JP2015533070A - 熱機関空気回路のフラップのアクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は、熱機関空気回路のフラップのアクチュエータ（１）であって、磁場源が設けられたロータ（１１）と、磁場源が設けられたステータ（１２）とを備えるエンジン（１０）であって、ステータ（１２）およびロータ（１１）は同心状であり、ロータ（１１）の磁場源およびステータ（１２）の磁場源の一方は導電体の巻線によって形成され、ロータ（１２）およびステータ（１１）の磁場源の他方は少なくとも１つの永久磁石によって形成され、アクチュエータの本体（２）は、電気エンジン（１０）を保持するハウジング（３）を含み、電気エンジン（１０）は、本体（２）のハウジング（３）に保持される時、本体（２）に最も近い磁場が導電体の巻線である、アクチュエータに関する。

Description

本発明は、熱機関空気回路のフラップ用アクチュエータに関する。

本発明は、特に、車両、例えば、自動車の推進用に熱機関が利用されるときに適用される。熱機関は、ガソリン燃料またはディーゼル燃料を用いるエンジンであってもよい。

「熱機関空気回路」という表現は、本発明の意図する範囲内において、熱機関の流入口および排出口との間の回路を示すために使用される。フラップは、流入回路、排出回路、または流入用に再注入される排気ガス（英語ではＥＧＲ）が通過する再循環ループに配置されてもよい。フラップは、バルブの部品であっても、部品でなくてもよい。

「フラップ」という表現は、本発明の意図する範囲内において、パイプにおけるガス流を調整するためのあらゆる要素と、パイプを閉じるためのあらゆる要素とを含む広義の意味で理解されたい。

空気回路フラップを変位させる目的で空気圧式アクチュエータを利用することが知られている。最近では、過渡段階を短縮してフラップを柔軟に変位させる要求が高まっていることから、フラップの作動に電気モータが利用されている。しかしながら、この用途における電気モータは、好ましくない高温にさらされることがある。このような高温は、電気モータがフラップに所望のトルクを与えるために電気モータに供給する電流の値が高いことから生じることがある。このような高温は、特に、フラップが熱機関の燃焼シリンダの下流に位置し、結果的に超高温環境にある場合、空気回路に近接することから生じることもある。

高温は、モータの構造、例えば、ステータおよび／またはロータに電流が流れると、空隙に磁場を生じさせるステータおよび／またはロータの導電体の完全性に影響を及ぼす可能性があるとともに、電気モータの制御電子機器の要素の完全性や、例えば、アクチュエータの出力軸またはフラップの軸の位置センサなどの他の要素の完全性にも影響を及ぼす可能性がある。

電気モータがさらされる温度を電気モータが許容可能なものに維持しながら、電気モータを利用して熱機関空気回路のフラップを変位させることができるようにするという要求がある。

本発明の目的は、このような要求に応えることであり、これを達成するために、本発明の態様の１つによれば、熱機関空気回路のフラップ用のアクチュエータであって、
− それぞれが磁場源を有するロータおよびステータを備え、ロータおよびステータは同心状であり、ロータの磁場源およびステータの磁場源の一方は導電体の巻線によって形成され、ロータの磁場源およびステータの磁場源の他方は少なくとも１つの永久磁石によって形成される、電気モータと、
− 電気モータが収容されるハウジングを備えるアクチュエータの本体と、を備え、
電気モータは、アクチュエータ本体のハウジングに収容される時、本体に最も近い磁場源が導電体の巻線を構成する、アクチュエータが提供される。

電気モータの軸および本体のハウジングの長手軸は、同一であっても、平行であってもよい。

上述したアクチュエータによれば、導電体の巻線であるアクチュエータの熱源は、ハウジング内の熱をアクチュエータの本体へ放散させるようにアクチュエータの本体に近接させて位置づけて、放熱器として利用されてもよい。このような近接配置により、導電体の巻線とアクチュエータの本体との間の空気による熱抵抗が抑制される。

