DE19922622A1 - Gleichstrom-Drehmomentmotor und Treibersteuervorrichtung und Drosselventilsteuervorrichtung, die Gleichstrom-Drehmotor verwenden - Google Patents
Gleichstrom-Drehmomentmotor und Treibersteuervorrichtung und Drosselventilsteuervorrichtung, die Gleichstrom-Drehmotor verwendenInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen leichtgewichtigten Gleichstrom-Drehmomentmotor kleiner Baugröße mit gutem Ansprechverhalten, bei dem, falls ein Spulenstrom in positiver Richtung angelegt wird, die Richtung des Winkels THETA, in der der Motor bewegt wird, positiv ist und die Richtung des in diesem Moment entwickelten Drehmomentes positiv ist, und, falls ein Spulenstrom in einer negativen Richtung angelegt wird, die Richtung des Winkels THETA, in der der Motor gedreht wird, negativ ist und die Richtung des in diesem Moment entwickelten Drehmoments negativ ist, wobei der Motor die folgenden Arbeitswinkel-Bereich-Eigenschaften aufweist: (1) Positionen von Drehmomentspitzen in dem in positiver Richtung durch den konstanten Strom in der positiven Richtung entwickelten Drehmoment breiten sich in einem Bereich kleiner Winkel in dem Arbeitswinkelbereich aus, und (2) Positionen von Drehmomentspitzen in dem in negativer Richtung durch den konstanten Strom in der negativen Richtung entwickelten Drehmoment breiten sich in einem Bereich großer Winkel in dem Arbeitswinkelbereich aus.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-
Drehmomentmotor kleiner Baugröße mit niedrigem Gewicht, der ein
gutes Ansprechverhalten aufweist und einfach zu steuern ist,
auf eine Treibersteuervorrichtung, die den Gleichstrom-
Drehmomentmotor verwendet, und auf eine Drosselventilsteuervor
richtung für einen Verbrennungsmotor.
Herkömmlicherweise ist ein Drehmomentmotor bekannt, der inner
halb eines vorbestimmten Arbeitswinkelbereichs hin und her be
wegt bzw. in angesteuerter Weise gedreht wird. Zum Beispiel of
fenbart die JP 6-6964 A, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, einen
Gleichstrom-Drehmomentmotor 100, der aus einer Nadel 101, die
um eine Achse 103 hin und her bewegbar ist, und einem allgemein
U-förmigen Stator 102 mit einem zwischen diesen angeordnetem
Hohlraum besteht, bei dem die Nadel 101 aus einem Weicheisen
kern 104 und zwei Permanentmagneten 105, 106, die fest an dem
Umfang des Kerns 104 angebracht sind, zusammengesetzt ist und
der Stator 102 Polabschnitte 109, 110, die einander anblicken,
aufweist und eine Spule 112 um den entfernten Abschnitt des
Stators 102 (der obere Teil in Fig. 11) gewickelt ist.
Bei dem oben spezifizierten Gleichstrom-Drehmomentmotor und
ähnlichen Motoren ist das Drehmoment so gestaltet, daß es nahe
zu konstant ungeachtet des Winkels innerhalb eines vorbestimm
ten Winkelbereiches unter der Bedingung ist, daß der in der
Spule fließende Strom konstant eingestellt ist. Das bedeutet,
das Drehmoment ist so gestaltet, daß es bei jedem Winkel inner
halb des vorbestimmten Winkelbereichs flach ist. Zum Beispiel
offenbart die oben erwähnte Veröffentlichung einen Gleichstrom-
Drehmomentmotor, der zum Sichern eines konstanten Drehmomentes
mit einem konstanten Stromfluß für nahezu alle Rotationsposi
tionen für die Nadel in der Lage ist.
Jedoch muß die Querschnittsfläche des Stators 102 (Quer
schnittsfläche des magnetischen Pfades) groß sein, um solche
Eigenschaften zu erzielen. Der Stator 102 wird beeinflußt durch
magnetische Felder der Permanentmagneten 105, 106, die an der
Nadel 101 fest angebracht sind, und ein magnetisches Feld, das
durch den in der Spule 112 fließenden Strom erzeugt wird. Je
doch können die oben genannten magnetischen Felder manchmal
miteinander übereinstimmen, was von dem Winkel α der Nadel 101
abhängt. Unter einer solchen Bedingung wird, da der Stator 102
aus weichmagnetischem Material wie Weicheisen ausgebildet ist,
wenn die Fluxoidmenge, das heißt die Größe des magnetischen
Flusses durch eine bestimmte Fläche, einmal gesättigt ist, die
Fluxoidmenge nicht stark ansteigen, selbst falls ein Strom in
der Spule fließt. Als ein Ergebnis wird das Drehmoment niedrig
im Vergleich zu einer Variation der Fluxoidmenge. Darum muß die
Querschnittsfläche des magnetischen Weges groß gemacht werden,
um eine Sättigung der Fluxoidmenge zu vermeiden.
Da die Querschnittsfläche des magnetischen Weges für den Stator
102 vergrößert ist, steigen jedoch die Abmessungen, das Volu
men, das Gewicht, etc. des Stators 102 proportional an. Des
weiteren wird in dem Fall, in dem ein Gleichstrom-
Drehmomentmotor durch den Winkel α seiner Welle (Schwingungs-
bzw. Auslenkungswinkel) gesteuert wird, ein großes Drehmoment
beim anfänglichen Schwingen, d. h. dem Beginn der Auslenkung,
benötigt, so daß der Gleichstrom-Drehmomentmotor über einen
großen Winkelbereich hin und her bewegt werden kann, um ein gu
tes Ansprechverhalten zu erhalten. Jedoch wird ein großes
Drehmoment nicht nahe dem Ende der Auslenkungsbewegung benö
tigt. Des weiteren wird für den Gleichstrom-Drehmomentmotor,
der über einen kleinen Winkel zu drehen bzw. auszulenken ist,
kein hohes Drehmoment benötigt.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Probleme
gemacht. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Gleichstrom-Drehmomentmotor mit kleiner Baugröße und
kleinem Gewicht, der ein gutes Ansprechverhalten aufweist, eine
Treibersteuervorrichtung, die denselben verwendet, und eine
Drosselventilsteuervorrichtung zur Verwendung in zum Beispiel
einem Verbrennungsmotor anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Motor nach Anspruch 1
oder 2 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange
geben.
Zum Erzielen der oben genannten Aufgabe ist ein Gleichstrom-
Drehmomentmotor des Typs mit bewegtem Magnet, der in einem vor
bestimmten Arbeitswinkelbereich hin und her bewegt wird, nach
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugter
weise dadurch gekennzeichnet, wobei angenommen wird, daß Strom,
Winkel und Drehmoment die Bedingung, daß, falls ein Strom in
einer positiven Richtung angelegt wird, die Richtung des Win
kels, in der der Gleichstrom-Drehmomentmotor ausgelenkt bzw.
gedreht wird, positiv ist und die Richtung des in diesem Moment
entwickelten Drehmoments positiv ist, und, falls ein Strom in
einer negativen Richtung angelegt wird, die Richtung des Win
kels, in der der Gleichstrom-Drehmomentmotor gedreht wird, ne
gativ ist und die Richtung des in diesem Moment entwickelten
Drehmoments negativ ist, erfüllen, daß der Motor die folgenden
Winkel-Drehmoment-Eigenschaften, daß Positionen von Drehmoment
spitzen in dem Drehmoment in der positiven Richtung, das durch
einen konstanten Strom in der positiven Richtung entwickelt
wird, sich in einem Bereich kleiner Winkel in dem Arbeitswin
kelbereich ausbreiten und daß Positionen von Drehmoment spitzen
in dem Drehmoment in der negativen Richtung, das durch einen
konstanten Strom in der negativen Richtung entwickelt wird,
sich in einem Bereich großer Winkel in dem Arbeitswinkelbereich
ausbreiten, aufweist.
Der Gleichstrom-Drehmomentmotor, der die oben genannte Struktur
entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
aufweist (im folgenden einfach als "Motor" bezeichnet), weist
die folgenden Winkel-Drehmoment-Eigenschaften auf, falls die
Richtungen des Stromes, des Winkel und des Drehmomentes wie
oben beschrieben gesetzt bzw. eingestellt sind.
Zuerst wird ein Fall, in dem der Motor in der (positiven) Rich
tung, in der sich der Winkel erhöht, bewegt wird, betrachtet.
In diesem Fall, falls der Motor stark gedreht bzw. ausgelenkt
wird, daß heißt, falls der Motor von einem kleinen Winkel θ1 zu
einem großen Winkel θ2 (θ1 « θ2) gedreht wird, wie in dem
Fall, in dem der Motor von der unteren Grenze des Arbeitswin
kelbereiches zu der oberen Grenze desselben gedreht wird, brei
ten sich die Positionen der Drehmomentspitzen in dem Bereich
kleiner Winkel, d. h. ungleichmäßig im Hinblick auf den gesamten
Arbeitswinkelbereich aus. Aufgrund dessen kann bei einem klei
nen Winkel, d. h. an dem Beginn des Motorbetriebes, ein hohes
Drehmoment erhalten werden und der Motor kann prompt beschleu
nigt werden. Zusätzlich ist, falls der Winkel ansteigt, d. h.
der Motor nahe einer Stopposition ist, das derart entwickelte
Drehmoment kleiner. In anderen Worten, obwohl der Winkel über
einen großen Winkel (θ2-θ1) bewegt wird, kann der Motor
prompt und sanft bzw. glatt zu einem gewünschten Winkel θ2 be
wegt bzw. gedreht werden.
Währenddessen ist, falls der Motor nur über einen kleinen Win
kel zu bewegen ist, die Winkelvariation klein und die Antwort
geschwindigkeit hat keinen so starken Einfluß. Dementsprechend
wird kein hohes Drehmoment benötigt. Darum wird, falls der Mo
tor von einem großen Winkel θ3 zu einem leicht größeren Winkel
θ4 (θ3 < θ4) zu drehen bzw. auszulenken ist, wobei die Moment
spitzen sich in dem Bereich kleiner Winkel ausbreiten, der
Steuerbetrieb jedoch nicht nachteilig beeinflußt.
Als nächstes wird ein Fall, der dem obigen Fall entgegengesetzt
ist, d. h. ein Fall, in dem der Motor in der (negativen) Rich
tung, in der sich der Winkel vermindert, zu bewegen ist, be
trachtet.
