DE10052318A1 - Torquemotor - Google Patents

Abstract

Bei einem Torquemotor nach dem Stand der Technik wird ein nicht konstanter Luftspalt zwischen Rotor und Stator, bestehend aus Blechlaminaten, durch aufwändige Konstruktionen am Stator erzeugt. DOLLAR A Ein erfindungsgemäßer Torquemotor (30) hat einen unsymmetrischen Rotor (20), der einen nicht konstanten Luftspalt zwischen Rotor (20) und Stator (1) erzeugt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Torquemotor nach der Gattung des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 3,991,332 ist ein Schrittmotor bekannt, der einen Stator und eine Erregerwicklung aufweist. Innerhalb des Stators ist ein Rotor angeordnet, der an zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflacht ist. Ein Luftspalt zwischen Rotor und Stator an den nicht abgeflachten Seiten ist nicht konstant, weil zwei Halbkreise des Stators, die einen Hohlraum für den Rotor bilden, gegeneinander versetzt ausgebildet sind. Diese Konstruktion des Stators ist aufwendig. Über eine Möglichkeit zur Beeinflussung einer Drehmomentkennlinie mittels Rotor werden keine Angaben gemacht.

Aus der DE 30 13 984 A1 bzw. US-PS 4,504,770 ist eine Stelleinrichtung bekannt, die einen Rotor hat, der so ausgebildet ist, dass es zu einem linearen Verlauf des Drehmoments über einen bestimmten Drehwinkelbereich der Stelleinrichtung kommt. Dies wird durch eine aufwendige keilförmige Gestaltung der Stirnflächen des Rotors erreicht.

Aus der DE 30 39 521 A1 ist ein Stellmotor bekannt, der einen Stator und eine Erregerwicklung aufweist. Innerhalb des Stators ist ein Rotor angeordnet, der an zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflacht ist. Ein Luftspalt zwischen Rotor und Stator an den nicht abgeflachten Seiten ist nicht konstant, weil zwei Halbkreise des Stators, die einen Hohlraum für den Rotor bilden, asymmetrisch zur Rotorachse ausgebildet sind. Diese Konstruktion des Stators ist aufwendig. Über eine Möglichkeit zur Beeinflussung einer Drehmomentkennlinie mittels Rotor werden keine Angaben gemacht.

Aus der DE 37 86 688 A1 bzw. US-PS 4,656,553 ist ein elektrischer Motor als bekannt, bei dem ein Hallsensor innerhalb eines Rotors angeordnet ist. Der Hallsensor sitzt bei dem Aussenläufermotor auf dem Stator.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemässe Torquemotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise das Drehmoment des Torquemotors über einen grossen Drehwinkelbereich gestaltet werden kann. Der Torquemotor kann in einer Verstelleinrichtung, wie z. B. einer Drosselklappensteuerung einer Brennkraftmaschine oder als Schrittmotor eingesetzt werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 genannten Torquemotors möglich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dann, wenn die Drehmomentkennlinie über einen Rotordrehwinkelbereich bis etwa 90° ungefähr linear verläuft, weil dadurch der Torquemotor sehr einfach anzusteuern ist.

Weiterhin vorteilhaft ist es, den Rotor aus kunststoffgebundenem Magnetmaterial herzustellen, weil dies die Formgebung und Herstellung des Rotors vereinfacht.

Es ist vorteilhaft, wenn der Rotor an zwei gegenüberliegenden Flachseiten abgeflacht ist und an den Zwischenseiten zwischen den abgeflachten Flachseiten einen ungleichmässigen Aussenradius hat, weil dadurch die Drehmomentlinie auf einfache Art und Weise beeinflusst werden kann.

Es ist vorteilhaft, wenn der Hohlraum des Stators an seiner Innenseite Vertiefungen oder Nuten aufweist, weil dadurch der magnetische Fluss zwischen Stator und Rotor und so das Drehmoment des Rotors auf einfache Art und Weise beeinflusst werden kann.

Es ist vorteilhaft, wenn die Rotorachse nicht der Hohlraummittellinie entspricht, weil dadurch eine Vorzugsdrehrichtung für den Rotor vorgegeben ist.

Es ist vorteilhaft, wenn der Rotor einen Rotorhohlraum aufweist und in dem Rohrhohlraum ein Rohrelement als ein magnetisches Rückschlusselement angeordnet ist, da dadurch ein symmetrischer magnetischer Flussverlauf im Rotor erzeugt wird.

Auf vorteilhafte Weise kann ein Hallsensor im Magnetfeld des Rotorhohlraums angeordnet sein, weil dadurch ein magnetisches Geberelement zur Bestimmung der Lage oder Drehfrequenz des Rotors entfallen kann.