導電体の巻線を電流が通過することで生じる熱の放散性が高められることで、フラップへ適用する高いトルクを得るために、この電流の値を高めることができるが、この際、電気モータの完全性に影響を与えることがなく、また、アクチュエータの残り、特に、導電体の部分的変更、すなわち、導電体の構成材料および／または直径および／または断熱性および／または巻線内での導電体同士の配置の変更を要求されることもない。

このようにして、上述したアクチュエータにより、全寸法の縮小化およびコスト削減が図られるとともに、良好な動的性能を備えながら、高トルクの供給が可能となる。

一変形例として、アクチュエータの本体に熱源を近接して配置する電気モータのこのような構成は、この巻線を電流が流れることで生じる熱の放散性を高めるために、導電体の巻線に及ぼす作用と密接に関係し合うものでありうる。例えば、電流が流れることで生じる熱の熱放散性が導電体により高められるように、導電体の製造に利用する材料の選択に影響を与えることも可能である。

本発明の例示的な一実施形態によれば、ロータの磁場源は、１つ以上の永久磁石によって形成され、ステータの磁場源は、導電体の巻線によって形成される。この実施例による電気モータは、永久磁石を有する内部ロータと、巻線型外部ステータとを有するモータである。

ステータフレームは、電気モータがハウジングに収容されるとき、ハウジングを規定するアクチュエータ本体の壁に接触した状態であってもよい。このように直接接触させることで、アクチュエータの外部の方への熱放散性がさらに高まる。

巻線型内部ロータの選択に関してモータをこのように構成することは、半径がより大きな導電体の代わりに、半径が小さい磁石がロータに設けられるため、ロータの慣性を低減し得る。このようにして、トルクの設定点が適用されると、電気モータによる改善された応答時間が得られる。

電気モータは、直流モータであることが好ましい。

一変形例として、ロータの磁場源は、導電体の巻線によって形成され、ステータの磁場源は、１つ以上の永久磁石によって形成される。この実施例において、電気モータは、巻線型外部ロータと、永久磁石を有する内部ステータとを有するモータである。

アクチュエータは、導電体の巻線を冷却するように伝熱媒体を流すことが可能な冷却回路を含んでもよい。

冷却回路により、電流が導電体の巻線を流れているときに放散される熱を、アクチュエータの外部に迅速かつ効率的に除去することができる。

この冷却回路は、熱機関の冷却回路に接続されてもよく、この場合、エンジン冷却剤は熱機関の冷却回路を流れる。

冷却回路は、本体の壁に収容されてもよく、この場合、冷却回路は、電気モータに近接した位置にある。

冷却回路とハウジングとの間に挟まれた本体の壁の部分は、熱伝導性材料、特に、アルミニウムから作られてもよい。このように、導電体の巻線において放散された熱の伝達は、前記部分を通って冷却回路の方へと促される。アクチュエータの本体の他の部分、実際には、アクチュエータ本体の全体は、この熱伝導性材料から、または他の熱伝導性材料から作られてもよい。

一変形例として、冷却流体は、電気モータ、特に、ステータフレームと直接接触した状態になる。そして、電気モータが位置づけられるハウジングの部分には、ハウジングの前記部分の外部に対して密封するシステムが設けられてもよい。

冷却回路は、複数のパイプを備えてもよく、これらの複数のパイプは接続され、それぞれがモータの軸に平行に延伸する。このように、冷却回路は、電気モータとの交換表面を最大化し、冷却回路における熱伝達性媒体の流れが乱流になるように、電気モータの軸と平行に所定回数前後してもよい。

例えば、冷却回路用のキャビティが設けられた壁の利用など、他の形態の冷却回路も可能である。また、本体の厚みおよび本体の全体的寸法を低減するために、パイプに隣接した本体の部分の厚みを低減させることもできる。