In diesem Fall, falls der Motor über einen großen Winkel bewegt
bzw. ausgelenkt wird, d. h., falls der Motor von einem großen
Winkel 05 zu einem kleinen Winkel θ6 (θ5 » θ6) bewegt wird wie
in dem Fall, in dem der Motor von der oberen Grenze des Ar
beitswinkelbereiches zu der unteren Grenze desselben bewegt
wird, breiten sich die Drehmoment spitzen in einem Bereich gro
ßer Winkel aus, d. h. ungleichmäßig, wenn der gesamte Arbeits
winkelbereich betrachtet wird. Aufgrund dessen kann bei dem
großen Winkel θ5, das heißt bei dem Beginn des Motorbetriebes,
ein hohes Drehmoment erhalten werden und der Motor kann dadurch
prompt beschleunigt werden. Außerdem ist, falls der Winkel ab
nimmt, das heißt, falls der Motor nahe der Stopposition ist,
das derart entwickelte Drehmoment kleiner. In anderen Worten,
obwohl der Winkel über einen großen Winkel (θ5-θ6) bewegt
worden ist, kann der Motor prompt und sanft zu dem gewünschten
Winkel θ6 bewegt bzw. ausgelenkt werden.
Falls der Motor über einen kleineren Winkel zu bewegen bzw.
auszulenken ist, wird kein hohes Drehmoment benötigt und die
Winkelvariation ist klein. Dementsprechend hat die Antwortge
schwindigkeit keinen so großen Einfluß. Aufgrund dessen, falls
der Motor von einem kleinen Winkel θ7 zu einem leicht kleineren
Winkel θ8 (θ7 < θ8) zu bewegen bzw. auszulenken ist, beeinflus
sen die Positionen der Drehmomentspitzen, die sich in dem Be
reich großer Winkel ausbreiten, den Steuerbetrieb jedoch nicht
nachteilig.
In anderen Worten, falls der Winkel stark zu ändern ist, kann
ein hohes Drehmoment, das zum Beschleunigen des Motors ausrei
chend ist, entwickelt werden und ein gutes Antwortverhalten
(schnelle Antwortgeschwindigkeit) kann erhalten werden. Falls
der Winkel weniger stark zu ändern ist, kann das entwickelte
Drehmoment niedrig sein. Das niedrige Drehmoment beeinflußt den
Steuerbetrieb jedoch nicht nachteilig.
Um die oben genannte Aufgabe zu erzielen weist ein Gleichstrom-
Drehmomentmotor nach einer Ausführungsform der Erfindung einen
Stator mit einer darum gewickelten Spule und eine Permanentma
gnete enthaltene Nadel auf, wobei die Nadel in einem vorbe
stimmten Arbeitswinkelbereich hin und her bewegt wird, wobei
bevorzugterweise ein magnetischer Pfad innerhalb des Stators
ausgebildet ist und die Fluxoidmenge (die Größe eines innerhalb
einer bestimmten Fläche erzeugten magnetischen Flusses), die
die Permanentmagnete und der in der Spule fließende Strom in
nerhalb des Stators erzeugen, nicht gesättigt wird, während der
Arbeitswinkel der Nadel in einem Abstoßungsbereich, in dem die
Nadel den Stator abstößt, ist, und gesättigt wird, während der
Arbeitswinkel der Nadel in einem Anziehungsbereich, in dem die
Nadel durch den Stator angezogen wird, ist.
Des weiteren ist es bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor ent
sprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu be
vorzugen, daß eine Fluxoidmenge, die durch das Produkt aus der
minimalen Querschnittsfläche des Stators und der Sättigungsma
gnetflußdichte des Stators gewonnen wird, kleiner als eine Flu
xoidmenge ist, die durch die Summe der maximalen Fluxoidmenge,
die der in der Spule fließende Strom erzeugt, und der maximalen
permanenten Fluxoidmenge, die die Permanentmagneten innerhalb
des Arbeitswinkelbereiches erzeugen, gewonnen wird.
Weiterhin ist es bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor entspre
chend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bevor
zugen, daß der Stator aus magnetischen Stahlblechen, die über
einander angeordnet sind, zusammengesetzt ist, deren Sätti
gungsmagnetflußdichte größer als 1,6 T (Tesla) ist.
Bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor ist das in dem Motor bei
einem gewissen Winkel entwickelte Drehmoment T proportional zu
einer Variation ΔΦ (=Φ - Φ0) der Fluxoidmenge von Φ0 zu Φ durch
Hinzufügen eines magnetischen Feldes Hc, das in dem Stator
durch Anlegen eines Stromes an die Spule erzeugt wird, zu einem
magnetischen Feld HO, das in dem Stator durch die Magneten er
zeugt wird (T ∞ ΔΦ). Außerdem ist bei dem Gleichstrom-
Drehmomentmotor der Arbeitswinkelbereich in einen Abstoßungsbe
reich, in dem das Drehmoment hauptsächlich durch eine Absto
ßungskraft zwischen den Magneten und den Magnetpolen in dem
Stator entwickelt wird, und einen Anziehungsbereich, der dem
Abstoßungsbereich entgegengesetzt ist, in dem das Drehmoment
hauptsächlich durch eine Anziehungskraft zwischen den Magneten
und den Magnetpolen in dem Stator entwickelt wird, unterteilt.
Das heißt, der Abstoßungsbereich meint hier einen Rotationswin
kelbereich der Nadel, in dem die Nadel, die Magneten enthält,
durch die Abstoßungskraft des Stators stärker als durch die An
ziehungskraft desselben beeinflußt wird. Andererseits bedeutet
der Anziehungsbereich einen Rotationswinkelbereich der Nadel,
in dem die Nadel durch die Anziehungskraft des Stators stärker
als durch die Abstoßungskraft desselben beeinflußt wird.
Des weiteren ist es bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor so,
daß, falls der Motor in der (positiven) Richtung, in der der
Winkel zunimmt, bewegt (und gedreht) wird, der Motor so betrie
ben wird, daß ein Bereich kleiner Winkel in dem Abstoßungsbe
reich und ein Bereich großer Winkel in dem Anziehungsbereich
liegt. In anderen Worten, der Spulenstrom wird zum Erhalten
solcher Richtungen angelegt. Umgekehrt wird, falls der Motor in
der (negativen) Richtung, in der der Winkel abnimmt, gedreht
wird, der Motor so betrieben, daß der Bereich großer Winkel in
dem Abstoßungsbereich und der Bereich kleiner Winkel in dem An
ziehungsbereich liegt. In anderen Worten, falls der Motor um
einen großen Winkel gedreht wird, so wie von einem Ende des Ar
beitswinkelbereiches zu dem anderen Ende desselben, wird der
Abstoßungsbereich immer an dem Beginn des Drehbewegungsbetrie
bes verwendet.
Bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor, der die oben erwähnte
Struktur entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Er
findung aufweist, weist der magnetische Pfad des Stators die
Querschnittsfläche, wie sie oben beschrieben worden ist, auf.
Falls die Nadel in dem Abstoßungsbereich ist, ist das magneti
sche Feld HO, das durch die Magneten erzeugt wird, entgegenge
setzt in der Richtung zu dem magnetischen Feld Hc, das durch
die Spule erzeugt wird. In diesem zustand ist die Fluxoidmenge
innerhalb des Stators auf dem Abstieg und wird nicht gesättigt.
Als ein Ergebnis steigt die Variation ΔΦ der Fluxoidmenge Φ an,
so daß ein hohes Drehmoment entwickelt werden kann.
Falls die Nadel in dem Anziehungsbereich ist, ist das magneti
sche Feld HO, das durch den Magneten erzeugt wird, bezüglich
der Richtung dasselbe wie das magnetische Feld Hc, das durch
die Spule erzeugt wird. In diesem Fall steigt, da der magneti
sche Pfad des Stators eine kleine Querschnittsfläche aufweist,
selbst falls das magnetische Feld Hc dem magnetischen Feld HO
hinzugefügt wird, die Fluxoidmenge Φ in dem Stator nicht gegen
über Φ0, das durch die Magneten erzeugt wird, an. Dieses ist
so, da die Fluxoidmenge Φ innerhalb des Stators gesättigt ist.
Als ein Ergebnis steigt, selbst falls das Magnetfeld H durch
Hinzufügen des Magnetfeldes Hc zu dem Feld H erhöht wird, die
Fluxoidmenge Φ nicht stark an und die Variation ΔΦ der Fluxoid
menge Φ nimmt ab, so daß das resultierende Drehmoment niedrig
ist.
Dementsprechend kann bei dem oben beschriebenen Motor, falls
der Winkel stark variiert, wie zum Beispiel von dem Abstoßungs
bereich zu dem Anziehungsbereich, der Motor ausreichend mit ei
nem hohen Drehmoment beschleunigt werden und gute Antworteigen
schaften können dadurch erhalten werden. Falls andererseits der
Winkel nur innerhalb des Anziehungsbereiches variiert, kann das
resultierende Drehmoment niedrig sein. In diesem Fall wird je
doch kein so hohes Drehmoment benötigt und das niedrige Drehmo
ment beeinträchtigt den Steuerbetrieb nicht nachteilig. Neben
bei, der Stator weist einen magnetischen Pfad mit einer kleinen
Querschnittsfläche auf, die ausreicht, um die Fluxoidmenge in
dem Anziehungsbereich zu sättigen, aber der Stator mit den
kleinen Abmessungen, dem kleinen Volumen und dem kleinen Ge
wicht reicht aus, so daß ein leichtgewichtiger Gleichstrom-
Drehmomentmotor mit kleinen Abmessungen bereitgestellt werden
kann.
Bei diesen Typen von Gleichstrom-Drehmomentmotoren ist es zu
bevorzugen, daß die Winkel-Drehmoment-Eigenschaften in einem
Fall, in dem ein kleiner Strom angelegt wird, das Merkmal auf
weisen, daß die Eigenschaften im wesentlichen konstant über den
Arbeitswinkelbereich ungeachtet des Maßes des Winkels sind. Zum
Beispiel wird für ein Maximum eines niedrigen Stromes von unge
fähr 20% des Nennstromes, das an den Gleichstrom-
Drehmomentmotor angelegt wird, angenommen, daß ein hohes
Drehmoment nicht unbedingt erforderlich ist. In diesen Fällen
können nur, falls das Drehmoment nahezu konstante Eigenschaften
ungeachtet des Maßes des Winkels aufweist, Einstellungen wie
das Ändern von Koeffizienten für die Rückkopplungssteuerung in
Übereinstimmung mit dem Winkel weggelassen werden oder die Ein
stellungen leicht gemacht werden. Dadurch kann der Steueralgo
rithmus vereinfacht werden und der Betrieb wird daher verein
facht.
Des weiteren ist eine Treibersteuervorrichtung, die einen
Gleichstrom-Drehmomentmotor entsprechend der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet, bevorzugterweise mit dem
oben genannten Gleichstrom-Drehmomentmotor ausgerüstet und
führt eine Rückkopplungssteuerung des Gleichstrom-
Drehmomentmotors basierend auf dem oben genannten Winkel aus.
