DE19922622B4

DE19922622B4 - Gleichstrom-Drehmomentmotor sowie Treibersteuervorrichtung und Drosselventilsteuervorrichtung, die einen Gleichstrom-Drehmomentmotor verwenden

Info

Publication number: DE19922622B4
Application number: DE19922622A
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Nagoya Ito; Katsuhiro Chiryu Asami
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 1998-05-18
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2019-05-18
Also published as: US6153952A; JP2000041372A; DE19922622A1; JP3665710B2; US6320285B1

Abstract

Gleichstrom-Drehmomentmotor, mit einem U-förmigen Stator (2) und einem zylindrischen Rotor (1), der innerhalb eines vorbestimmten Arbeitswinkelbereiches hin und her bewegbar ist, wobei
– der U-förmige Stator (2) an seinen beiden Endabschnitten jeweils einen ersten (7) und einen zweiten (8) Magnetpolabschnitt aufweist und eine Spule (9) um einen von den Endabschnitten entfernten Abschnitt des Stators (2) gewickelt ist,
– die Magnetpolabschnitte (7, 8) einander zugewandt sind und der Rotor (1), der Permanentmagnete (5, 6) aufweist, unter Bildung eines Luftspalts innerhalb des von den Magnetpolabschnitten (7, 8) begrenzten Raumes angeordnet ist, wobei die Permanentmagnete (5, 6) des Rotors (1) zwei Pole (N, S) zum Luftspalt hin ausbilden,
– der entfernte Abschnitt und die beiden Magnetpolabschnitte (7, 8) des Stators (2) einen Pfad für den magnetischen Fluss, den die Spule (9) und die Permanentmagnete (5, 6) des Rotors (1) in dem Stator (2) erzeugen, mit einer Querschnittsfläche bilden, und wobei...

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 Drosselventilsteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor.
Herkömmlicherweise ist ein Drehmomentmotor bekannt, der innerhalb eines vorbestimmten Arbeitswinkelbereichs hin und her bewegt bzw. in angesteuerter Weise gedreht wird. Zum Beispiel offenbart die JP 6-6964 A , wie es in 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 Weicheisenkern 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 11) gewickelt ist.
Bei dem oben spezifizierten Gleichstrom-Drehmomentmotor und ähnlichen Motoren ist das Drehmoment so gestaltet, daß es nahezu konstant ungeachtet des Winkels innerhalb eines vorbestimmten 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 innerhalb 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 Rotationspositionen für den Rotor in der Lage ist.
Jedoch muß die Querschnittsfläche des Stators 102 (Querschnittsfläche des magnetischen Pfades) groß sein, um solche Eigenschaften zu erzielen. Der Stator 102 wird beeinflußt durch magnetische Felder der Permanentmagneten 105, 106, die an dem Rotor 101 fest angebracht sind, und ein magnetisches Feld, das durch den in der Spule 112 fließenden Strom erzeugt wird. Jedoch können die oben genannten magnetischen Felder manchmal miteinander übereinstimmen, was von dem Winkel α des Rotors 101 abhängt. Unter einer solchen Bedingung wird, da der Stator 102 aus weichmagnetischem Material wie Weicheisen ausgebildet ist, wenn die magnetische Flussmenge bzw. die Fluxoidmenge, das heißt die Größe des magnetischen Flusses durch eine bestimmte Fläche, einmal gesättigt ist, die magnetische Flussmenge nicht stark ansteigen, selbst falls ein Strom in der Spule fließt. Als ein Ergebnis wird das Drehmoment niedrig im Vergleich zu einer Variation der magnetischen Flussmenge. Darum muß die Querschnittsfläche des magnetischen Weges groß gemacht werden, um eine Sättigung der magnetischen Flussmenge zu vermeiden.
Da die Querschnittsfläche des magnetischen Weges für den Stator 102 vergrößert ist, steigen jedoch die Abmessungen, das Volumen, 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 gutes Ansprechverhalten zu erhalten. Jedoch wird ein großes Drehmoment nicht nahe dem Ende der Auslenkungsbewegung benötigt. Des weiteren wird für den Gleichstrom-Drehmomentmotor, der über einen kleinen Winkel zu drehen bzw. auszulenken ist, kein hohes Drehmoment benötigt.
Aus der US 4,816,707 A ist ein Drehmomentmotor bekannt, der eine Rotoranordnung und eine Statoranordnung aufweist. Die Rotoranordnung weist eine Rotorwelle auf, an der ein Nordpol und ein Südpol einander diametral gegenüber liegend angeordnet sind. Die Statoranordnung weist mindestens ein Paar von Statorpolen auf, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und um die mindestens eine Statorspule in Umfangsrichtung gewickelt ist, wobei die Achse der mindestens einen Statorspule im Wesentlichen parallel zu der Achse des Rotors ist.
In der US 4,528,533 A ist ein Stellantrieb beschrieben, der eine Rotoranordnung und eine Statoranordnung aufweist. Ferner ist in der DE 42 15 011 A1 ein elektromagnetischer Verstellantrieb mit einer Rotoranordnung und einer Statoranordnung beschrieben.
Die US 5,016,588 A beschreibt ein Drosselklappensteuerungssystem mit einer Drosselklappe, die von einem Drehmomentmotor angetrieben wird. Ein Drosselklappenpositionswandler stellt die momentane Drosselklappenposition fest, und gibt diese an einen Differenzverstärker weiter.