冷却回路は、電気モータが収容されるハウジングの部分の周囲のすべてまたは一部にわたって延伸しても、または延伸しなくてもよい。冷却回路は、例えば、入口および出口を示し、その回路は、入口と出口との間のハウジングの周囲のすべてまたは一部に位置づけられてもよい。

前述したものはすべて、電気モータが電気的に供給を受けているとき、この電気モータ内で発生する熱の放散に作用を及ぼすことによって、電気モータを冷却することを目的としている。

本発明は、同様に、外部の熱が可能な限りアクチュエータの内部に届かないようにしながら、電気モータの冷却を可能にするものであってもよい。

アクチュエータは、電気モータによって供給されるトルクの変速機段を備えるものであってもよい。この変速機段は、このトルクをフラップに伝達可能である。前記変速機段は、アクチュエータ本体のハウジングに収容されてもよく、電気モータの延長に、この延長の軸に沿って位置づけられてもよい。

このようにして、電気モータおよび変速機段は、電気モータの軸に沿って互いに並んで配置されてもよく、アクチュエータ本体のハウジングの別の部分にそれぞれ収容されることが好ましい。

変速機段は、電気モータの軸とアクチュエータの出力軸との間に挟まれた１つまたは複数のピニオンを備えてもよい。変速機段は、１つまたは複数のセンサ、例えば、アクチュエータの出力軸の角位置を決定するように構成されたセンサをさらに備えてもよい。このセンサは、例えば、磁気検出器、例えば、ホール効果センサである磁気検出器と相互作用する磁化対象を備える。

同様に、冷却回路は、変速機段が収容されるハウジングの部分のすべてまたは一部の周りに延伸するものであってもよい。変速機段およびこの変速機段にある熱に感応性のあるコンポーネントは、電気モータにおいて放散された熱および／またはアクチュエータの外部にあり、アクチュエータの内部に伝播しやすい熱から保護するために、この変速機段において冷却されてもよい。

変速機段の領域にあるアクチュエータ本体の壁は、熱シールドによって覆われてもよい。

電気モータは、０．４〜９Ｎｍの軸出力に対して、１６０℃で１０〜１５０Ｎｍの範囲のトルクを与えるものであってもよい。

本発明の別の態様によれば、本発明のさらなる目的は、熱機関空気回路のフラップ用アクチュエータであって、
− １つまたは複数の永久磁石を備える内部ロータと、導電体の巻線を備えるステータとを備える直流モータと、
− 直流モータが収容されるハウジングを備えるアクチュエータ本体と、を備えるアクチュエータである。

前述した特徴的特性のすべてまたは一部は、本発明の上記他の態様にも適用される。

本発明のさらなる態様によれば、本発明のさらなる目的は、アセンブリであって、
− 上述したようなアクチュエータと、
− 熱機関空気回路のフラップと、を備えるアセンブリである。

フラップは、軸を備えてもよく、アクチュエータ、特に、変速機段は、フラップの軸に電気モータによって供給されたトルクを伝達可能な出力軸を備えてもよい。

アクチュエータは、本体への結合を経由させる本体の表面とは反対の本体の表面に担持された電気コネクタを備えてもよい。このコネクタにより、アクチュエータの１つ以上のセンサによって獲得したデータを本体の外部へ送ることができるようにしてもよい。アクチュエータの制御電子機器は、アクチュエータの外部に位置するものであってもよく、例えば、冷却器環境に設置されたモジュールに収容されてもよく、このコネクタにより、前記モジュールによって発せられる制御信号および電力信号がアクチュエータの内部、特に、電気モータに達するようにしてもよい。コネクタを電気モータおよび／またはセンサに取り付けるためにアクチュエータ内において使用される電気ケーブルは、冷却回路のパイプの長さのすべてまたは一部に沿って位置づけられてもよい。