Die Treibersteuervorrichtung, die die obige Struktur entspre
chend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist,
führt die Rückkopplungssteuerung basierend auf dem Winkel unter
Verwendung des Gleichstrom-Drehmomentmotors, der die oben be
schriebenen Winkel-Drehmoment-Eigenschaften aufweist, aus. Auf
grund dessen wird, falls der Winkel der Drehwelle stark zu än
dern ist, der Motor mit einem hohen Drehmoment beschleunigt,
wodurch eine Winkelsteuerung mit gutem Antwortverhalten ermög
licht wird. Selbst falls der Winkel der Drehwelle in einem
kleinen Ausmaß zu ändern ist, kann eine stabile Winkelsteuerung
ohne das Verursachen irgendwelcher Probleme realisiert werden.
Das heißt eine stabile Steuerung mit gutem Antwortverhalten
kann realisiert werden.
Die Winkelrückkopplungssteuerung enthält nicht nur die Rüc
kopplungssteuerung durch direktes Messen des Winkels der Dreh
welle, sondern auch die indirekte Steuerung des Winkels durch
das Messen einer physikalischen Größe, die dem Winkel ent
spricht, wie der Öffnung des Ventils und durch Verwenden der
resultierenden physikalischen Größe. Eine PD-Steuerung und PID-
Steuerung basierend auf der Abweichung eines momentanen Winkels
von einem gewünschten Winkel kann als das Rückkopplungssteuer
verfahren verwendet werden. Eine robuste Steuerung, eine zu H
proportionale Steuerung und andere Steuerverfahren können eben
falls unter Berücksichtigung der Steuergenauigkeit und ähnli
chem der Treibersteuervorrichtung verwendet werden.
Die Treibersteuervorrichtung enthält, zum Beispiel, eine Trei
bersteuervorrichtung zum Steuern des Öffnens/Schließens des
Drosselventils in einer Verbrennungsmaschine. Zusätzlich können
eine Ventilantriebssteuervorrichtung zum Steuern des Öff
nens/Schließens verschiedener Ventile, eine Drehwellenwinkel
steuervorrichtung in verschiedenen Maschinen und Vorrichtungen
und ähnliches als Anwendungen in Betracht gezogen werden.
Darüber hinaus weist zum Erzielen der oben genannten Aufgabe
eine Drosselventilsteuervorrichtung entsprechend einer Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugterweise ein Dros
selventil, einen Gleichstrom-Drehmomentmotor zum öff
nen/Schließen der Drossel, wie im Vorhergehenden beschrieben
wurde, und einen Drosselöffnungssensor zum Ausgeben einer In
formation über die Öffnung des Drosselventils auf.
Die Drosselventilsteuervorrichtung, die die oben beschriebene
Struktur entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Er
findung aufweist, öffnet/schließt das Drosselventil unter Ver
wendung des Gleichstrom-Drehmomentmotors, der die oben be
schriebenen Winkel-Drehmoment-Eigenschaften aufweist, und weist
den Drosselöffnungssensor auf. Aufgrund dessen kann, falls die
Öffnung des Drosselventils stark geändert wird (zum Beispiel
von einem voll geschlossenen Zustand zu einem voll geöffneten
Zustand), die Drehbewegung des Drosselventils (der Drosselklap
pe) mit einem hohen Drehmoment an den Beginn der Drehbewegung
beschleunigt werden und gute Antworteigenschaften können da
durch durch Ausführen einer Rückkopplungssteuerung unter Ver
wendung der Ausgabe des Drosselöffnungssensors erhalten werden.
Falls andererseits die Öffnung des Drosselventils in einem
kleinen Ausmaß geändert wird, kann das entwickelte Drehmoment
niedrig sein, wobei das niedrige Drehmoment jedoch nicht den
Steuerbetrieb nachteilig beeinflußt. Derart ist es möglich, das
Drosselventil leicht und stabil dazu zu steuern, daß eine ge
wünschte Öffnung bzw. einen gewünschten Öffnungsgrad aufweist.
Nebenbei, der Gleichstrom-Drehmomentmotor kann klein und
leichtgewichtig ausgebildet werden und daher kann eine Drossel
ventilsteuervorrichtung mit kleinem Gewicht und kleiner Größe
erhalten werden.
Jedweder Drosselöffnungssensor kann ausreichen, solange er die
Öffnung detektieren kann. Zum Beispiel kann ein Sensor, der aus
einem Potentiometer und einem Drehungskodierer besteht, verwen
det werden.
Bevorzugterweise weist die oben genannte Drosselventilsteuer
vorrichtung weiter eine Rückfeder auf, die das Drosselventil in
der Ventilschließrichtung drückt, wobei die Feder bzw. deren
Federkonstante so gestaltet sind, daß der Haltespulenstrom, der
bei dem oben genannten Gleichstrom-Drehmomentmotor angelegt
wird, in dem Arbeitswinkelbereich im wesentlichen konstant un
geachtet des Maßes des Winkels ist, um ein Haltedrehmoment zum
Beibehalten der Öffnung des Drosselventils zu erhalten, während
das Drehmoment, das durch das Drehmoment der Rückfeder entwic
kelt wird, ausgeglichen wird.
Zum Beispiel ist bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor entspre
chend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Hal
testrom zum Halten des Drosselventils in seiner momentanen Po
sition konstant bei ungefähr 1A ungeachtet des Arbeitswinkels
des Drosselventils, wenn der Maximalstromwert (Nennstromwert)
des Gleichstrom-Drehmomentmotors gleich 5A ist.
Einige Drosselventilsteuervorrichtungen enthalten eine Rückfe
der zum Drücken des Drosselventils in Richtung der Ventil
schließrichtung, um so das Drosselventil automatisch zu schlie
ßen, wenn der Motor Fehlfunktionen hat oder ähnliches. Diese
Rückfeder ist so eingestellt, daß sie eine kleine Fehlerkon
stante aufweist, und daher ist das Drehmoment, das durch die
Rückfeder entwickelt wird, so eingestellt, daß es sich nicht
stark erhöht, selbst falls die Öffnung des Ventils erhöht wird.
Bei der Drosselventilsteuervorrichtung dieses Typs wird ein
Spulenstrom (oder ein Haltespulenstrom) zum Erzeugen eines Hal
tedrehmomentes, das das Drehmoment, das durch das Drücken des
Ventils durch die Rückfeder verursacht wird, ausgleicht, an den
Motor angelegt.
In dem Fall, in dem der Haltespulenstrom im wesentlichen kon
stant über den Arbeitswinkelbereich ungeachtet des Maßes des
Winkels oder im wesentlichen konstant in einem Bereich von dem
vollständig geschlossenen zustand bis zu dem vollständig geöff
neten zustand des Drosselventils ungeachtet der Öffnung des
Drosselventils ist, werden Einstellungen wie eine Änderung der
Koeffizienten zur Rückkopplungssteuerung entsprechend der öff
nung nicht benötigt oder können leicht ausgeführt werden, wäh
rend die Öffnung des Drosselventils durch Rückkopplung gesteu
ert wird. Daher wird der Steueralgorithmus vereinfacht und die
Rückkopplungssteuerung wird dadurch vereinfacht.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung
von Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die
Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine erläuternde Ansicht, die die Konfigura
tion eines Gleichstrom-Drehmomentmotors ent
sprechend der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 2 einen Graph, der die Winkel-Drehmoment-Kurve
eines Gleichstrom-Drehmomentmotors entspre
chend der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 3 einen Graph, der die Beziehung zwischen dem
magnetischen Feld, das in einem Stator er
zeugt wird, und einer Fluxoidmenge, die er
halten wird, wenn kein Strom an die Spule an
gelegt ist, zeigt, was zur Erläuterung des
Grundes dient, warum eine solche Winkel-
Drehmoment-Kurve bei einem Gleichstrom-
Drehmomentmotor entsprechend der ersten Aus
führungsform auftritt;
Fig. 4 einen Graph, der die Beziehung zwischen einem
magnetischen Feld und einer Fluxoidmenge, die
in einem Stator unter der Bedingung, daß
Strom an die Spule angelegt wird, erzeugt
wird, entsprechend des Graphen aus Fig. 3
zeigt;
Fig. 5 einen Graph, der die Beziehung zwischen einem
Anregungsstrom und einem erzeugten magneti
schen Fluß zeigt;
Fig. 6(a) eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-
Wechselstrommotors entsprechend eines Ver
gleichsbeispiels, bei dem die Querschnitts
fläche des magnetischen Weges in einem Stator
größer als diejenige eines Motors entspre
chend der ersten Ausführungsform gemacht ist;
Fig. 6(b) einen Graph, der eine Winkel-Drehmoment-Kurve
eines Gleichstrom-Drehmomentmotors entspre
chend des Vergleichsbeispiels zeigt;
Fig. 7 eine Darstellung zum Illustrieren einer Trei
bersteuervorrichtung zum Treiben einer Ma
schine entsprechend der zweiten Ausführungs
form unter Verwendung eines Gleichstrom-
Drehmomentmotors entsprechend der ersten Aus
führungsform;
Fig. 8 eine Darstellung zum Illustrieren einer Dros
selventilsteuervorrichtung zum Öff
nen/Schließen eines Drosselventils der drit
ten Ausführungsform unter Verwendung eines
Gleichstrom-Drehmomentmotors entsprechend der
ersten Ausführungsform;
Fig. 9 eine schematische Darstellung zum Illustrie
ren des Öffnens des Drosselventils im Blick
auf die Beziehung zwischen der Rückfeder 36
und der Entlastungsfeder 37;
Fig. 10 eine Darstellung, die ein Steuersystem illu
striert, bei dem eine Drosselventilsteuervor
richtung, die in Fig. 8 gezeigt ist, durch
eine Maschinensteuereinheit gesteuert wird;
und
Fig. 11 eine erläuternde Ansicht, die die Konfigura
tion eines herkömmlichen Gleichstrom-
Drehmomentmotors zeigt.
Fig. 1 ist eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration ei
nes Gleichstrom-Drehmomentmotors 10 entsprechend der ersten
Ausführungsform zeigt. Der Gleichstrom-Drehmomentmotor 10 ist
ein einpoliger Gleichstrom-Drehmomentmotor des Typs mit sich
bewegendem Magnet. Nämlich ist der Motor 10 von einer stabför
migen Gestalt um eine Welle 3 und besteht aus einer Nadel 1 und
einem im wesentlichen U-förmigen Stator 2, der aus Weicheisen
gemacht ist, wobei ein vorbestimmter Hohlraum zwischen der Na
del 1 und dem Stator 2 beibehalten wird, bei dem die Nadel 1
halbzylinderförmige Permanentmagneten 5 und 6, die fest an und
um einen Kern 4, der aus Weicheisen gemacht ist, angebracht
sind, aufweist, ein erster und ein zweiter Magnetpolabschnitt 7
und 8 an den Endabschnitten des Stators 2, einander anblickend,
angeordnet sind, und eine Spule 9 um den entfernten Abschnitt
des Stators 2 (den oberen Abschnitt in Fig. 1) gewickelt ist.