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.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es wird ein Gleichstrom-Drehmomentmotor des Typs mit bewegtem Magnet beschrieben, der in einem vorbestimmten Arbeitswinkelbereich hin und her bewegt wird, 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 Winkels, 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 Winkels, in der der Gleichstrom-Drehmomentmotor gedreht wird, negativ ist und die Richtung des in diesem Moment entwickelten Drehmoments negativ ist, erfüllen, daß der Motor die folgenden Winkel-Drehmoment-Eigenschaften, daß Positionen von Drehmomentspitzen 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 Arbeitswinkelbereich ausbreiten und daß Positionen von Drehmomentspitzen 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) Richtung, 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 Arbeitswinkelbereiches zu der oberen Grenze desselben gedreht wird, breiten 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 kleinen Winkel, d. h. an dem Beginn des Motorbetriebes, ein hohes Drehmoment erhalten werden und der Motor kann prompt beschleunigt 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 bewegt bzw. gedreht werden.
Währenddessen ist, falls der Motor nur über einen kleinen Winkel zu bewegen ist, die Winkelvariation klein und die Antwortgeschwindigkeit hat keinen so starken Einfluß. Dementsprechend wird kein hohes Drehmoment benötigt. Darum wird, falls der Motor von einem großen Winkel θ3 zu einem leicht größeren Winkel θ4 (θ3 < θ4) zu drehen bzw. auszulenken ist, wobei die Momentspitzen 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) Richtung, in der sich der Winkel vermindert, zu bewegen ist, betrachtet.
In diesem Fall, falls der Motor über einen großen Winkel bewegt bzw. ausgelenkt wird, d. h., falls der Motor von einem großen Winkel θ5 zu einem kleinen Winkel θ6 (θ5 >> θ6) bewegt wird wie in dem Fall, in dem der Motor von der oberen Grenze des Arbeitswinkelbereiches zu der unteren Grenze desselben bewegt wird, breiten sich die Drehmomentspitzen in einem Bereich großer Winkel aus, d. h. ungleichmäßig, wenn der gesamte Arbeitswinkelbereich 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 abnimmt, 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 Antwortgeschwindigkeit 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, beeinflussen die Positionen der Drehmomentspitzen, die sich in dem Bereich 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 ausreichend 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.
Ferner weist ein Gleichstrom-Drehmomentmotor einen Stator mit einer darum gewickelten Spule und einen Permanentmagnete enthaltenden Rotor auf, wobei der Rotor in einem vorbestimmten Arbeitswinkelbereich hin und her bewegt wird, wobei bevorzugterweise ein magnetischer Pfad innerhalb des Stators ausgebildet ist und die magnetische Flussmenge (die Größe eines innerhalb einer bestimmten Fläche erzeugten magnetischen Flusses), die die Permanentmagnete und der in der Spule fließende Strom innerhalb des Stators erzeugen, nicht gesättigt wird, während der Arbeitswinkel des Rotors in einem Abstoßungsbereich, in dem der Rotor den Stator abstößt, ist, und gesättigt wird, während der Arbeitswinkel des Rotors in einem Anziehungsbereich, in dem der Rotor durch den Stator angezogen wird, ist.
Des weiteren ist es bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bevorzugen, daß eine magnetische Flussmenge, die durch das Produkt aus der minimalen Querschnittsfläche des Stators und der Sättigungsmagnetflußdichte des Stators gewonnen wird, kleiner als eine magnetische Flussmenge ist, die durch die Summe der maximalen magnetischen Flussmenge, die der in der Spule fließende Strom erzeugt, und der maximalen permanenten magnetischen Flussmenge, die die Permanentmagneten innerhalb des Arbeitswinkelbereiches erzeugen, gewonnen wird.
Weiterhin ist es bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bevorzugen, daß der Stator aus magnetischen Stahlblechen, die übereinander angeordnet sind, zusammengesetzt ist, deren Sättigungsmagnetflußdichte 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 magnetischen Flussmenge 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 H0, das in dem Stator durch die Magneten erzeugt wird (T ∝ Δϕ). Außerdem ist bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor der Arbeitswinkelbereich in einen Abstoßungsbereich, in dem das Drehmoment hauptsächlich durch eine Abstoßungskraft 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 Rotationswinkelbereich des Rotors, in dem der Rotor, die Magneten enthält, durch die Abstoßungskraft des Stators stärker als durch die Anziehungskraft desselben beeinflußt wird. Andererseits bedeutet der Anziehungsbereich einen Rotationswinkelbereich des Rotors, in dem der Rotor 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 betrieben wird, daß ein Bereich kleiner Winkel in dem Abstoßungsbereich 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 Anziehungsbereich liegt. In anderen Worten, falls der Motor um einen großen Winkel gedreht wird, so wie von einem Ende des Arbeitswinkelbereiches zu dem anderen Ende desselben, wird der Abstoßungsbereich immer an dem Beginn des Drehbewegungsbetriebes verwendet.
Bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor, der die oben erwähnte Struktur aufweist, weist der magnetische Pfad des Stators die Querschnittsfläche, wie sie oben beschrieben worden ist, auf. Falls der Rotor in dem Abstoßungsbereich ist, ist das magnetische Feld H0, das durch die Magneten erzeugt wird, entgegengesetzt in der Richtung zu dem magnetischen Feld Hc, das durch die Spule erzeugt wird. In diesem Zustand ist die magnetische Flussmenge innerhalb des Stators auf dem Abstieg und wird nicht gesättigt. Als ein Ergebnis steigt die Variation Δϕ der magnetischen Flussmenge ϕ an, so daß ein hohes Drehmoment entwickelt werden kann.
Falls der Rotor in dem Anziehungsbereich ist, ist das magnetische Feld H0, 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 magnetische Pfad des Stators eine kleine Querschnittsfläche aufweist, selbst falls das magnetische Feld Hc dem magnetischen Feld H0 hinzugefügt wird, die magnetische Flussmenge ϕ in dem Stator nicht gegenüber ϕ0, das durch die Magneten erzeugt wird, an.