このアセンブリは、前記軸を熱的ではなく機械的に接続するように構成されたシステムを備えてもよい。

このシステムにより、アクチュエータは、フラップの環境にある熱が、この結合を介してアクチュエータの内部へ達しないようにしながら、機械的結合によりフラップを変位させてもよい。この結果は、例えば、アクチュエータの出力軸およびフラップの軸が、互いに装着されることで機械的に結合された２つの別々のコンポーネントである場合に得られる。フラップの軸には、複数のフィンが設けられてもよく、複数のフィンは、フラップの軸を通って流れる傾向にある熱を空気へ放散させるように促して、フラップの環境からアクチュエータの方へ伝導により伝達されるように、軸に対して交差する方向、特に、垂直方向に設けられてもよい。

フラップの軸に対して可能な限り近くなるようにアクチュエータが接続されてもよい。

本発明により、内部熱源および外部熱源の両方に対して、過度の高い温度上昇から内部が保護されるアクチュエータを得ることができる。このようにして、アクチュエータの感応要素、例えば、電気モータの巻線の導電体および／または制御電子機器および／または測定電子機器などの感応要素にかかる熱応力は、トルクおよび／または応答時間の点からアクチュエータの性能を高めながら低減される。

このアセンブリは、ウェイストゲートバルブを形成してもよいが、他のバルブが形成されてもよい。

本発明は、例えば、可変形状を有するターボアクチュエータ、「渦巻き」フラップまたは「タンブル」フラップタイプの入口でのフラップ用アクチュエータ、またはエンジンの水回路の制御バルブ用アクチュエータを製造するために利用されてもよい。

一変形例として、このアセンブリは、バルブではないコンポーネントを製造するために利用されてもよい。以下、本発明は、実施するための非包括的な実施形態の以下の記載を読み、さらに添付の図面を参照することにより、さらに容易に理解されるであろう。

本発明の第１の実施形態によるアクチュエータの概略断面図。 本発明の第２の実施形態によるアクチュエータの概略断面図。 図２のアクチュエータのＩＩＩの方向に従って下方から見た場合の概略図。 冷却回路の領域にあるアクチュエータの本体の壁の断面を取った場合の図２に類似した概略図。 図２に類似した、本発明の第２の実施形態の一変形例を示す概略図。

以下、図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態によるアクチュエータ１について記載する。この実施形態によるアクチュエータ１は、熱機関空気回路のフラップ用アクチュエータである。アクチュエータ１およびフラップは、この場合ではウェイストゲートバルブを形成するが、本発明は、これに限定されるものではない。

図示するように、アクチュエータ１は、長手軸Ｘに延伸する本体２を備える。本体２は、ハウジング３が本体２内に配設されるように中空である。本体２は、この場合、伝導性の熱可塑性材料、例えば、アルミニウムから作られる。

本体２は、熱機関の要素、例えば、シリンダヘッドに取り付けられた底板にねじによって固定されることが意図される。

ハウジング３は、図に示すように、第１の部分５および第２の部分６を備えてもよく、前記第１および第２の部分５および６は、軸Ｘに沿って互いに並んで配置される。各部分は、軸Ｘにおいて円筒状であってもよく、第１の部分５の半径は、第２の部分６より大きいものであってもよいため、前記２つの部分５および６の間の移行部は、戻り（リターン）８によって規定される。

内壁９が、ハウジング３の第１の部分５と第２の部分６とを分離してもよい。

図１に示す実施形態によれば、ハウジングの第１の部分５に、直流電気モータ１０が収容される。この電気モータ１０は、この場合、内部ロータを有するモータである。ロータ１１は、この場合、永久磁石を備えるのに対して、ステータ１２は、直流電流が流れる導電体の巻線を備える。この巻線は、ステータ１２のフレーム上に巻き付けられる。ステータのフレームは、例えば、ハウジング３の第１の部分５の範囲を定める本体２の壁と接触する。導電体は、例えば、銅から作られる。

図から分かるように、電気モータ１０の構成の結果、巻線の導電体が本体２に近接することで、本体において放散される熱は、本体２を介してアクチュエータ１の外部に向けて除かれてもよい。