Der Stator 2 ist zusammengesetzt aus magnetischen Stahlblechen,
die übereinander gelegt sind, deren Sättigungsmagnetflußdichte
größer als 1,6 T (Tesla) ist. Fig. 1(b) zeigt den X-X-
Querschnitt, der in Fig. 1(a) angezeigt ist. Da die magneti
schen Stahlbleche übereinander gelegt bzw. einander überlagert
sind, weist der x-x-Querschnitt des Stators 2 eine rechteckige
Form auf. Die Querschnittsfläche des X-X-Querschnitts ist
gleich Acm2.
Die Permanentmagneten 5 und 6, die fest an dem Kern 4 ange
bracht sind, sind in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert.
Das heißt, der Magnet 5 weist eine Vorderoberfläche (äußere Um
fangsoberfläche) als N-Pol und eine Rückoberfläche (innere
Oberfläche) als S-Pol auf, wohingegen der Magnet 6 eine Vorde
roberfläche (äußere Umfangsoberfläche) als S-Pol und eine Rück
oberfläche (innere Oberfläche) als N-Pol aufweist. Die Perma
nentmagneten 5 und 6 und ein Spulenstrom Ic, der über die Spule
9 fließt, erzeugen magnetische Pole an dem ersten und dem zwei
ten Magnetpolabschnitt 7 und 8 des Stators 2. Die Nadel 1 wird
von den resultierenden magnetischen Polen abgestoßen und ange
zogen und um die Welle 3 um einen vorbestimmten Winkelbereich
hin- und her bewegt bzw. gedreht. In dem Motor 10 entsprechend
dieser Ausführungsform ist der Winkel θ der Hin- und Herbewe
gung (Auslenkungswinkel θ) der Nadel 1 (der Welle 3) definiert
als der Winkel der Linie C, die die Grenzfläche zwischen den
beiden Magneten 5 und 6 und die Welle 3 verbindet, bezüglich
einer Mittellinie B, die durch die Welle 3 und zwischen dem er
sten magnetischen Polabschnitt 7 und dem zweiten magnetischen
Polabschnitt 8 hindurchläuft, wobei der Winkel θ positiv in ei
ner Richtung des Pfeiles in Fig. 1 (Richtung des Uhrzeiger
sinns) ist.
Obwohl der Motor 10 bei dieser Ausführungsform, in der Theorie,
in einem Bereich von θ = O bis 180 Grad hin und her bewegbar
(auslenkbar) ist, ist er stabil um θ = 0 und 180 Grad, bei de
nen die Auslenkungsrichtung unbestimmt ist und das Drehmoment
extrem erniedrigt ist. Dieses berücksichtigend ist der Bereich
des Auslenkungswinkels θ auf 90 Grad begrenzt, d. h. θ = 45 bis
135 Grad bei dieser Ausführungsform.
Anders als der oben genannte herkömmliche Motor 100 (siehe Fig.
11) und ein Motor 110 (siehe Fig. 6(a)) entsprechend des Ver
gleichsbeispiels, das später beschrieben wird, ist zu bemerken,
daß die Arme des Stators 2 für den Motor 10 leicht dünner als
die zwei magnetischen Polabschnitte 7 und 8 ausgebildet sind.
Als ein Ergebnis wird, unter Verwendung des Stators 2 als einem
magnetischen Kreisweg, die Fluxoidmenge (Menge des magnetischen
Flusses), die durch den Stator 2 hindurch geht, leicht in einem
Teil des Stators 2, der die kleinste Querschnittsfläche A
(X-X-Querschnitt) aufweist, gesättigt.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Winkel θ des Motors 10
und dem Drehmoment T bei dieser Ausführungsform. In Fig. 2 ist
die Größe des erregten Drehmomentes T, wenn der Spulenstrom Ic
fließt, mit dem Spulenstrom Ic als Parameter angezeigt, während
die Nadel 1 (Welle 3) bei einem gewissen Winkel θ fixiert ist.
Bei dieser Ausführungsform ist der Winkel θ in der horizontalen
Achse gezeigt, das Drehmoment (Auslenkungsdrehmoment) T zu ei
nem Zeitpunkt, wenn der Motor in einer Richtung ausgelenkt
wird, in der der Winkel θ zunimmt, ist als ein positives
Drehmoment angenommen, und dasjenige zu einem Zeitpunkt, wenn
der Motor in eine Richtung ausgelenkt wird, in der der Winkel θ
abnimmt, ist als ein negatives Drehmoment angenommen. Außerdem
ist die Richtung des Spulenstromes Ic zum Erregen bzw. Erzeugen
des Auslenkungsdrehmomentes T in der positiven Richtung als po
sitive Richtung angenommen, wohingegen die Richtung des Spulen
stromes Ic zum Erregen des Auslenkungsdrehmomentes T in der ne
gativen Richtung als negative Richtung angenommen wird.
Darum entwickelt der Motor 10 bei dieser Ausführungsform ein
Auslenkungsdrehmoment T in der positiven Richtung, falls ein
positiver Spulenstrom Ic angelegt wird, und ein Auslenkungs
drehmoment T in der negativen Richtung, falls ein negativer
Spulenstrom Ic angelegt wird.
Die Winkel-Drehmoment-Eigenschaften des Motors 10, die in Fig.
2 gezeigt sind, berücksichtigend ist aus den entsprechenden
Graphen bezüglich der relativ hohen positiven Spulenströme
Ic = 2A, 3A, 4A und 5A in dem Motor 10, der als höchste Ströme
Ic = ±5A aufweist, zu erkennen, daß die Spitzen (Drehmoment
spitzen) des Auslenkungsdrehmomentes T bei diesen Strömen
Ic = 2A, 3A, 4A und 5A ungleichmäßig verteilt in einen Bereich
niedriger Winkel von θ sind (z. B., falls Ic = 5A, ist die Spit
ze in einem Bereich von ungefähr 50 bis 80 Grad). Aus den ent
sprechenden Graphen für relativ hohe (Beträge von) negative
Spulenströme Ic = -2A, -3A, -4A und -5A ist zu ersehen, daß die
negativen Spitzen (Drehmomentspitzen) des Auslenkungsdrehmomen
tes T ungleichmäßig verteilt in einen Bereich großer Winkel von
θ sind (d. h., falls Ic = -5A, ist die Drehmomentspitze in einem
Bereich von ungefähr 95 bis 130 Grad).
Im Falle von relativ niedrigen Spulenströmen Ic = 1A und -1A
sind nahezu flache Drehmomentkurven in einem Arbeitsbereich
winkel von θ = 45 bis 153 Grad gezeigt.
Die oben erwähnten Winkel-Drehmoment-Eigenschaften des Motors
10 werden als auf den folgenden qualitativen Gründen beruhend
betrachtet. Es ist zu bemerken, daß hier zur Kürze der Be
schreibung der Restfluxoidmenge (zum Beispiel aufgrund von
Restmagnetisierung) keine Berücksichtigung gegeben wird.
In einem Zustand, in dem kein Spulenstrom Ic angelegt wird, wie
er in Fig. 3 gezeigt ist, zeigt die horizontale Achse ein ma
gnetisches Feld H0, das innerhalb des Stators 2 durch die Ma
gneten 5 und 6 erzeugt wird und die vertikale Achse eine Flu
xoidmenge Φ in dem Stator 2. Die Stärke des magnetischen Feldes
H0 entspricht der Position der Nadel 1, d. h. dem Winkel θ, und
erreicht ein Maximum bei den Winkeln θ = 0 und 180 Grad, bei
denen die Pole einander entgegengesetzt sind. Wenn θ = 90 Grad,
H0 = 0. Es wird angenommen, daß die magnetischen Felder, die in
dem Stator 2 bei Winkeln θ = 0 bis 90 Grad erzeugt werden, ne
gativ sind und die Richtung des magnetischen Flusses, der in
dem Stator 2 erzeugt wird, negativ ist, wohingegen die magneti
schen Felder, die in dem Stator 2 bei Winkeln θ = 90 bis 180
Grad erzeugt werden, positiv sind und die Richtung des magneti
schen Flusses, der in dem Stator 2 erzeugt wird, positiv ist.
Dann wird, da der Stator 2 aus einem weichmagnetischen Material
(Weicheisen) ausgebildet ist, die Beziehung zwischen dem magne
tischen Feld H0 und der Fluxoidmenge Φ als eine Kurve darge
stellt, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. Es wird bemerkt, daß die
Nadel 1 des Motors 10 in einem Zustand, wie es in dem unteren
Teil von Fig. 3 gezeigt ist, bei Winkeln von 45 und 135 Grad
ist, die den magnetischen Feldern entsprechen, die durch die
gestrichelten Linien angezeigt sind. Bei dem Motor 10, der in
dem unteren Teil von Fig. 3 gezeigt ist, sind die halbzylindri
schen Magneten 5 und 6 der Nadel 1 schematisch gezeigt, um die
Magnetpole (N-Pol, S-Pol), die an der Oberfläche der Nadel 1
gesehen werden, klar zu zeigen. Derart variiert bei dem Ar
beitswinkelbereich von θ = 45 bis 145 Grad die Stärke des ma
gnetischen Feldes H0 zwischen den beiden gestrichelten Linien.
Es wird nun ein Fall betrachtet, in dem ein Spulenstrom Ic über
die Spule 9 fließt. In diesem Fall wird ein magnetisches Feld
ebenfalls durch den Spulenstrom Ic erzeugt. Fig. 4 ist dieselbe
wie der Graph, der in Fig. 3 gezeigt ist, wobei die horizontale
Achse das magnetische Feld H, das in dem Stator 2 erzeugt wird,
d. h. die Summe der magnetischen Felder der Magneten 5, 6 und
der Spule 9, anzeigt. Falls zum Beispiel die Nadel 1 bei einem
Winkel θ = 45 Grad gehalten wird, wie es unten links in Fig. 4
gezeigt ist, ist es, um den Motor 10 in einer (positiven) Rich
tung, in der der Winkel θ zunimmt, zu drehen bzw. auszulenken,
notwendig, einen Spulenstrom Ic in der positiven Richtung anzu
legen und so, wie es in dem unteren linken Teil von Fig. 4 ge
zeigt ist, ein magnetisches Feld H1, das in der Richtung dem
Magnetfeld H0, das durch den Magneten 5 und 6 erzeugt wird,
entgegengesetzt ist, zu erzeugen, um dadurch den Magnetpolab
schnitten des Stabors 2 zu ermöglichen, von den Magneten 5 und
6 zurückgestoßen zu werden. Aufgrund dessen wird die Stärke des
magnetischen Feldes H innerhalb des Stators 2 um H1 in der
Richtung nach rechts in Fig. 4 verschoben. Das bedeutet, der
Betrag der Stärke des magnetischen Feldes H innerhalb des Sta
tors 2 wird vermindert. Als ein Ergebnis variiert die Fluxoid
menge Φ innerhalb des Stators 2 um ΔΦ1 (d. h. der Betrag der
Fluxoidmenge Φ wird vermindert). Das heißt, in Fig. 4 zeigt Φ45
die verminderte Fluxoidmenge an.