Dieses ist so, da die magnetische Flussmenge 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 magnetische Flussmenge ϕ nicht stark an und die Variation Δϕ der magnetischen Flussmenge 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 Abstoßungsbereich zu dem Anziehungsbereich, der Motor ausreichend mit einem hohen Drehmoment beschleunigt werden und gute Antworteigenschaften können dadurch erhalten werden. Falls andererseits der Winkel nur innerhalb des Anziehungsbereiches variiert, kann das resultierende Drehmoment niedrig sein. In diesem Fall wird jedoch kein so hohes Drehmoment benötigt und das niedrige Drehmoment beeinträchtigt den Steuerbetrieb nicht nachteilig. Nebenbei, der Stator weist einen magnetischen Pfad mit einer kleinen Querschnittsfläche auf, die ausreicht, um die magnetische Flussmenge in dem Anziehungsbereich zu sättigen, aber der Stator mit den kleinen Abmessungen, dem kleinen Volumen und dem kleinen Gewicht 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 aufweisen, 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 ungefähr 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 Einstellungen leicht gemacht werden. Dadurch kann der Steueralgorithmus vereinfacht werden und der Betrieb wird daher vereinfacht.
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 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, führt die Rückkopplungssteuerung basierend auf dem Winkel unter Verwendung des Gleichstrom-Drehmomentmotors, der die oben beschriebenen Winkel-Drehmoment-Eigenschaften aufweist, aus. Aufgrund dessen wird, falls der Winkel der Drehwelle stark zu ändern ist, der Motor mit einem hohen Drehmoment beschleunigt, wodurch eine Winkelsteuerung mit gutem Antwortverhalten ermöglicht 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 Rückkopplungssteuerung durch direktes Messen des Winkels der Drehwelle, sondern auch die indirekte Steuerung des Winkels durch das Messen einer physikalischen Größe, die dem Winkel entspricht, 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 Rückkopplungssteuerverfahren verwendet werden. Eine robuste Steuerung, eine zu H proportionale Steuerung und andere Steuerverfahren können ebenfalls unter Berücksichtigung der Steuergenauigkeit und ähnlichem der Treibersteuervorrichtung verwendet werden.
Die Treibersteuervorrichtung enthält, zum Beispiel, eine Treibersteuervorrichtung zum Steuern des Öffnens/Schließens des Drosselventils in einer Verbrennungsmaschine. Zusätzlich können eine Ventilantriebssteuervorrichtung zum Steuern des Öffnens/Schließens verschiedener Ventile, eine Drehwellenwinkelsteuervorrichtung 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 Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugterweise ein Drosselventil, einen Gleichstrom-Drehmomentmotor zum Öffnen/Schließen der Drossel, wie im Vorhergehenden beschrieben wurde, und einen Drosselöffnungssensor zum Ausgeben einer Information über die Öffnung des Drosselventils auf.
Die Drosselventilsteuervorrichtung, die die oben beschriebene Struktur entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, öffnet/schließt das Drosselventil unter Verwendung des Gleichstrom-Drehmomentmotors, der die oben beschriebenen 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 Drosselklappe) mit einem hohen Drehmoment an den Beginn der Drehbewegung beschleunigt werden und gute Antworteigenschaften können dadurch durch Ausführen einer Rückkopplungssteuerung unter Verwendung 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 gewünschte Öffnung bzw. einen gewünschten Öffnungsgrad aufweist. Nebenbei, der Gleichstrom-Drehmomentmotor kann klein und leichtgewichtig ausgebildet werden und daher kann eine Drosselventilsteuervorrichtung 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, verwendet werden.
Bevorzugterweise weist die oben genannte Drosselventilsteuervorrichtung 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 ungeachtet 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 entwikkelt wird, ausgeglichen wird.
Zum Beispiel ist bei dem Gleichstrom-Drehmomentmotor entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Haltestrom zum Halten des Drosselventils in seiner momentanen Position konstant bei ungefähr 1 A ungeachtet des Arbeitswinkels des Drosselventils, wenn der Maximalstromwert (Nennstromwert) des Gleichstrom-Drehmomentmotors gleich 5 A ist.