ロータ１２は、変速機段２０と相互作用する軸１３に回転可能に固定される。以下、変速機段２０について記載する。

変速機段２０は、ハウジング３の第２の部分６に位置づけられる。この変速機段２０は、例えば、複数のピニオン２１を備え、複数のピニオン２１は、電気モータ１０の軸１３によって伝達されるトルクをバルブのフラップを変位可能なアクチュエータ１の出力軸２２に伝達可能にする遊星歯車列に属する。出力軸２２は、例えば、アクチュエータ１の本体２の端面２６に出力軸を維持する軸受２４に取り付けられる。アクチュエータ１の出力軸２２は、図示した実施例において、フラップ（ここでは図示せず）を駆動可能なクランクピン２８に結合されるが、一変形例において、フラップを軸に直接結合することも可能である。

本明細書において考慮されているこの実施例における変速機段２０は、同様に、出力軸２２の角位置を決定するように構成されたセンサを備える。

図２から図５を参照しながら記載する実施形態は、アクチュエータ１が、図２の矢印Ｆで示すように、電流が流れることによりステータ１２の巻線において放散される熱を伝熱媒体が取り出すことができる冷却回路３０を備えるという点で、前述した実施形態とは異なる。図２から図４の実施例において、冷却回路３０は、本体２の部分２９によってハウジング３から分離されて、アクチュエータ１の本体２の壁に配設される。

逆に、図５の実施例において、冷却剤は、電気モータ１０と直接接触し、この場合、部分２９は存在しない。この実施例において、密封システムにより、ハウジングの第１の部分５の気密性は、この第１の部分５の外部に対して確保される。

回路３０は、軸Ｘに平行に位置づけられた複数の矩形パイプ３１の形状のものであってもよく、図３および図４から分かるように、複数の矩形状のパイプ３１はそれぞれ、軸Ｘを中心に異なる角位置を占め、順に接続される。これらのパイプ３１は、実質的に同一のものであってもよく、両側がパイプ３１と隣接するバルクヘッド３２によってそれぞれ互いに分離されてもよい。２つの隣接するパイプ３１の間の接続は、これらの２つの隣接するパイプ３１と隣接するバルクヘッド３２に配設された開口３３によって確立されてもよい。

図４に示すように、本明細書において考慮されるこの実施例における冷却回路３０は、入口３４および出口３５を備え、前記入口３４および前記出口３５は、軸Ｘに沿って実質的に同じ位置に配設される。

図示した実施例において、１２個の直線状のパイプ３１が設けられ、これらの１２個のパイプ３１によって占められると共に軸Ｘから測定された角度空間（angular space）は、２７０°〜３６０°の範囲にある。

冷却回路３０は、例えば、熱機関の冷却回路に結合され、エンジン冷却液は、この冷却回路を流れてもよい。

なお、図４をさらに参照すると、アクチュエータ１は、本体２にある１つ以上のセンサとこれらのデータを処理するユニットとの間の通信を可能にする電気コネクタ４０を備えてもよい。コネクタ４０は、同様に、モータ１０に電気供給を許容してもよい。コネクタ４０は、この実施例において、表面２６と反対の本体２の表面４１から突出する。

図２から図５の実施例において、冷却回路３０は、ハウジング３の第１の部分５の領域において本体２の壁内にのみ軸方向に延伸し、変速機段２０を覆わない。

ここでは図示されていない一変形例において、冷却回路３０は、同様に、ハウジング３の第２の部分６の領域に延伸する。パイプ３１は、例えば、ハウジング３の第２の部分６と同じ高さで本体２の壁内に同様に延伸するように延伸される。