Während dessen wird, wie es in dem oberen rechten Abschnitt von
Fig. 4 gezeigt ist, falls der Motor 10 in einer (positiven)
Richtung gedreht bzw. ausgelenkt wird, so daß der Winkel θ zu
nimmt, d. h. der Winkel θ ist nahe zu dem Bereich der gestri
chelten Linie von θ = 135 Grad, ein Spulenstrom Ic in derselben
(positiven) Richtung wie derjenigen, wenn das magnetische Feld
H1 erzeugt wird, angelegt und ein magnetisches Feld H2 in der
selben Richtung wird erzeugt. In diesem Fall sind jedoch, wie
es in dem unteren rechten Teil von Fig. 4 gezeigt ist, das ma
gnetische Feld H0, das durch den Magneten 5 und 6 erzeugt wird,
und das magnetische Feld H2 dieselben in der Richtung und die
Magnete 5 und 6 und die magnetischen Polabschnitte 7 und 8 des
Stators 2 ziehen einander an. Aufgrund dessen wird die Stärke
des magnetischen Feldes H innerhalb des Stators 2 um H2 in der
Richtung nach rechts in Fig. 4 verschoben. Das bedeutet, der
Betrag der Stärke des magnetischen Feldes H innerhalb des Sta
tors 2 erhöht sich. Als ein Ergebnis variiert die Fluxoidmenge
Φ innerhalb des Stators 2 um ΔΦ2 (d. h. der Betrag der Fluxoid
menge Φ steigt an). Das heißt, in Fig. 4 zeigt Φ130 die erhöhte
Fluxoidmenge an.
Es wird bemerkt, daß die Variation ΔΦ2 der Fluxoidmenge Φ in
diesem Fall kleiner als die Variation ΔΦ1 ist, wie oben erläu
tert wurde (ΔΦ1 < ΔΦ2).
Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Erregerstrom für die
Spule und dem erzeugten magnetischen Fluß des Motors 10 ent
sprechend dieser Ausführungsform. Die horizontale Achse zeigt
den Erregerstrom an und der Maximalwert ist 5A. Die senkrechte
Achse zeigt den magnetischen Fluß an. Wenn der Erregerstrom auf
5A, das Maximum, eingestellt ist, ist der magnetische Fluß
gleich 16kWb.
Der maximale magnetische Fluß des magnetischen Feldes H2, der
innerhalb des Arbeitswinkelbereiches durch die Magneten 5 und 6
erzeugt wird, ist 22kWb und die Sättigungsmagnetflußdichte B
für den Stator 2 ist 1,6 T (Tesla). Die Querschnittsfläche A
ist so bestimmt, daß sie die Bedingung erfüllt, daß das Produkt
von A und B, nämlich B*A, kleiner als 38kWb ist, was die Summe
der 16kWb, die durch den maximalen Erregerstrom von 5A erzeugt
werden und den 22kWb durch die Magneten 5 und 6 innerhalb des
Arbeitswinkelbereiches ist. In dem Motor 10 entsprechend dieser
Ausführungsform ist sie so berechnet, daß A = 2,37 cm2 ist. Da
durch werden B*A = 37,9 kWb erlangt und dieser Wert ist gleich
kleiner als 38kwb, der Summe des magnetischen Flusses aufgrund
des maximalen Erregerstroms und des magnetischen Flusses auf
grund der Magneten 5 und 6.
In dem Motor 10 bei dieser Ausführungsform ist die Quer
schnittsfläche A für den magnetischen Pfad des Stators 2 nicht
so erhöht. Aufgrund dessen wird, selbst falls die Stärke des
magnetischen Feldes H ansteigt, die Fluxoidmenge Φ, die erzeugt
wird, gesättigt und wird daher in dem letzteren Fall nicht so
erhöht. In dem ersteren Fall nimmt, im Gegensatz, der Betrag
der Stärke des magnetischen Feldes H ab, so daß die Fluxoidmen
ge Φ sich stark vermindert.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf einen Fall, in dem der
Motor 10 in einer (positiven) Richtung gedreht wird, in der der
Winkel θ zunimmt. Selbst falls der Motor 10 in einer (negati
ven) Richtung gedreht wird, in der der Winkel θ abnimmt, und
die magnetischen Felder H3 und H4 durch die Spule 9 erzeugt
werden, erfüllen die Variationen ΔΦ3 und ΔΦ4 der Fluxoidmenge Φ
die Beziehung ΔΦ3 < ΔΦ4 wie in dem obigen Fall.
Wie aus der obigen Beschreibung zu ersehen ist, falls der Motor
10 in der positiven Richtung gedreht wird und das magnetische
Feld H0, das durch die Magneten 5 und 6 erzeugt wird, negativ
ist, d. h. in der linken Hälfte des Graphen in Fig. 4 ist oder
der Winkel θ zwischen 0 und 90 Grad ist, dann ist das magneti
sche Feld H0 in einem Abstoßungsbereich, in dem ein Drehmoment
durch die Abstoßungskraft zwischen den Magneten 5 und 6 der Na
del 1 und den Magnetpolabschnitten 7 und 8 des Stators 2 ent
wickelt wird. Falls, im Falle der positiven Drehrichtung, das
magnetische Feld H0, das durch die Magneten 5 und 6 erzeugt
wird, positiv ist, d. h. der Winkel θ ist zwischen 90 und 180
Grad, ist dann das magnetische Feld H0 in einem Anziehungsbe
reich, in dem ein Drehmoment durch die Anziehungskraft zwischen
den Magneten 5 und 6 der Nadel 1 und den Magnetpolabschnitten 7
und 8 der Stators 2 entwickelt wird (siehe Fig. 2).
Falls umgekehrt der Motor in einer negativen Richtung gedreht
wird und das magnetische Feld H0, das durch die Magneten er
zeugt wird, positiv ist, d. h. das magnetische Feld H0 ist in
der rechten Halbseite des Graphen in Fig. 4 oder der Winkel θ
ist zwischen 90 und 180 Grad, dann ist das magnetische Feld in
einem Abstoßungsbereich, wie es durch das in Klammern gezeigte
Wort angezeigt ist. Ebenfalls ist, im Falle der negativen Dreh
richtung, falls das Magnetfeld H0 der Magneten negativ ist,
d. h. der Winkel θ ist zwischen 0 und 90 Grad, das Magnetfeld in
einem Anziehungsbereich, wie es durch das Wort in Klammern an
gezeigt ist.
Das Auslenkungsdrehmoment T, das in dem Gleichstrom-
Drehmomentmotor erregt wird, ist im allgemeinen proportional zu
der Variation ΔΦ der Fluxoidmenge Φ (T ∝ ΔΦ). Darum wird, wie
oben erläutert wurde, während ΔΦ1 < ΔΦ2 ist, selbst falls der
selbe Spulenstrom Ic angelegt wird, ein hohes Drehmoment in ei
nem Bereich erhalten, in dem der Winkel θ klein ist, wenn der
Motor in der positiven Richtung gedreht bzw. ausgelenkt wird,
und ein niedriges Drehmoment wird in einem Bereich erhalten, in
dem der Winkel θ groß ist. In ähnlicher Weise wird, während ΔΦ3
< ΔΦ4 ist, ein hohes Drehmoment in einem Bereich erhalten, in
dem der Winkel θ groß ist, und ein niedriges Drehmoment wird in
einem Bereich erhalten, in dem der Winkel θ klein ist, falls
der Motor in der negativen Richtung gedreht bzw. ausgelenkt
wird. Dieses entspricht dem Merkmal der Winkel-Drehmoment-
Eigenschaften des Motors (siehe Fig. 2).
Im Falle des Verwendens des Motors 10, der die oben beschriebe
nen Eigenschaften (siehe Fig. 2) aufweist, können die folgenden
Vorteile erhalten werden. Es wird angenommen, daß der Winkel θ
stark geändert wird, z. B. der Winkel θ wird von θa = 45 Grad
auf θb = 135 Grad geändert. In diesem Fall ist es, um ein gutes
Ansprechverhalten zu liefern, notwendig, den Motor an dem Be
ginn des Dreh- bzw. Auslenkungsbetriebes ausreichend zu be
schleunigen (oder eine hohe Winkelbeschleunigung an den Motor
anzulegen) . Wie aus dem Graph aus Fig. 2 zu ersehen ist, kann
der Motor 10, falls er in der positiven Richtung gedreht wird,
ausreichend beschleunigt werden, da ein hohes Drehmoment in ei
nem Bereich erhalten wird, in dem der Winkel θ klein ist, d. h.
in einem Abstoßungsbereich. Während dessen wird der Motor
leicht in einer Stopposition, in der der Winkel θb nahe an 135
Grad ist, gestoppt, da das Drehmoment, das in der Position ent
wickelt wird, klein ist. In anderen Worten, obwohl der Winkel θ
um 90 Grad von θa = 45 Grad auf θb = 135 Grad geändert wird,
weist der Motor ein gutes Ansprechverhalten auf und kann sanft
bzw. glatt gedreht (ausgelenkt) werden.
Falls demgegenüber der Winkel θ in einem kleinen Ausmaß geän
dert wird, ist die Winkeländerung klein und daher muß keine ho
he Winkelbeschleunigung an den Motor angelegt werden. Darum ist
in dem Fall, in dem der Winkel von θc = 125 Grad auf θb = 135
Grad geändert wird und der Motor in der positiven Richtung ge
dreht wird, das entwickelte Drehmoment in einem Bereich, in dem
der Winkel θ groß ist, d. h. in einem Anziehungsbereich, klein,
aber der Motor kann ohne Schwierigkeit gesteuert werden, wie es
aus dem Graph aus Fig. 2 zu ersehen ist.
Falls der Motor in der negativen Richtung gedreht wird und die
Winkelvariation groß ist, wie in dem obigen Fall, dann weist
der Motor ein gutes Ansprechverhalten auf und kann leicht bzw.
sanft gedreht werden. Falls die Winkelvariation klein ist, kann
der Motor leicht gesteuert werden.
Bei dem Motor 10 bei dieser Ausführungsform weist der Motor
insbesondere, falls die Spulenströme gleich Ic = 1A und -1A
sind, eine flache Winkel-Drehmoment-Eigenschaft derart auf, daß
das Drehmoment T ungeachtet des Winkels θ nicht geändert wird.