Einige Drosselventilsteuervorrichtungen enthalten eine Rückfeder zum Drücken des Drosselventils in Richtung der Ventilschließrichtung, um so das Drosselventil automatisch zu schließen, wenn der Motor Fehlfunktionen hat oder ähnliches. Diese Rückfeder ist so eingestellt, daß sie eine kleine Fehlerkonstante 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 Haltedrehmomentes, 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 konstant über den Arbeitswinkelbereich ungeachtet des Maßes des Winkels oder im wesentlichen konstant in einem Bereich von dem vollständig geschlossenen Zustand bis zu dem vollständig geöffneten Zustand des Drosselventils ungeachtet der Öffnung des Drosselventils ist, werden Einstellungen wie eine Änderung der Koeffizienten zur Rückkopplungssteuerung entsprechend der Öffnung nicht benötigt oder können leicht ausgeführt werden, während die Öffnung des Drosselventils durch Rückkopplung gesteuert 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:
1 eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration eines Gleichstrom-Drehmomentmotors entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt;
2 einen Graph, der die Winkel-Drehmoment-Kurve eines Gleichstrom-Drehmomentmotors entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt;
3 einen Graph, der die Beziehung zwischen dem magnetischen Feld, das in einem Stator erzeugt wird, und einer magnetischen Flussmenge, die erhalten wird, wenn kein Strom an die Spule angelegt ist, zeigt, was zur Erläuterung des Grundes dient, warum eine solche Winkel-Drehmoment-Kurve bei einem Gleichstrom-Drehmomentmotor entsprechend der ersten Ausführungsform auftritt;
4 einen Graph, der die Beziehung zwischen einem magnetischen Feld und einer magnetischen Flussmenge, die in einem Stator unter der Bedingung, daß Strom an die Spule angelegt wird, erzeugt wird, entsprechend des Graphen aus 3 zeigt;
5 einen Graph, der die Beziehung zwischen einem Anregungsstrom und einem erzeugten magnetischen Fluß zeigt;
6(a) eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-Wechselstrommotors entsprechend eines Vergleichsbeispiels, bei dem die Querschnittsfläche des magnetischen Weges in einem Stator größer als diejenige eines Motors entsprechend der ersten Ausführungsform gemacht ist;
6(b) einen Graph, der eine Winkel-Drehmoment-Kurve eines Gleichstrom-Drehmomentmotors entsprechend des Vergleichsbeispiels zeigt;
7 eine Darstellung zum Illustrieren einer Treibersteuervorrichtung zum Treiben einer Maschine entsprechend der zweiten Ausführungsform unter Verwendung eines Gleichstrom-Drehmomentmotors entsprechend der ersten Ausführungsform;
8 eine Darstellung zum Illustrieren einer Drosselventilsteuervorrichtung zum Öffnen/Schließen eines Drosselventils der dritten Ausführungsform unter Verwendung eines Gleichstrom-Drehmomentmotors entsprechend der ersten Ausführungsform;
9 eine schematische Darstellung zum Illustrieren des Öffnens des Drosselventils im Blick auf die Beziehung zwischen der Rückfeder 36 und der Entlastungsfeder 37;
10 eine Darstellung, die ein Steuersystem illustriert, bei dem eine Drosselventilsteuervorrichtung, die in 8 gezeigt ist, durch eine Maschinensteuereinheit gesteuert wird; und
11 eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration eines herkömmlichen Gleichstrom-Drehmomentmotors zeigt.
Erste Ausführungsform
1 ist eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration eines 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 stabförmigen Gestalt um eine Welle 3 und besteht aus einem Rotor 1 und einem im wesentlichen U-förmigen Stator 2, der aus Weicheisen gemacht ist, wobei ein vorbestimmter Hohlraum zwischen dem Rotor 1 und dem Stator 2 beibehalten wird, bei dem der Rotor 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 1) gewickelt ist. Der Stator 2 ist zusammengesetzt aus magnetischen Stahlblechen, die übereinander gelegt sind, deren Sättigungsmagnetflußdichte größer als 1,6 T (Tesla) ist. 1(b) zeigt den X-X-Querschnitt, der in 1(a) angezeigt ist. Da die magnetischen 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 A cm².
Die Permanentmagneten 5 und 6, die fest an dem Kern 4 angebracht sind, sind in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert. Das heißt, der Magnet 5 weist eine Vorderoberfläche (äußere Umfangsoberfläche) als N-Pol und eine Rückoberfläche (innere Oberfläche) als S-Pol auf, wohingegen der Magnet 6 eine Vorderoberfläche (äußere Umfangsoberfläche) als S-Pol und eine Rückoberfläche (innere Oberfläche) als N-Pol aufweist. Die Permanentmagneten 5 und 6 und ein Spulenstrom Ic, der über die Spule 9 fließt, erzeugen magnetische Pole an dem ersten und dem zweiten Magnetpolabschnitt 7 und 8 des Stators 2. Der Rotor 1 wird von den resultierenden magnetischen Polen abgestoßen und angezogen 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 Herbewegung (Auslenkungswinkel θ) des Rotors 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 ersten magnetischen Polabschnitt 7 und dem zweiten magnetischen Polabschnitt 8 hindurchläuft, wobei der Winkel θ positiv in einer Richtung des Pfeiles in 1 (Richtung des Uhrzeigersinns) ist.
Obwohl der Motor 10 bei dieser Ausführungsform, in der Theorie, in einem Bereich von θ = 0 bis 180 Grad hin und her bewegbar (auslenkbar) ist, ist er stabil um θ = 0 und 180 Grad, bei denen 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 11) und ein Motor 110 (siehe 6(a)) entsprechend des Vergleichsbeispiels, 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.
2 zeigt die Beziehung zwischen dem Winkel θ des Motors 10 und dem Drehmoment T bei dieser Ausführungsform. In 2 ist die Größe des erregten Drehmomentes T, wenn der Spulenstrom Ic fließt, mit dem Spulenstrom Ic als Parameter angezeigt, während der Rotor 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 einem 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 positive Richtung angenommen, wohingegen die Richtung des Spulenstromes Ic zum Erregen des Auslenkungsdrehmomentes T in der negativen 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 Auslenkungsdrehmoment T in der negativen Richtung, falls ein negativer Spulenstrom Ic angelegt wird.
Die Winkel-Drehmoment-Eigenschaften des Motors 10, die in 2 gezeigt sind, berücksichtigend ist aus den entsprechenden Graphen bezüglich der relativ hohen positiven Spulenströme Ic = 2 A, 3 A, 4 A und 5 A in dem Motor 10, der als höchste Ströme Ic = ±5 A aufweist, zu erkennen, daß die Spitzen (Drehmomentspitzen) des Auslenkungsdrehmomentes T bei diesen Strömen Ic = 2 A, 3 A, 4 A und 5 A ungleichmäßig verteilt in einen Bereich niedriger Winkel von θ sind (z. B., falls Ic = 5 A, ist die Spitze in einem Bereich von ungefähr 50 bis 80 Grad). Aus den entsprechenden Graphen für relativ hohe (Beträge von) negative Spulenströme Ic = –2 A, –3 A, –4 A und –5 A ist zu ersehen, daß die negativen Spitzen (Drehmomentspitzen) des Auslenkungsdrehmomentes T ungleichmäßig verteilt in einen Bereich großer Winkel von θ sind (d. h., falls Ic = –5 A, ist die Drehmomentspitze in einem Bereich von ungefähr 95 bis 130 Grad).