この変形例において、熱シールドは、変速機段２０の領域において本体２の壁を外側から覆うものであっても、覆わないものであってもよい。

本発明は、このアクチュエータの要素によってのみ生じる熱を放散するための手段を実施するためのアクチュエータ１に限定されるものではない。

アクチュエータ１の出力軸２２およびフラップを駆動する軸を製造するために別々のコンポーネントを使用することで、フラップを駆動する軸のアクチュエータ１と出力軸２２とを熱的に切り離し、これにより、フラップ環境下の熱がハウジング３に到達しないようにしてもよい。これらの軸の機械的結合は、これらの軸の対応する端部の形状から得られるものであってもよく、これらの端部は、特に、一方が他方に係合するように構成される。

本発明は、上述した実施例に限定されるものではない。

「１つの〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ ｏｎｅ）」という表現は、反することを特記しない限り、「少なくとも１つの〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」という表現と同義であることを理解されたい。

Claims (15)

1. 熱機関空気回路のフラップ用アクチュエータ（１）であって、
   − それぞれが磁場源を有するロータ（１１）およびステータ（１２）を備え、前記ロータ（１１）および前記ステータ（１２）は同心状であり、前記ロータ（１１）の前記磁場源および前記ステータ（１２）の前記磁場源の一方は導電体の巻線によって形成され、前記ロータ（１１）の前記磁場源および前記ステータ（１２）の前記磁場源の他方は少なくとも１つの永久磁石によって形成される、電気モータ（１０）と、
   − 前記電気モータ（１０）が収容されるハウジング（３）を備える前記アクチュエータの本体（２）と、を備え、
   前記電気モータ（１０）は、前記本体（２）の前記ハウジングに収容される時、前記本体（２）に最も近い前記磁場源が前記導電体の巻線である、アクチュエータ。
2. 前記ロータ（１１）の前記磁場源は、前記１つ以上の永久磁石によって形成され、前記ステータ（１２）の前記磁場源は、前記導電体の巻線によって形成される、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記電気モータ（１０）は直流モータである、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記導電体の巻線を冷却するように前記伝熱媒体の流れを伝達可能な冷却回路（３０）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 前記冷却回路（３０）は、前記本体（２）の壁内に収容される、請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記冷却回路（３０）と前記ハウジング（３）との間に挟まれた前記本体（２）の前記壁の部分（２９）は、熱伝導性材料、特に、アルミニウムから作られる、請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 前記冷却流体は、前記電気モータ（１０）と接触した状態になることが可能である、請求項１から４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
8. 前記冷却回路（３０）は、接続された複数のパイプ（３１）を備え、前記複数のパイプ（３１）のそれぞれは、前記電気モータ（１０）の軸（Ｘ）に平行に延伸する、請求項４から７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
9. 前記冷却回路（３０）は、前記電気モータ（１０）が収容される前記ハウジング（３）の部分（５）の周囲のすべてまたは一部にわたって延伸する、請求項４から８のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
10. 前記電気モータ（１０）によって供給されるトルクのための変速機段（２０）を備え、前記変速機段は、前記アクチュエータ（１）の前記本体（２）の前記ハウジング（３）に収容され、且つ、前記電気モータの前記軸（Ｘ）に沿って前記電気モータ（１０）の延長に配置される、請求項１から９のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
11. 前記冷却回路（３０）は、前記変速機段（２０）が収容される前記ハウジング（３）の前記部分（６）の周囲のすべてまたは一部にわたって同様に延伸する、請求項１０および請求項４から９のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
12. 前記変速機段（２０）の領域における前記本体（２）の前記壁は、熱シールドによって覆われる、請求項１１に記載のアクチュエータ。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のアクチュエータ（１）と、
    熱機関空気回路のフラップと、を備えるアセンブリ。
14. 前記フラップは軸を備え、前記アクチュエータ（１）は、前記電気モータ（１０）によって供給されるトルクを前記フラップの軸に伝達可能な出力軸（２２）を備え、熱的ではなく機械的に前記軸同士を接続するように構成されるシステムを備える、請求項１３に記載のアセンブリ。
15. ウェイストゲートバルブを形成する、請求項１３または１４に記載のアセンブリ。

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