Das Anlegen eines niedrigen Stromes an den Motor bedeutet ur
sprünglich, daß ein hohes Drehmoment nicht benötigt wird. Darum
müssen ungleichmäßige Drehmomentspitzen (bzw. eine ungleichmä
ßige Drehmomentverteilung) nicht existieren, wie sie in einem
Fall gesehen werden, in dem ein höherer Spulenstrom Ic angelegt
wird. Vielmehr sind, da das Drehmoment T nicht durch den Winkel
θ geändert wird, Einstellungen wie eine Änderung von Steuer
koeffizienten entsprechend des Winkels nicht erforderlich, oder
solche Einstellungen können leicht gemacht werden, falls der
Motor 10 durch eine winkelbasierte Rückkopplungssteuerung ge
trieben wird. Als ein Ergebnis kann eine leichtere Steuerung
realisiert werden, z. B. der Algorithmus für die Rückkopplungs
steuerung kann vereinfacht werden.
Als ein Vergleichsbeispiel des Motors 10 zeigt Fig. 6(a) einen
Motor 110, in dem die Querschnittsfläche M2 des Magnetpfades
für einen Stator 112 größer als bei dem Motor 10 entsprechend
der ersten Ausführungsform gemacht ist. In dem Motor 110 ist
die Nadel 1 identisch zu derjenigen für den Motor 10, jedoch
ist die Querschnittsfläche M2 des Stators 112 größer als die
Querschnittsfläche A des Stators 2 für den Motor 10 gemacht
(M2<A) . Das heißt, der Stator 112 ist dicker (breiter) als der
Stator 2 für den Motor 10 gemacht, und alle Abschnitte des Sta
tors 112 inklusive der Magnetpolabschnitte 117 und 118 sind na
hezu konstant in Begriffen der Querschnittsfläche ausgebildet.
Des weiteren zeigt Fig. 6(b) die Winkel-Drehmoment-
Eigenschaften des Motors 110, die in derselben Weise wie bei
der ersten Ausführungsform gemessen sind. Es ist aus den Gra
phen aus Fig. 6(b) offensichtlich, daß bei dem Motor 110 das
Auslenkungsdrehmoment T nahezu konstant bei jedwedem Grad des
Winkels innerhalb des Arbeitswinkelbereiches von θ = 45 bis 135
Grad ungeachtet der Positionierung in einem Abstoßungsbereich
oder einem Anziehungsbereich ist. Solche Winkel-Drehmoment-
Eigenschaften (Ansprechverhalten) sind aufgrund der vergrößer
ten Querschnittsfläche M2 für den Stator 112 zu betrachten. Das
bedeutet, die Querschnittsfläche M2 ist zu groß, um die Flu
xoidmenge Φ zur Sättigung in dem Stator 112 zu bringen, selbst
falls das magnetische Feld, das durch den Spulenstrom Ic er
zeugt wird, daran angelegt wird. Darum kann ein ausreichend ho
hes Drehmoment T erhalten werden.
Der Motor 110, der solche Eigenschaften aufweist, ist als zu
dem oben beschriebenen herkömmlichen Motor entsprechend zu be
trachten. Da jedoch das Drehmoment, das durch Hinzufügen von
Spulenstrom Ic erhalten wird, nahezu konstant ungeachtet des
Maßes des Winkels θ ist, vereinfachen die Eigenschaften die
Steuerung des Motors. Jedoch ist, wie aus Fig. 5 leicht ent
nehmbar ist, bei dem Motor 110 der Stator 112, der aus Weichei
sen gemacht ist, merklich größer in seinen Abmessungen und sei
nem Volumen verglichen mit dem Motor 10 entsprechend der ersten
Ausführungsform. Daher ist außerdem sein Gewicht merklich zu
hoch. Wie daraus offensichtlich ist, kann ein leichtgewichtiger
Motor kleiner Größe realisiert werden, falls der Stator 2 klein
und leicht ausgebildet wird, wie es bei der ersten Ausführungs
form beschrieben wurde.
Als eine Ausführungsform in einer Maschine ist die zweite Aus
führungsform eine Treibersteuervorrichtung 20, die den Motor 10
verwendet, der zum Hin- und Herbewegen (Auslenken, Drehen) ei
ner Drehwelle 21 einer Maschine (ein zu treibendes Objekt) 22
dient.
Bei der Treibersteuervorrichtung 20 sind die Maschine 22 und
der Motor 10 durch die Drehwelle 21 verbunden. Des weiteren
wird der Drehwinkel der Drehwelle 21 durch, zum Beispiel, einen
Winkelsensor 23 erfaßt, der aus einem Potentiometer besteht.
Zuerst wird eine analoge Ausgabe des Winkelsensors 23 durch ei
nen A/D-Wandler 25 in einer Steuereinheit 24 in digitale Werte
umgewandelt. Dann führt ein Computer 26 eine vorbestimmte Ope
ration in Übereinstimmung mit einem Steuerverfahren wie einer
PID-Steuerung aus und berechnet Treiberbedingungen unter Be
rechnung der Abweichung des Winkels von einem Zielwinkel, der
eine separate Eingabe ist. Danach steuert eine Motortreiber
schaltung 27 den Wert des Spulenstromes Ic, der an den Motor 10
hinzuzufügen bzw. zu geben ist, der resultierenden Treiberbe
dingung folgend, und dadurch wird die Rückkopplungssteuerung
des Motors 10 ausgeführt.
Falls die Drehwelle 21 durch den Motor in einem großen Ausmaß
gedreht wird, wird die Drehwelle 21 mit einem hohem Drehmoment
an dem Beginn des Drehungsbetriebes gedreht, wodurch eine hohe
Winkelbeschleunigung erhalten werden kann. Aus diesem Grund
kann das Ansprechverhalten verbessert werden. Nebenbei, wenn
der Drehbetrieb nahe eines Endes ist, ist das erregte Drehmo
ment niedrig und die Maschine 22 kann daher sanft gestoppt wer
den. Andererseits ist, falls die Drehwelle in einem kleinen
Ausmaß gedreht wird, die Variation des Drehwinkels klein und
die Maschine muß kein schnelles Ansprechverhalten aufweisen.
Aufgrund dessen kann, selbst falls das erregte Drehmoment nied
rig ist, eine stabile Steuerung ohne das Verursachen von Pro
blemen realisiert werden. Als ein Ergebnis wird eine Treiber
steuervorrichtung 20 bereitgestellt, die ein gutes (schnelles)
Ansprechverhalten aufweist und einfach zu steuern ist. Des wei
teren ist es, wie oben beschrieben wurde, da der Stator 2 klein
in den Abmessungen und leicht im Gewicht ist, möglich, eine
leichtgewichtige Treibersteuervorrichtung 20 mit kleinen Abmes
sungen bereitzustellen.
Als nächstes wird die Beschreibung einer dritten Ausführungs
form gegeben, bei der der Motor 10 bezüglich einer Drosselven
tilsteuervorrichtung 30 zum Öffnen und Schließen eines Drossel
ventils durch den Motor 10 verwendet wird. Bei der Drosselven
tilsteuervorrichtung 30, die in Fig. 8 gezeigt ist, ist ein
Drosselventil 33 vom Drehklappentyp (Butterfly-Valve) auf einer
Drosselklappenwelle 31, die durch ein Einlaßrohr 32 in der
Durchmesserrichtung hindurchgeht, ausgebildet. Die Drosselklap
penwelle 31 wird um ungefähr 90 Grad von einem vollständig ge
schlossenen Zustand in einen vollständig geöffneten Zustand
durch den Gleichstrom-Drehmomentmotor 10 und zurück hin und her
bewegt. Des weiteren ist der Drehwinkel θ, das heißt der Öff
nungswinkel der Drosselklappenwelle 31 so gestaltet, daß er
durch, zum Beispiel, einen Drosselöffnungssensor 34, der aus
einem Potentiometer besteht, erfaßt wird. Die Drosselklappen
welle 31 wird in der Ventilschließrichtung (in der Richtung
nach unten in Fig. 8) durch eine Rückfeder 36 über einen Hebel
35, der in Fig. 8 L-förmig ist, gedrückt.
Falls die Leistung des Motors 10 abgeschaltet wird oder der Mo
tor 10 eine Fehlfunktion hat, wird die Drosselklappenwelle 31
in Richtung der Ventilschließrichtung (in der Richtung nach un
ten in Fig. 8) verschoben bzw. gedreht. Falls die Welle 31 sich
einem vollständig geschlossenen Zustand nähert, stößt der Hebel
35 gegen einen Vollschließstopper 38, um zu verhindern, daß die
Drosselklappenwelle 31 durch die Rückfeder 36 (weiter) gedreht
wird. In diesem Zustand wird die Drosselklappenwelle 31 in
Richtung der Ventilöffnungsrichtung (in der Richtung nach oben
in Fig. 8) durch eine Entlastungsfeder 37 gedrückt und das
Drosselklappenventil 33 wird daher, verglichen mit einem voll
ständig geschlossenen zustand, leicht geöffnet gehalten.
Da die Rückfeder 36 das Drosselklappenventil 33 automatisch
schließt, wenn die Leistung des Motors 10 abgeschaltet wird
oder der Motor 10 eine Fehlfunktion hat, zwingt es bzw. drückt
es das Drosselklappenventil (bzw. die Drosselklappe) 33 in der
Ventilschließrichtung. Die Rückfeder 36 ist, zum Beispiel, aus
einer Schraubenfeder mit vielen Windungen gemacht und so einge
stellt, daß sie eine kleine Federkonstante aufweist. Aufgrund
dessen steigt das Drehmoment (Rückstellungsdrehmoment) Tb in
der Ventilschließrichtung, das durch die Rückfeder 36 erregt
bzw. erzeugt wird, nicht stark an, selbst falls die Öffnung des
Drosselklappenventils 33 ansteigt. In anderen Worten, das Rück
stellungsdrehmoment Tb ist so eingestellt, daß es im wesentli
chen konstant ungeachtet der Öffnung des Ventils 33 ist. zu
sätzlich verhindert die Entlastungsfeder 37, daß das Drossel
klappenventil 33 vollständig geschlossen ist, nachdem es durch
die Rückfeder 36 zurückgedrückt worden ist, wenn die Leistung
des Motors 10 abgestellt worden ist, oder der Motor 10 eine
Fehlfunktion hat, und es hält das Drosselklappenventil 33
leicht geöffnet. Das heißt, die Entlastungsfeder 37 ist dazu
gestaltet, die Drosselklappenwelle 31 in der Ventilöffnungs
richtung zu zwingen bzw. zu drehen.