Im Falle von relativ niedrigen Spulenströmen Ic = 1 A und –1 A sind nahezu flache Drehmomentkurven in einem Arbeitsbereichwinkel von θ = 45 bis 135 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 Beschreibung der Restmenge an magnetischem Fluss (zum Beispiel aufgrund von Restmagnetisierung) keine Berücksichtigung gegeben wird.
In einem Zustand, in dem kein Spulenstrom Ic angelegt wird, wie er in 3 gezeigt ist, zeigt die horizontale Achse ein magnetisches Feld H0, das innerhalb des Stators 2 durch die Magneten 5 und 6 erzeugt wird und die vertikale Achse eine magnetische Flussmenge ϕ in dem Stator 2. Die Stärke des magnetischen Feldes H0 entspricht der Position des Rotors 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, negativ sind und die Richtung des magnetischen Flusses, der in dem Stator 2 erzeugt wird, negativ ist, wohingegen die magnetischen Felder, die in dem Stator 2 bei Winkeln θ = 90 bis 180 Grad erzeugt werden, positiv sind und die Richtung des magnetischen 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 magnetischen Feld H0 und der magnetischen Flussmenge ϕ als eine Kurve dargestellt, wie sie in 3 gezeigt ist. Es wird bemerkt, daß der Rotor 1 des Motors 10 in einem Zustand, wie es in dem unteren Teil von 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 3 gezeigt ist, sind die halbzylindrischen Magneten 5 und 6 des Rotors 1 schematisch gezeigt, um die Magnetpole (N-Pol, S-Pol), die an der Oberfläche des Rotors 1 gesehen werden, klar zu zeigen. Derart variiert bei dem Arbeitswinkelbereich von θ = 45 bis 145 Grad die Stärke des magnetischen 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. 4 ist dieselbe wie der Graph, der in 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 der Rotor 1 bei einem Winkel θ = 45 Grad gehalten wird, wie es unten links in 4 gezeigt ist, ist es, um den Motor 10 in einer (positiven) Richtung, in der der Winkel θ zunimmt, zu drehen bzw. auszulenken, notwendig, einen Spulenstrom Ic in der positiven Richtung anzulegen und so, wie es in dem unteren linken Teil von 4 gezeigt 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 Magnetpolabschnitten des Stators 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 4 verschoben. Das bedeutet, der Betrag der Stärke des magnetischen Feldes H innerhalb des Stators 2 wird vermindert. Als ein Ergebnis variiert die magnetische Flussmenge ϕ innerhalb des Stators 2 um Δϕ1 (d. h. der Betrag der magnetischen Flussmenge ϕ wird vermindert). Das heißt, in 4 zeigt ϕ45 die verminderte magnetische Flussmenge an.
Während dessen wird, wie es in dem oberen rechten Abschnitt von 4 gezeigt ist, falls der Motor 10 in einer (positiven) Richtung gedreht bzw. ausgelenkt wird, so daß der Winkel θ zunimmt, d. h. der Winkel θ ist nahe zu dem Bereich der gestrichelten 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 derselben Richtung wird erzeugt. In diesem Fall sind jedoch, wie es in dem unteren rechten Teil von 4 gezeigt ist, das magnetische 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 4 verschoben. Das bedeutet, der Betrag der Stärke des magnetischen Feldes H innerhalb des Stators 2 erhöht sich. Als ein Ergebnis variiert die magnetische Flussmenge ϕ innerhalb des Stators 2 um Δϕ2 (d. h. der Betrag der magnetischen Flussmenge ϕ steigt an). Das heißt, in 4 zeigt ϕ130 die erhöhte magnetische Flussmenge an.
Es wird bemerkt, daß die Variation Δϕ2 der magnetischen Flussmenge ϕ in diesem Fall kleiner als die Variation Δϕ1 ist, wie oben erläutert wurde (Δϕ1 > Δϕ2).
5 zeigt die Beziehung zwischen dem Erregerstrom für die Spule und dem erzeugten magnetischen Fluß des Motors 10 entsprechend dieser Ausführungsform. Die horizontale Achse zeigt den Erregerstrom an und der Maximalwert ist 5 A. Die senkrechte Achse zeigt den magnetischen Fluß an. Wenn der Erregerstrom auf 5 A, das Maximum, eingestellt ist, ist der magnetische Fluß gleich 16 kWb.
Der maximale magnetische Fluß des magnetischen Feldes H2, der innerhalb des Arbeitswinkelbereiches durch die Magneten 5 und 6 erzeugt wird, ist 22 kWb 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 38 kWb ist, was die Summe der 16 kWb, die durch den maximalen Erregerstrom von 5 A erzeugt werden und den 22 kWb 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. Dadurch werden B·A = 37,9 kWb erlangt und dieser Wert ist gleich kleiner als 38 kWb, der Summe des magnetischen Flusses aufgrund des maximalen Erregerstroms und des magnetischen Flusses aufgrund der Magneten 5 und 6.