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Stator eines erfindungsgemässen Torquemotors,

Fig. 2 einen Rotor eines erfindungsgemässen Torquemotors,

Fig. 3 einen erfindungsgemässen Torquemotor,

Fig. 4 einen Stator mit Vertiefungen und Nuten,

Fig. 5a bis 5c verschiedene geometrische Formen des Rotors,

Fig. 6 eine Anordnung von einer Rotorachse bezüglich der Hohlraummittellinie,

Fig. 7a, b, einen Rotor, der einen Hallsensor enthält, der innerhalb des Rotors angeordnet wird.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen Stator 1 eines erfindungsgemässen Torquemotors 30 (Fig. 3). Der Stator 1 hat einen Hohlraum 3 und eine bspw. rechteckige Ausnehmung 7. Der Stator 1 besteht bspw. aus einem Blechpaket, kann aber auch massiv sein. Der Hohlraum 3 ist symmetrisch zu einer Hohlraummittellinie 70, bspw. weist im radialen Querschnitt eine Kreisform auf.

Eine Spule 9 ist in der rechteckigen Ausnehmung 7 so angeordnet, dass ein Teil der Spule 9 sich in der Ausnehmung 7 befindet und der restliche Teil der Spule 9 ausserhalb des Stators 1 angeordnet ist. Ein Teil des Stators 1 bildet also einen Kern für die Spule 9. Die Spule 9 dient zur magnetischen Erregung des Stators 1, der aus einem magnetischen leitenden Material hergestellt ist. Der Stator 1 hat im Bereich des Hohlraums 3 bspw. zumindest einen Statorspalt 11, der bspw. durch zumindest eine Brücke 14 überbrückt werden kann. Der Statorspalt 11 kann auch entfallen. In diesem Ausführungsbeispiel gibt es zwei Statorspalte 11. Die Statorspalte 11 sind bspw. gegenüberliegend angeordnet und teilen den Teil des Stators 1 um den Hohlraum 3 ungefähr symmetrisch zu einer Verbindungslinie zwischen den zwei Statorspalten 11 auf.

Fig. 2 zeigt einen Rotor 20 des erfindungsgemässen Torquemotors 30, der eine Rotorachse 22 hat, die auch eine Symmetrieachse sein kann, und der eine äussere Mantelfläche 24 aufweist. Der Rotor 20 weist eine nicht gezeigte Rotorwelle auf.

Der Rotor 20 hat im radialen Querschnitt keine kreisförmige Form und kann ansonsten jede beliebige Form aufweisen. Der Rotor 20 hat bspw. an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen der Mantelfläche 24 eine erste abgeflachte Flachseite 31 und eine zweite abgeflachte Flachseite 32 (Fig. 3). Die Flachseiten 31, 32 können auch jede andere Form annehmen, sie können z. B. auch eine Konkave aufweisen. Die Flachseiten 31, 32 müssen nicht zwangsläufig symmetrisch zueinander angeordnet sein und können voneinander verschiedene Formen annehmen.

Auch ausserhalb der Flachseiten 31, 32 ist der Radius des Rotors 20 nicht konstant, sondern ändert sich je nach Winkelstellung eines Radialvektors (r1, r2, Fig. 3). Für jeden Radius dieses Ausführungsbeispiels gilt jedoch, dass bei einer Verschiebung des Radialvektors in axialer Richtung der Radius konstant bleibt.

Fig. 3 zeigt den erfindungsgemässen Torquemotor 30, der sich u. a. aus dem Stator 1 der Fig. 1 und dem Rotor 20 der Fig. 2 zusammensetzt.

Die Spule 9 ist so geschaltet, dass an zwei gegenüberliegenden Stellen des Stators 1 ein magnetischer Nord- N und Südpol S ausgebildet ist, wodurch eine Statormagnetfeldrichtung 50 im Stator 1 von Süd nach Nord erzielt wird. Diese Statormagnetfeldrichtung 50 kann sich je nach Polung der Spule 9 um 180° drehen.

Zwischen den zwei abgeflachten Flachseiten 31, 32 gibt es eine erste Zwischenseite 35 und eine zweite Zwischenseite 36.

Ein Luftspalt 40 ergibt sich aus dem kürzesten Abstand der Mantelfläche 24 des Rotors 20 und einer inneren Mantelfläche 42 des Hohlraums 3, d. h. der der Mantelfläche 24 gegenüberliegenden Innenfläche des Stators 1. Der Rotor 20 hat an der ersten oder zweiten Zwischenseite 35, 36 zumindest zwei verschiedene Radien r1 und r2, so dass der Luftspalt 40 zwischen den Zwischenseiten 35, 36 und dem Stator 1 nicht konstant ist. Wenn sich der Rotor 20 dreht, kommt es aufgrund dieser verschiedenen Abstände r1, r2 an einer bestimmten Stelle des Stators 1 zu einem sich verändernden Luftspalt 40. Ein Drehmoment des Rotors 20 bzw. Motors 30 kann so beeinflusst werden.