In Fig. 8 wird das Drosselklappenventil (bzw. die Drosselklap
pe) 33 nach oben geöffnet, wie es durch einen Pfeil angezeigt
ist, um die Funktionen der Entlastungsfeder 37 und der Rückfe
der 36 zu zeigen. Wie leicht zu verstehen ist, werden jedoch
das Drosselklappenventil (bzw. die Drosselklappe) 33 und die
Drosselklappenwelle 31 tatsächlich um die Welle hin und her be
wegt bzw. gedreht und die Rückfeder 36 und die Entlastungsfeder
37 drücken und schwingen bzw. drehen die Drosselklappenwelle 31
um die Wellenachse.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung zum Illustrieren der
Öffnung des Drosselklappenventils angesichts der Beziehung zwi
schen der Rückfeder 36 und der Entlastungsfeder 37. Th1 zeigt
das maximale Schließdrehmoment, inklusive des Drehmomentes
durch die Rückfeder 36 und die durch Reibung verursachte Dis
persion an. Th2 zeigt das maximale Öffnungsdrehmoment, inklusi
ve des Drehmomentes durch die Entlastungsfeder 37 und die durch
Reibung verursachte Dispersion an.
Haltedrehmoment für den Motor 10 ist Th1 = 1,5 kg cm als
das Maximum. Falls das maximale Haltedrehmoment in einem Be
reich enthalten ist, in dem flache Drehmomenteigenschaften er
halten werden können, wenn ein konstanter Strom an den Gleich
strom-Drehmomentmotor angelegt wird, kann eine Steuerung mit
einem linearen Stromwert ein Drehmoment erzeugen, das das Hal
tedrehmoment durch die Rückfeder 36 übersteigt, wodurch eine
lineare Steuerung des Drosselklappenventils 33 realisiert wer
den kann. Als ein Ergebnis kann eine Rückkopplungssteuerung in
klusive des Steueralgorithmuses und ähnlichem leichter gemacht
werden.
Bei dieser Ausführungsform entspricht der Auslenkungswinkel θ
des Motors 10 einfach demjenigen der Drosselklappenwelle 31. In
anderen Worten, die Drosselklappenwelle 31 wird erhalten durch
Verlängern des Kerns 4 (siehe Fig. 1) des Motors 10 in einer
axialen Richtung (in einer Richtung senkrecht zu dem Blatt der
Fig. 1) . Bei dieser Ausführungsform ist daher der Motor 10 bei
dem Auslenkungswinkel θ = 45 Grad dem Zustand des Drosselklap
penventils 33 in einem vollständig geschlossenen Zustand ent
sprechend gemacht, und der Motor 10 bei dem Auslenkungswinkel
θ = 135 Grad entspricht dem Drosselklappenventil 33 in einem
vollständig geöffneten Zustand. Dadurch wird das Drosselklap
penventil 33 von einem vollständig geöffneten Zustand in einen
vollständig geschlossenen Zustand (und umgekehrt) durch den
Auslenkungswinkel von 90 Grad gebracht. Daher entsprechen in
den Graphen, die in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind, die gestri
chelten Linien, die den Winkel von θ = 45 Grad und den Winkel
θ = 135 Grad anzeigen, dem vollständig geschlossen bzw. dem
vollständig geöffneten Drosselklappenventil 33, wie es durch
die Worte in den Klammern angezeigt ist.
Dementsprechend entspricht die positive Richtung des Auslen
kungswinkels (Drehwinkels) θ des Motors 10 der Öffnungsrichtung
(Öffnungsseite) des Drosselklappenventils 33, wohingegen die
negative Richtung des Auslenkungswinkels θ desselben der
Schließrichtung (Schließseite) des Ventils 33 entspricht. Au
ßerdem zeigt die Seite, auf der der Winkel θ klein ist, das
Drosselklappenventil 33 in dem geschlossenen bzw. fast ge
schlossenen Zustand, wohingegen die Seite, auf der der Winkel θ
groß ist, das Drosselklappenventil 33 in einem (mehr oder min
der stark) geöffneten Zustand zeigt.
Fig. 10 zeigt einen Zustand, in dem die Drosselventilsteuervor
richtung 30 verbunden ist mit und gesteuert wird durch eine Ma
schinensteuereinheit (im folgenden Bezeichnet als "ECU") 41.
Die Gesamtvorrichtung dient als ein Drosselventilsteuersystem
40, das der Treibersteuervorrichtung 20 in der zweiten Ausfüh
rungsform entspricht.
Bei der Drosselventilsteuervorrichtung 30, die die obige Struk
tur aufweist, wird die Ausgabe des Drosselöffnungssensors 34 in
die ECU 41 eingegeben. In Fig. 10 sind die Rückfeder 36 und
ähnliches nicht gezeigt und die Drosselventilsteuervorrichtung
30 ist vereinfacht gezeigt. In der ECU 41 wird die analoge Aus
gabe des Drosselöffnungssensor 34 in ein digitalisiertes Dros
selöffnungssignal Sig1 durch einen A/D-Wandler 42 gewandelt.
Zusätzlich wird die analoge Ausgabe eines Beschleunigungssen
sors 46, der aus einem Potentiometer besteht, zum Erfassen des
Ausmaßes der Betätigung eines Beschleunigers (nicht gezeigt,
wie eines Gaspedals eines Fahrzeugs), der durch einen Fahrer
bestätigt wird, in ein digitalisiertes Anforderungsöffnungs
signal Sig2 durch einen zweiten A/D-Wandler 45 gewandelt. Unter
Verwendung der Abweichung des Drosselöffnungssignals Sig1 von
dem Anforderungsöffnungssignal Sig2 oder ähnlichem führt ein
Computer 43 einen vorbestimmten Betrieb in Übereinstimmung mit
einem Steuerverfahren, wie einer PID-Steuerung, aus und berech
net Fahrbedingungen. Unter Verwendung der resultierenden Fahr
bedingungen steuert eine Motortreiberschaltung 44 den Wert des
Spulenstromes Ic für den Motor 10, wodurch eine Rückkopplungs
steuerung für die Drosselventilsteuervorrichtung 30 (oder den
Motor 10) ausgeführt wird.
Der Motor 10 weist Winkel-Drehmoment-Eigenschaften (siehe Fig.
2) auf, wie sie oben beschrieben wurden. Aufgrund dessen wer
den, falls die Welle 3 oder die Drosselklappenwelle 31 in einem
großen Ausmaß gedreht werden, die Drosselklappenwelle 31 und
das Drosselklappenventil 33 mit hohem Drehmoment an dem Beginn
des Drehbetriebs gedreht bzw. ausgelenkt, wodurch eine hohe
Winkelbeschleunigung erhalten werden kann und wird. Aus diesem
Grund ist es, falls, zum Beispiel, die Öffnung des Drosselklap
penventils 33 von einem ungefähr vollständig geschlossenen Zu
stand (θ ist nahe 45 Grad) zu einem ungefähr vollständig geöff
neten Zustand (θ ist nahe 135 Grad) oder von einem nahezu voll
ständig geöffneten Zustand zu einem nahezu vollständig ge
schlossenen Zustand geändert wird, möglich, die Antworteigen
schaften (das Ansprechverhalten) des Drosselklappenventils 33
zu verbessern. Nebenbei ist, wenn der Drehbetrieb nahe seines
Endes ist, das erzeugte Drehmoment niedrig und das Drosselklap
penventil 33 kann daher sanft gestoppt werden. Falls anderer
seits die Drosselklappenwelle 31 in einem kleinen Ausmaß ge
dreht wird, ist die Variation des Auslenkungswinkels θ klein
und das Drosselklappenventil 33 muß keine hohen Antworteigen
schaften aufweisen. Aufgrund dessen kann, selbst falls (oder
gerade weil genau dort) das erregte Drehmoment niedrig ist, ei
ne stabile Kontrolle ohne das Verursachen irgendwelcher Proble
me realisiert werden. Des weiteren kann, wie oben beschrieben
worden ist, da der Stator 2 klein in den Abmessungen und
leichtgewichtig ist, ein Leichtgewichtsmotor 10 mit kleinen Ab
messungen bereitgestellt werden, wodurch es möglich gemacht
leichtgewichtige Drosselventilsteuervorrichtung 30
mit kleinen Abmessungen bereitzustellen. Als ein Ergebnis ist
es möglich, eine leichtgewichtige Drosselventilsteuervorrich
tung 30 mit kleinen Abmessungen, die ein gutes Antwortverhalten
aufweist und zum stabilen Steuern eines Drosselklappenventils
in der Lage ist, zu liefern.
Bei der Drosselventilsteuervorrichtung 30 dieser Ausführungs
form wird die Drosselklappenwelle 31 in einem normalen Be
triebszustand in Richtung der Ventilschließrichtung durch die
Rückfeder 36 gedrückt, wie bereits oben ausgeführt wurde. Der
art muß, falls das Drosselklappenventil 33 in einem gewissen
Öffnungszustand zu halten ist, d. h. der Drehwinkel θ des Motors
10 auf einem gewissen Winkel θh zu halten ist, eine Haltespu
lenstrom Ich an den Motor 10 in positiver Richtung angelegt
werden, um dadurch das Haltedrehmoment Th in der Ventilöff
nungsrichtung zu erregen, um so das Rückstelldrehmoment Tb, das
durch den Druck auf die Welle 31 durch die Rückfeder 36 verur
sacht wird, zu treffen bzw. auszugleichen.
Es wird bemerkt, daß die Rückfeder 36 so eingestellt ist, daß
sie eine kleine Federkonstante aufweist, wie oben beschrieben
worden ist, so daß das Rückstelldrehmoment Tb weniger stark an
steigt, selbst falls die Öffnung des Drosselklappenventils 33
ansteigt. Falls die Rückfeder 36 eine große Federkonstante auf
weist und das Rückstelldrehmoment Tb stark variiert (ansteigt)
mit dem Ansteigen der Öffnung des Drosselklappenventils 33,
werden ein hohes Drehmoment und daher ein hoher Spulenstrom zum
Drehen des Drosselklappenventils 33 in einen voll geöffneten
Zustand gegen das Rückstelldrehmoment Tb benötigt. Zusätzlich
muß, da ein hohes Haltedrehmoment Th, das das hohe Rück
stelldrehmoment Tb trifft bzw. ausgleicht, entwickelt werden
muß, das Ventil 33 in dem voll geöffneten Zustand zu halten,
ein hoher Haltespulenstrom Ich fließen. Als ein Ergebnis steigt
der verbrauchte Strom (Spulenstrom) verschwenderischerweise an.
