eine genaue Kontrolle von AGR-, Einlass- oder Auslassdrosselventilen sowie Wastegate- und VTG-Turboladern. Neue und immer komplexere Leistungsanforderungen verlangen nach zusätzlichen Kompetenzen für elektromagnetische Systeme, Leistungselektronik, Kommunikationsnetze und Sensortechnolo gien. Gleichzeitig werden die Spezifikationen für Zuverlässigkeit, Robustheit, Präzision und Kompaktheit einzelner Komponenten immer anspruchsvoller. Genau für diese Anforderungen hat Sonceboz Automotive SA eine große Auswahl an bürstenlosen Lösungen basierend auf 3-phasigen BLDC-Motorausführungen oder 1-phasigen bürstenlosen Antrieben, den so genannten Torque Motoren, entwickelt. Im Gegensatz zu BLDC-Motoren, in denen oft die gesamte Antriebselektronik integriert ist, sind Torque Motoren für Systeme mit einer verfügbaren Standard- H-Brücke im Motorsteuergerät bestimmt. Der Verzicht auf Rädergetriebe macht sie zu Direktan trieben, die ebenfalls auf Mittel- bis Hochleistungsanwendungen zugeschnitten sind. Vorteile der Torque Motoren Der Torque Motor des Schweizer Herstellers ist ein bürstenloser Direktantrieb (Bild 02). Sein getriebeloser Aufbau ermöglicht einen Wirkwinkel von 75° und gewährleistet gleichzeitig eine schnelle und präzise Positionierung. Sein Funktionsprinzip basiert auf dem magnetischen Zusammenspiel zwischen einem Stator (2) und einem Rotor (3). Der Stator besteht aus vier um Eisenstangen (1) gewickelte Spulen, der Rotor ist mit einem 4-poligen Permanentmagneten (4) ausgestattet. Das Zusammenspiel zwischen diesen beiden Elementen erzeugt ein Drehmoment, 24 Mobile Maschinen 5/2015

ELEKTROMOTOREN I ANTRIEBE UND ANTRIEBSELEMENTE dessen Richtung und Stärke von der aktuellen Polarität und dem Strom abhängen, der den Elektromagneten zugeführt wird. Angesichts der sehr hohen Drehmomentdynamik des getriebelosen Designs können kurze Drehmomentspitzen erreicht werden. Dies ermöglicht extrem schnelle Reaktionszeiten und bietet die Möglichkeit, hohe Losbrechmomentwerte zu erhalten. Das Abtriebsdrehmoment ist von verschiedenen Variablen – wie der remanenten magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten (Br), der Windungszahl (n), der Stromstärke (I) sowie den Abmessungen und Toleranzen der Komponenten und der Endmontage – linear abhängig. Auf der Gegenseite verhält sich das Abtriebsdrehmoment umgekehrt proportional zum Abstand zwischen Rotor und Stator, dem sogenannten Luftspalt. Dieser wird bei der Nutzung eines Axialkugellagers (5) trotz der magnetischen Kraft, die den Rotor gegen den Stator zieht, konstant gehalten. Bei hohen Strömen tritt die magnetische Sättigung im oberen Betriebsbereich auf und das Drehmoment nimmt abhängig vom Stromverhältnis ab. Auf Wunsch lässt sich die Ausfallsicherheitsfunktion direkt in den Torque Motor integrieren. Dies wird entweder durch die Integration einer standardmäßigen mechanischen Feder erreicht oder mittels eines Magnetkonzepts, das dieselbe Wirkung erzeugt. Die Kompaktheit der Gesamtabmessungen wird dabei nicht beeinträchtigt. Die Magnetlösung erfüllt höhere Lebensdauerund Robustheitsanforderungen. Aufgrund des niedrigen Rastmoments im spannungslosen Zustand wird die Rückzugskraft für beide technischen Lösungen auf einem niedrigen Wert gehalten, wodurch sich der erforderliche Haltestrom bei den Steuerungsvorgängen reduziert. Die Überspritzung der Statorbaugruppe ist ein wesentliches Konstruktionsmerkmal für die Robustheit. Abgesehen von maßgeschneiderten mechanischen Schnittstellen wird eine absolute Gasdichtigkeit gewährleistet. Eine Sensorabdeckung mit einem integrierten Stecker (6) und einem Leiterrahmen schließt den oberen Teil des Drehmomentmotors. Der Torque Motor ist mit einem integrierten Positionssensor ausgestattet, so 01 Zuverlässig, kompakt, robust: die Torque Motoren des Schweizer Herstellers dass der Sollwertwinkel leicht zu kontrollieren ist. Der auf einer magnetischen und kontaktlosen Funktionsweise basierende Hall-Sensor-ASIC (7) erzeugt ein lineares Analogsignal oder ein digitales Spannungssignal. Das Funktionsprinzip beruht dabei auf einem am Rotor befestigten Permanentmagneten (8), der je nach Rotorlage ein Magnetfeld erzeugt, das vom Hall-ASIC erkannt wird. Eine Sensorkalibrierung am Ende des Produktionsverfahrens kompensiert die Toleranzanhäufung der einzelnen Komponenten. Letztlich könnte man Torque Motoren auch „bürstenlose DC-Antriebe“ nennen, da sie 1-phasiger elektrischer Natur sind. Aus diesem Grund sind sie 100 % kompatibel mit der Antriebselektronik von DC­ Motoren. Einphasenantriebe werden in der Regel von sogenannten H-Brücken betätigt, die aus einer Anordnung von vier Transis toren bestehen. Diese liefern das PWM-Signal und steuern den elektrischen Strom, der in beide Richtungen in die Spulen fließt. Im Zuge der erhöhten OBD­ Fähigkeit sind Positionsrückmeldungssensoren verbunden mit PID-Antriebsalgorithmen im Motorsteuergerät standardisierte und bekannte Lösungen, um eine effiziente und genaue Positionierung des Antriebs zu erhalten. 02 Querschnitt eines Torque Motors Auf den Punkt gebracht Die Antriebe erreichen ein Nettospitzendrehmoment bis zu 1,5 Nm und das bei einem Durchmesser von maximal 60 mm (Grundfläche nicht berücksichtigt) und _ einer Länge von 50 mm (je nach Steckerausführung) sowie einem Gewicht von max. 640 g. Die Vollhub-Positionierungsdauer liegt bei

Ausgabe