Der Rotor 20 wird vorzugsweise aus kunststoffgebundenem Magnetmaterial hergestellt, weil sich dadurch eine beliebige Geometrie des Rotors 20 kostengünstig erreichen lässt. Bei Magneten, die den Rotor bilden, die aus Hartferriten bestehen, sind nach dem Press- und Sintervorgang des Rohlings noch mehrere Zeit- und kostenaufwendige Schleifvorgänge notwendig.

Aus physikalischen Gründen heraus erreicht man mit einem Rotor nach dem Stand der Technik bei Ansteuerung des Motors mittels eines pulsweiten modulierten Signals eine Drehbewegung, die keinen linearen Zusammenhang zwischen Tastverhältnis und Drehwinkel ergibt. Gegen das Magnetfeld des Stators 1 arbeitet bei einem Torquemotor 30 ein Rückstellelement, dass den Rotor 20 bei abfallender elektrischer Spannung oder abfallendem elektrischen Strom am Stator 1 wieder in seine Ausgangsposition zurückstellt. Die Auslenkung des Rotors 20 im Magnetfeld des Stators 1 in Abhängigkeit vom angelegten Tastverhältnis fällt je nach Magnetisierungsart der Magnete unterschiedlich aus und ergibt über dem Tastverhältnis aufgezeichnet einen relativ steilen Anstieg oder Abfall mit sehr langen Auslaufzonen. Der Rotor arbeitet gegen das Rückstelldrehmoment eines Rückstellelements, wie z. B. einer Feder. Die resultierende Drehmomentkurve von Rotor und Feder führt bei gewissen Tastverhältnissen zu einer grossen Drehmomentdifferenz gegenüber den kontinuierlich ansteigenden Drehmomenten der Feder, was dann einen starken Anstieg der Drehmomentkennlinie des Motors 30 zur Folge hat. Durch eine einfache Gestaltung des Rotors 20 (Fig. 2) steigt die resultierende Kennlinie des Motors 30 über den kompletten Drehwinkelbereich, hier 90°, möglichst konstant an. Dies ermöglicht eine gute Regelbarkeit der Stellelemente, die mit Torquemotoren 30 angetrieben werden. Jede weitere Form der Drehmomentkennlinie ist durch eine Geometrieänderung des Rotors 20 einstellbar.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stators 1 des erfindungsgemässen Torquemotors 30. Der Hohlraum 3 wird begrenzt durch eine Innengrundfläche 58, die eine Art Umhüllende der inneren Mantelfläche 42 darstellt. Ausgehend von der Innengrundfläche 58 weist der Hohlraum 3 zumindest eine Vertiefung 54 auf. Ebenso kann zumindest eine Nut 56 vorhanden sein. Durch die Einführung von Vertiefungen 54 oder Nuten 56 wird durch verschiedene Abstände von Rotor 20 und Hohlraum 3 an dieser Stelle ein magnetischer Flussverlauf und damit das Drehmoment des Rotors 20 beeinflusst.

Fig. 5a zeigt einen Längsschnitt entlang der Rotorachse 22 des Rotors 20. Der Rotor 20 hat eine Kegelform 61 mit variabler Grundfläche 62. Durch die verschiedenen radialen Abstände d1, d2 der Mantelfläche 24 des Rotors 20 zu der bspw. zylindrischen Innengrundfläche 58 des Hohlraums wird gezielt der magnetische Flussverlauf im Hohlraum 3 und das Drehmoment des Rotors 20 beeinflusst.

Fig. 5b zeigt einen radialen Querschnitt durch den Rotor 20. Der Rotor 20 weist im radialen Querschnitt eine Ovalform 63 auf. Auch hier sind die radialen Abstände d1, d2 an der Mantelfläche 24 des Rotors 20 zu der Innengrundfläche 58 des Stators 1 verschieden.

Fig. 5c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Rotors 20 in radialem Querschnitt. Der Rotor 20 hat auf seiner Mantelfläche zumindest zwei Aussparungen 66. Die Aussparungen 66 können Abflachungen oder ovale Vertiefungen sein. Die Aussparung 66 sind symmetrisch zu einer Spiegelebene 68 angeordnet, in der die Rotorachse 22 verläuft.

Fig. 6 zeigt eine spezielle Anordnung des Rotors 20 in dem Hohlraum 3 des Stators 1. Die Rotorachse 22, um die sich der Rotor 20 dreht, fällt nicht mit der Hohlraummittellinie 70 zusammen, sodass der Rotor 20 eine bevorzugte Drehrichtung erhält.