Wie es in dem Graph aus Fig. 2, in dem die Winkel-Drehmoment-
Eigenschaften gezeigt sind, dargestellt wird, ist das oben er
wähnt Rückstelldrehmoment Tb so wie durch die entsprechende
durchgezogene Linie dargestellt. Da das Rückstelldrehmoment Tb
in der Ventilschließrichtung liegt, ist es als ein negatives
Auslenkungsdrehmoment ausgedrückt bzw. dargestellt. Das Halte
drehmoment Th, das durch den Motor 10 zum Halten der Öffnung
des Drosselklappenventils 33 beim Ausgleichen des Rück
stelldrehmomentes Tb zu entwickeln ist, ist ein positives
Drehmoment, das symmetrisch bezüglich des Rückstelldrehmomentes
Tb um die horizontale Achse des Graphen ist, wie es durch eine
strichpunktierte Linie dargestellt ist.
Falls die Winkel-Drehmoment-Eigenschaften im Falle eines Spu
lenstromes Ic = 1A betrachtet werden, ist das Drehmoment nahezu
konstant in dem Arbeitswinkelbereich von θ von 45 bis 135 Grad
ungeachtet des Winkels, verglichen mit einem Fall, in dem
Drehmomentspitzen in dem Winkelbereich mit kleinem θ gesehen
werden, falls ein Spulenstrom Ic gleich 2A oder größer ist. In
Fig. 2 ist das Haltedrehmoment Th durch eine strichpunktierte
Linie in einer Position gezeigt, die benachbart zu dem Graph
der Winkel-Drehmoment-Kennlinie bei einem Spulenstrom Ic = 1A
ist. Derart ist es klar, daß der Haltespulenstrom Ich zum Ver
ursachen des Haltedrehmoments Th nahezu konstant bei 1A oder
weniger ungeachtet des Winkels θ ist. Als ein Ergebnis gibt es,
falls der Motor 10 unter Verwendung der Ausgabe des Drosselöff
nungssensors 34 zum Halten der Öffnung des Drosselklappenven
tils 33 auf einem gewissen Maß rückkopplungsgesteuert wird,
keine Notwendigkeit Einstellungen wie eine Änderung von Koeffi
zienten zur Verwendung bei dem Rückkopplungssteuerbetrieb durch
den Computer 43, in Übereinstimmung mit der Änderung der Öff
nung, zu machen, wodurch die Rückkopplungssteuerung leichter
gemacht wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind Beispiele und be
grenzen die Erfindung in keiner Weise. Dementsprechend kann die
vorliegende Erfindung in verschiedenen Weisen innerhalb des Um
fangs verbessert und geändert werden, ohne daß von dem Gegen
stand derselben abgewichen wird.
Zum Beispiel ist, obwohl der Arbeitswinkelbereich des Motors 10
entsprechend der ersten Ausführungsform auf θ = 45 bis 135 Grad
eingestellt ist, der Arbeitswinkelbereich nicht auf den oben
erwähnten Einstellungsbereich begrenzt. Der Arbeitswinkelbe
reich eines Drehmomentmotors kann in geeigneter Weise entspre
chend des geforderten Winkelbereichs für den Motor eingestellt
werden. Darüber hinaus kann, obwohl ein Gleichstrom-
Drehmomentmotor vom einpoligen Typ in den Ausführungsformen ge
zeigt worden ist, ein Gleichstrom-Drehmomentmotor eines mehrpo
ligen Typs verwendet werden.
Des weiteren kann, obwohl die dritte Ausführungsform die Dros
selventilsteuervorrichtung 30 zum Steuern des Antriebs eines
Drosselklappenventils 33 beschreibt, die vorliegende Erfindung
auf eine Treibersteuervorrichtung zum Steuern des Antriebs ei
nes anderen Typs von Ventil ebenso wie als Treibersteuervor
richtung zum Steuern von anderen Typen von Maschinen verwendet
werden.
Weiterhin können, obwohl ein Kern 4 und eine Drosselklappenwel
le 31 als gemeinsame Teile bei der Drosselventilsteuervorrich
tung 30 entsprechend der dritten Ausführungsform verwendet wor
den sind, diese Teile durch unterschiedliche Teile ersetzt wer
den, so daß die Hin- und Herbewegung des Kerns 4 durch ein
Zahnrad, ein Getriebe, einen Synchronriemen oder ähnliches
übertragen werden können.
Claims (8)
1. Gleichstrom-Drehmomentmotor, der innerhalb eines vorbe
stimmten Arbeitswinkelbereiches hin und her bewegt wird, da
durch gekennzeichnet,
wobei angenommen wird, daß Strom, Winkel und Drehmoment die folgende Beziehung erfüllen, daß,
falls Strom in einer positiven Richtung angelegt wird, die Richtung des Winkels, in der der Gleichstrom-Drehmomentmotor gedreht wird, positiv ist und die Richtung des Drehmomentes, das in diesem Moment entwickelt wird, positiv ist, und,
falls Strom in einer negativen Richtung angelegt wird, die Richtung des Winkels, in der der Gleichstrom-Drehmomentmotor gedreht wird, negativ ist und die Richtung des Drehmoments, das in diesem Moment entwickelt wird, negativ ist,
daß der Gleichstrom-Drehmomentmotor die folgenden Winkel- Drehmoment-Eigenschaften aufweist:
Positionen von Drehmomentspitzen in dem Drehmoment in der posi tiven Richtung, das durch einen konstanten Strom in der positi ven Richtung entwickelt wird, breiten sich in einem Bereich kleiner Winkel in dem Arbeitswinkelbereich aus, und
Positionen von Drehmomentspitzen in dem Drehmoment in der nega tiven Richtung, das durch einen konstanten Strom in der negati ven Richtung entwickelt wird, breiten sich in einem Bereich großer Winkel in dem Arbeitswinkelbereich aus.
wobei angenommen wird, daß Strom, Winkel und Drehmoment die folgende Beziehung erfüllen, daß,
falls Strom in einer positiven Richtung angelegt wird, die Richtung des Winkels, in der der Gleichstrom-Drehmomentmotor gedreht wird, positiv ist und die Richtung des Drehmomentes, das in diesem Moment entwickelt wird, positiv ist, und,
falls Strom in einer negativen Richtung angelegt wird, die Richtung des Winkels, in der der Gleichstrom-Drehmomentmotor gedreht wird, negativ ist und die Richtung des Drehmoments, das in diesem Moment entwickelt wird, negativ ist,
daß der Gleichstrom-Drehmomentmotor die folgenden Winkel- Drehmoment-Eigenschaften aufweist:
Positionen von Drehmomentspitzen in dem Drehmoment in der posi tiven Richtung, das durch einen konstanten Strom in der positi ven Richtung entwickelt wird, breiten sich in einem Bereich kleiner Winkel in dem Arbeitswinkelbereich aus, und
Positionen von Drehmomentspitzen in dem Drehmoment in der nega tiven Richtung, das durch einen konstanten Strom in der negati ven Richtung entwickelt wird, breiten sich in einem Bereich großer Winkel in dem Arbeitswinkelbereich aus.
2. Gleichstrom-Drehmomentmotor, der einen Stator (2) mit ei
ner darum gewickelten Spule (9) und eine Nadel (1) mit Perma
nentmagneten (5, 6) aufweist, wobei die Nadel innerhalb eines
vorbestimmten Arbeitswinkelbereiches hin und her bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein magnetischer Weg in dem Stator ausgebildet ist, und
daß die Fluxoidmenge, die die Permanentmagneten und der in der Spule fließende Strom in dem Stator erzeugen, nicht gesättigt wird, während der Arbeitswinkel der Nadel in einem Abstoßungs bereich, in dem die Nadel den Stator abstößt, ist, und gesät tigt wird, während der Arbeitswinkel der Nadel in einem Anzie hungsbereich ist, in dem die Nadel von dem Stator angezogen wird.
daß ein magnetischer Weg in dem Stator ausgebildet ist, und
daß die Fluxoidmenge, die die Permanentmagneten und der in der Spule fließende Strom in dem Stator erzeugen, nicht gesättigt wird, während der Arbeitswinkel der Nadel in einem Abstoßungs bereich, in dem die Nadel den Stator abstößt, ist, und gesät tigt wird, während der Arbeitswinkel der Nadel in einem Anzie hungsbereich ist, in dem die Nadel von dem Stator angezogen wird.
3. Gleichstrom-Drehmomentmotor nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet,
daß eine Fluxoidmenge, die durch das Produkt aus der minimalen
Querschnittsfläche des Stators und der Sättigungsmagnetfluß
dichte des Stators gewonnen wird, kleiner als eine Fluxoidmenge
ist, die durch die Summe der maximalen Fluxoidmenge, die der in
der Spule fließende Strom erzeugt, und der maximalen permanen
ten Fluxoidmenge, die die Permanentmagneten innerhalb des Ar
beitswinkelbereiches erzeugen, gewonnen wird.
4. Gleichstrom-Drehmomentmotor nach Anspruch 2 oder 3, da
durch gekennzeichnet,
daß der Stator (2) aus übereinander gelegten magnetischen
Stahlblechen zusammengesetzt ist, derren Sättigungsmagnetfluß
dichte größer als 1,6 Tesla ist.
5. Treibersteuervorrichtung, die einen Gleichstrom-
Drehmomentmotor verwendet, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung mit einem Gleichstrom-Drehmomentmotor nach
einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist und eine Rückkopp
lungssteuerung des Gleichstrom-Drehmomentmotors basierend auf
dem Arbeitswinkel ausführt.
6. Drosselventilsteuervorrichtung, gekennzeichnet durch
ein Drosselklappenventil (33),
einen Gleichstrom-Drehmomentmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichstrom-Drehmomentmotor das Drosselklap penventil öffnet/schließt, und
einen Drosselöffnungssensor (34) zum Ausgeben einer Information über die Öffnung des Drosselklappenventils.
einen Gleichstrom-Drehmomentmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichstrom-Drehmomentmotor das Drosselklap penventil öffnet/schließt, und
einen Drosselöffnungssensor (34) zum Ausgeben einer Information über die Öffnung des Drosselklappenventils.
7. Drosselventilsteuervorrichtung nach Anspruch 6, die weiter
eine Rückfeder (36) zum Drücken des Drosselklappenventils (33)
in Richtung einer Ventilschließrichtung aufweist,
wobei der Haltespulenstrom, der an dem Gleichstrom-
Drehmomentmotor (10) angelegt wird, in dem Arbeitswinkelbereich
im wesentlichen konstant ungeachtet des Maßes des Winkels ist,
um so ein Haltedrehmoment zum Halten der Öffnung des Drossel
klappenventils (33) zu erhalten, wobei es dem Drehmoment, das
durch das Rückfederdrehmoment entwickelt wird, angeglichen ist.
8. Drosselventilsteuervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, da
durch gekennzeichnet,
daß der maximale Drehmomentwert, den die Rückfeder (36) inner
halb des Arbeitswinkelbereiches erzeugt, in einem Bereich des
Arbeitswinkelbereiches enthalten ist, in dem die Drehmomentei
genschaften so sind, daß das bei einem konstanten Strom entwic
kelte Drehmoment nahezu flach ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20110729 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20131203 |