In dem Motor 10 bei dieser Ausführungsform ist die Querschnittsfläche A für den magnetischen Pfad des Stators 2 nicht so erhöht. Aufgrund dessen wird, selbst falls die Stärke des magnetischen Feldes H ansteigt, die magnetische Flussmenge 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 magnetische Flussmenge 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 (negativen) 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 4 ist oder der Winkel θ zwischen 0 und 90 Grad ist, dann ist das magnetische Feld H0 in einem Abstoßungsbereich, in dem ein Drehmoment durch die Abstoßungskraft zwischen den Magneten 5 und 6 des Rotors 1 und den Magnetpolabschnitten 7 und 8 des Stators 2 entwickelt 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 Anziehungsbereich, in dem ein Drehmoment durch die Anziehungskraft zwischen den Magneten 5 und 6 des Rotors 1 und den Magnetpolabschnitten 7 und 8 der Stators 2 entwickelt wird (siehe 2).
Falls umgekehrt der Motor in einer negativen Richtung gedreht wird und das magnetische Feld H0, das durch die Magneten erzeugt wird, positiv ist, d. h. das magnetische Feld H0 ist in der rechten Halbseite des Graphen in 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 Drehrichtung, 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 angezeigt ist.
Das Auslenkungsdrehmoment T, das in dem Gleichstrom-Drehmomentmotor erregt wird, ist im allgemeinen proportional zu der Variation Δϕ der magnetischen Flussmenge ∝ (T ∝ Δϕ). Darum wird, wie oben erläutert wurde, während Δ∝1 > Δ∝2 ist, selbst falls derselbe Spulenstrom Ic angelegt wird, ein hohes Drehmoment in einem 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 2).
Im Falle des Verwendens des Motors 10, der die oben beschriebenen Eigenschaften (siehe 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 Beginn des Dreh- bzw. Auslenkungsbetriebes ausreichend zu beschleunigen (oder eine hohe Winkelbeschleunigung an den Motor anzulegen). Wie aus dem Graph aus 2 zu ersehen ist, kann der Motor 10, falls er in der positiven Richtung gedreht wird, ausreichend beschleunigt werden, da ein hohes Drehmoment in einem 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 entwickelt 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 geändert wird, ist die Winkeländerung klein und daher muß keine hohe 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 gedreht 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 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 = 1 A und –1 A sind, eine flache Winkel-Drehmoment-Eigenschaft derart auf, daß das Drehmoment T ungeachtet des Winkels ∝ nicht geändert wird. Das Anlegen eines niedrigen. Stromes an den Motor bedeutet ursprünglich, daß ein hohes Drehmoment nicht benötigt wird. Darum müssen ungleichmäßige Drehmomentspitzen (bzw. eine ungleichmäßige 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 Steuerkoeffizienten entsprechend des Winkels nicht erforderlich, oder solche Einstellungen können leicht gemacht werden, falls der Motor 10 durch eine winkelbasierte Rückkopplungssteuerung getrieben wird. Als ein Ergebnis kann eine leichtere Steuerung realisiert werden, z. B. der Algorithmus für die Rückkopplungssteuerung kann vereinfacht werden.
Vergleichsbeispiel
Als ein Vergleichsbeispiel des Motors 10 zeigt 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 der Rotor 1 identisch zu demjenigen 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 Stators 112 inklusive der Magnetpolabschnitte 117 und 118 sind nahezu konstant in Begriffen der Querschnittsfläche ausgebildet.
Des weiteren zeigt 6(b) die Winkel-Drehmoment-Eigenschaften des Motors 110, die in derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform gemessen sind. Es ist aus den Graphen aus 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 vergrößerten Querschnittsfläche M2 für den Stator 112 zu betrachten. Das bedeutet, die Querschnittsfläche M2 ist zu groß, um die magnetische Flussmenge ϕ zur Sättigung in dem Stator 112 zu bringen, selbst falls das magnetische Feld, das durch den Spulenstrom Ic erzeugt wird, daran angelegt wird. Darum kann ein ausreichend hohes Drehmoment T erhalten werden.
Der Motor 110, der solche Eigenschaften aufweist, ist als zu dem oben beschriebenen herkömmlichen Motor entsprechend zu betrachten. 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 5 leicht entnehmbar ist, bei dem Motor 110 der Stator 112, der aus Weicheisen gemacht ist, merklich größer in seinen Abmessungen und seinem 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 Ausführungsform beschrieben wurde.
Zweite Ausführungsform
Als eine Ausführungsform in einer Maschine ist die zweite Ausführungsform eine Treibersteuervorrichtung 20, die den Motor 10 verwendet, der zum Hin- und Herbewegen (Auslenken, Drehen) einer 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 einen A/D-Wandler 25 in einer Steuereinheit 24 in digitale Werte umgewandelt. Dann führt ein Computer 26 eine vorbestimmte Operation in Übereinstimmung mit einem Steuerverfahren wie einer PID-Steuerung aus und berechnet Treiberbedingungen unter Berechnung der Abweichung des Winkels von einem Zielwinkel, der eine separate Eingabe ist. Danach steuert eine Motortreiberschaltung 27 den Wert des Spulenstromes Ic, der an den Motor 10 hinzuzufügen bzw. zu geben ist, der resultierenden Treiberbedingung 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 Drehmoment niedrig und die Maschine 22 kann daher sanft gestoppt werden. 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 niedrig ist, eine stabile Steuerung ohne das Verursachen von Problemen realisiert werden. Als ein Ergebnis wird eine Treibersteuervorrichtung 20 bereitgestellt, die ein gutes (schnelles) Ansprechverhalten aufweist und einfach zu steuern ist. Des weiteren 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 Abmessungen bereitzustellen.
Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird die Beschreibung einer dritten Ausführungsform gegeben, bei der der Motor 10 bezüglich einer Drosselventilsteuervorrichtung 30 zum Öffnen und Schließen eines Drosselventils durch den Motor 10 verwendet wird. Bei der Drosselventilsteuervorrichtung 30, die in 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 Drosselklappenwelle 31 wird um ungefähr 90 Grad von einem vollständig geschlossenen 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 Öffnungswinkel der Drosselklappenwelle 31 so gestaltet, daß er durch, zum Beispiel, einen Drosselöffnungssensor 34, der aus einem Potentiometer besteht, erfaßt wird. Die Drosselklappenwelle 31 wird in der Ventilschließrichtung (in der Richtung nach unten in 8) durch eine Rückfeder 36 über einen Hebel 35, der in 8 L-förmig ist, gedrückt.
Falls die Leistung des Motors 10 abgeschaltet wird oder der Motor 10 eine Fehlfunktion hat, wird die Drosselklappenwelle 31 in Richtung der Ventilschließrichtung (in der Richtung nach unten in 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 8) durch eine Entlastungsfeder 37 gedrückt und das Drosselklappenventil 33 wird daher, verglichen mit einem vollständig 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 eingestellt, daß sie eine kleine Federkonstante aufweist. Aufgrunddessen 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 Rückstellungsdrehmoment Tb ist so eingestellt, daß es im wesentlichen konstant ungeachtet der Öffnung des Ventils 33 ist. Zusätzlich verhindert die Entlastungsfeder 37, daß das Drosselklappenventil 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 Ventilöffnungsrichtung zu zwingen bzw. zu drehen.
In 8 wird das Drosselklappenventil (bzw. die Drosselklappe) 33 nach oben geöffnet, wie es durch einen Pfeil angezeigt ist, um die Funktionen der Entlastungsfeder 37 und der Rückfeder 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 bewegt bzw. gedreht und die Rückfeder 36 und die Entlastungsfeder 37 drücken und schwingen bzw. drehen die Drosselklappenwelle 31 um die Wellenachse.
9 zeigt eine schematische Darstellung zum Illustrieren der Öffnung des Drosselklappenventils angesichts der Beziehung zwischen der Rückfeder 36 und der Entlastungsfeder 37. Th1 zeigt das maximale Schließdrehmoment, inklusive des Drehmomentes durch die Rückfeder 36 und die durch Reibung verursachte Dispersion an. Th2 zeigt das maximale Öffnungsdrehmoment, inklusive des Drehmomentes durch die Entlastungsfeder 37 und die durch Reibung verursachte Dispersion an.
Das Haltedrehmoment für den Motor 10 ist Th1 = 1,5 kg·cm als das Maximum. Falls das maximale Haltedrehmoment in einem Bereich enthalten ist, in dem flache Drehmomenteigenschaften erhalten werden können, wenn ein konstanter Strom an den Gleichstrom-Drehmomentmotor angelegt wird, kann eine Steuerung mit einem linearen Stromwert ein Drehmoment erzeugen, das das Haltedrehmoment durch die Rückfeder 36 übersteigt, wodurch eine lineare Steuerung des Drosselklappenventils 33 realisiert werden kann. Als ein Ergebnis kann eine Rückkopplungssteuerung inklusive 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 1) des Motors 10 in einer axialen Richtung (in einer Richtung senkrecht zu dem Blatt der 1). Bei dieser Ausführungsform ist daher der Motor 10 bei dem Auslenkungswinkel θ = 45 Grad dem Zustand des Drosselklappenventils 33 in einem vollständig geschlossenen Zustand entsprechend gemacht, und der Motor 10 bei dem Auslenkungswinkel θ = 135 Grad entspricht dem Drosselklappenventil 33 in einem vollständig geöffneten Zustand. Dadurch wird das Drosselklappenventil 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 3 und 4 gezeigt sind, die gestrichelten 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 Auslenkungswinkels (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. Außerdem zeigt die Seite, auf der der Winkel θ klein ist, das Drosselklappenventil 33 in dem geschlossenen bzw. fast geschlossenen Zustand, wohingegen die Seite, auf der der Winkel θ groß ist, das Drosselklappenventil 33 in einem (mehr oder minder stark) geöffneten Zustand zeigt.
10 zeigt einen Zustand, in dem die Drosselventilsteuervorrichtung 30 verbunden ist mit und gesteuert wird durch eine Maschinensteuereinheit (im folgenden Bezeichnet als ”ECU”) 41. Die Gesamtvorrichtung dient als ein Drosselventilsteuersystem 40, das der Treibersteuervorrichtung 20 in der zweiten Ausführungsform entspricht.
Bei der Drosselventilsteuervorrichtung 30, die die obige Struktur aufweist, wird die Ausgabe des Drosselöffnungssensors 34 in die ECU 41 eingegeben. In 10 sind die Rückfeder 36 und ähnliches nicht gezeigt und die Drosselventilsteuervorrichtung 30 ist vereinfacht gezeigt. In der ECU 41 wird die analoge Ausgabe des Drosselöffnungssensor 34 in ein digitalisiertes Drosselöffnungssignal Sig1 durch einen A/D-Wandler 42 gewandelt. Zusätzlich wird die analoge Ausgabe eines Beschleunigungssensors 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 Anforderungsöffnungssignal 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 berechnet Fahrbedingungen. Unter Verwendung der resultierenden Fahrbedingungen steuert eine Motortreiberschaltung 44 den Wert des Spulenstromes Ic für den Motor 10, wodurch eine Rückkopplungssteuerung für die Drosselventilsteuervorrichtung 30 (oder den Motor 10) ausgeführt wird.