Fig. 7a zeigt einen Rotor 20, der einen Rotorhohlraum 71 aufweist, der bspw. symmetrisch zur Rotorachse 22 verläuft und bswp. einen Durchgang darstellt. In dem Rotorhohlraum 71 herrscht ein Magnetfeld, dessen Ausrichtung mittels eines Hallsensors 75, der nicht am Rotor befestigt ist, detektiert werden kann.

In Fig. 7b ist gezeigt, dass der Rotor 20 innerhalb des Rotorhohlraums 71 ein Rohrelement 73 aufweist das form- und kraftschlüssig mit dem Rotor 20 verbunden ist. Das Rohrelement 73 kann aus Kunststoff oder Metall sein, wobei es dann ein magnetisches Rückschlusselement bildet. Innerhalb des Rotorhohlraums 71 herrscht ein Magnetfeld mit einer Rotormagnetfeldrichtung 78. Der Hallsensor 75 ist in den Rotorhohlraum 71 eingeführt und mit seiner sensitiven Fläche entlang dieser Rotormagnetfeldrichtung 78 ausgerichtet. Es kann auch eine andere Winkeleinstellung des Hallsensors 75 zur Rotormagnetfeldrichtung 78 gewählt werden. Wenn sich der Rotor 20 dreht, wobei der Hallsensor 75 seine Position behält, dreht sich die Rotormagnetfeldrichtung 78 und schliesst mit der sensitiven Fläche des Hallsensors 75 einen Winkel ein, der dann zu einer Hallspannung führt, die detektiert werden kann. Der Hallsensor 75 nutzt das vorhandene Magnetfeld des Rotors 20 aus und benötigt keine zusätzlichen Magnetfeldgeber.

Claims (17)

1. Torquemotor,
mit einem Stator,
mit einem Rotor, der eine Rotorachse hat, um die er sich dreht, und zumindest teilweise in dem Stator angeordnet ist,
mit einem Luftspalt zwischen Stator und Rotor, der nicht konstant ist,
wobei der Stator einen Hohlraum für den Rotor aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hohlraum (3) eine Innengrundfläche (58) hat, die symmetrisch zu einer Hohlraummittellinie (70) ist, und
dass der Rotor (20) keinen kreiszylinderförmigen Radialquerschnitt aufweist, und so einen nicht konstanten Luftspalt (40) zwischen dem Rotor (20) und der Innengrundfläche (58) erzeugt.

2. Torquemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (20) an zwei gegenüberliegenden Flachseiten (31, 32), zu der die Rotorachse (22) parallel verläuft, abgeflacht ist, und
dass der Rotor (20) bzgl. der Rotorachse (22) an den nicht abgeflachten Zwischenseiten (35, 36) einen ungleichmässigen Aussenradius (r1, r2) hat, und so einen nicht konstanten Luftspalt (40) zwischen dem Rotor (20) und der Innenfläche (58) erzeugt.

3. Torquemotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) an einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Flachseite (31, 32), die nicht einen magnetischen Pol (N, S) des Rotors (20) umfassen, abgeflacht ist.

4. Torquemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) an seiner Innenseite zumindest eine Vertiefung (54) aufweist.

5. Torquemotor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) an seiner Innenseite zumindest eine Nut (56) aufweist.

6. Torquemotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Rotors (20) entlang seiner Rotorachse (22) eine Kegelform (61) aufweist.

7. Torquemotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialquerschnitt des Rotors (20) senkrecht zu seiner Rotorachse (22) eine Ovalform (63) aufweist.

8. Torquemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorachse (22) nicht der Hohlraummittellinie (70) entspricht.

9. Torquemotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (20) Aussparungen (66) an seiner Mantelfläche (24) hat, und
dass der Rotor (20) symmetrisch zu einer Spiegelebene (68) ist, in der die Rotorachse (22) verläuft.

10. Torquemotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 6, 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) einen Rotorhohlraum (71) aufweist.

11. Torquemotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rotorhohlraum (71) ein Rohrelement (73) angeordnet ist.

12. Torquemotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (73) ein magnetisches Rückschlusselement ist.

13. Torquemotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rotorhohlraum (71) ein Hallsensor (75) angeordnet ist.

14. Torquemotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (20) im Rotorhohlraum (71) ein magnetisches Feld aufweist, und
dass eine sensitive Fläche des Hallsensors (75) in Ausgangsstellung parallel zur Rotormagnetfeldrichtung (78) im Rotorhohlraum (71) ausgerichtet ist.

15. Torquemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Rotor (20) und Stator (1) ein Drehmoment wirkt,
dass der Rotor (20) so gestaltet ist, dass eine Drehmomentkennlinie über einen Rotordrehwinkelbereich bis etwa 90° ungefähr linear verläuft.

16. Torquemotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, 6, 7, 9, 10, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) aus kunststoffgebundenen Magnetmaterial besteht

17. Torquemotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) einen konstanten Radius zu der Hohlraumlinie (70) hat,