Der Motor 10 weist Winkel-Drehmoment-Eigenschaften (siehe 2) auf, wie sie oben beschrieben wurden. Aufgrund dessen werden, 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 Drosselklappenventils 33 von einem ungefähr vollständig geschlossenen Zustand (θ ist nahe 45 Grad) zu einem ungefähr vollständig geöffneten Zustand (θ ist nahe 135 Grad) oder von einem nahezu vollständig geöffneten Zustand zu einem nahezu vollständig geschlossenen Zustand geändert wird, möglich, die Antworteigenschaften (das Ansprechverhalten) des Drosselklappenventils 33 zu verbessern. Nebenbei ist, wenn der Drehbetrieb nahe seines Endes ist, das erzeugte Drehmoment niedrig und das Drosselklappenventil 33 kann daher sanft gestoppt werden. Falls andererseits die Drosselklappenwelle 31 in einem kleinen Ausmaß gedreht wird, ist die Variation des Auslenkungswinkels θ klein und das Drosselklappenventil 33 muß keine hohen Antworteigenschaften aufweisen. Aufgrund dessen kann, selbst falls (oder gerade weil genau dort) das erregte Drehmoment niedrig ist, eine stabile Kontrolle ohne das Verursachen irgendwelcher Probleme 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 Abmessungen bereitgestellt werden, wodurch es möglich gemacht wird, eine leichtgewichtige Drosselventilsteuervorrichtung 30 mit kleinen Abmessungen bereitzustellen. Als ein Ergebnis ist es möglich, eine leichtgewichtige Drosselventilsteuervorrichtung 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 Ausführungsform wird die Drosselklappenwelle 31 in einem normalen Betriebszustand in Richtung der Ventilschließrichtung durch die Rückfeder 36 gedrückt, wie bereits oben ausgeführt wurde. Derart 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 Haltespulenstrom Ich an den Motor 10 in positiver Richtung angelegt werden, um dadurch das Haltedrehmoment Th in der Ventilöffnungsrichtung zu erregen, um so das Rückstelldrehmoment Tb, das durch den Druck auf die Welle 31 durch die Rückfeder 36 verursacht 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 ansteigt, selbst falls die Öffnung des Drosselklappenventils 33 ansteigt. Falls die Rückfeder 36 eine große Federkonstante aufweist 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 Rückstelldrehmoment Tb trifft bzw. ausgleicht, entwickelt werden muß, um 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 2, in dem die Winkel-Drehmoment-Eigenschaften gezeigt sind, dargestellt wird, ist das oben erwähnte 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 Haltedrehmoment Th, das durch den Motor 10 zum Halten der Öffnung des Drosselklappenventils 33 beim Ausgleichen des Rückstelldrehmomentes 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 Spulenstromes Ic = 1 A 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 2 A oder größer ist. In 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 = 1 A ist. Derart ist es klar, daß der Haltespulenstrom Ich zum Verursachen des Haltedrehmoments Th nahezu konstant bei 1 A oder weniger ungeachtet des Winkels θ ist. Als ein Ergebnis gibt es, falls der Motor 10 unter Verwendung der Ausgabe des Drosselöffnungssensors 34 zum Halten der Öffnung des Drosselklappenventils 33 auf einem gewissen Maß rückkopplungsgesteuert wird, keine Notwendigkeit Einstellungen wie eine Änderung von Koeffizienten zur Verwendung bei dem Rückkopplungssteuerbetrieb durch den Computer 43, in Übereinstimmung mit der Änderung der Öffnung, zu machen, wodurch die Rückkopplungssteuerung leichter gemacht wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind Beispiele und begrenzen die Erfindung in keiner Weise. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Weisen innerhalb des Umfangs verbessert und geändert werden, ohne daß von dem Gegenstand 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 Arbeitswinkelbereich eines Drehmomentmotors kann in geeigneter Weise entsprechend des geforderten Winkelbereichs für den Motor eingestellt werden. Darüber hinaus kann, obwohl ein Gleichstrom-Drehmomentmotor vom einpoligen Typ in den Ausführungsformen gezeigt worden ist, ein Gleichstrom-Drehmomentmotor eines mehrpoligen Typs verwendet werden.
Des weiteren kann, obwohl die dritte Ausführungsform die Drosselventilsteuervorrichtung 30 zum Steuern des Antriebs eines Drosselklappenventils 33 beschreibt, die vorliegende Erfindung auf eine Treibersteuervorrichtung zum Steuern des Antriebs eines anderen Typs von Ventil ebenso wie als Treibersteuervorrichtung zum Steuern von anderen Typen von Maschinen verwendet werden.
Weiterhin können, obwohl ein Kern 4 und eine Drosselklappenwelle 31 als gemeinsame Teile bei der Drosselventilsteuervorrichtung 30 entsprechend der dritten Ausführungsform verwendet worden sind, diese Teile durch unterschiedliche Teile ersetzt werden, so daß die Hin- und Herbewegung des Kerns 4 durch ein Zahnrad, ein Getriebe, einen Synchronriemen oder ähnliches übertragen werden können.

Claims

Gleichstrom-Drehmomentmotor, mit einem U-förmigen Stator (2) und einem zylindrischen Rotor (1), der innerhalb eines vorbestimmten Arbeitswinkelbereiches hin und her bewegbar ist, wobei – der U-förmige Stator (2) an seinen beiden Endabschnitten jeweils einen ersten (7) und einen zweiten (8) Magnetpolabschnitt aufweist und eine Spule (9) um einen von den Endabschnitten entfernten Abschnitt des Stators (2) gewickelt ist, – die Magnetpolabschnitte (7, 8) einander zugewandt sind und der Rotor (1), der Permanentmagnete (5, 6) aufweist, unter Bildung eines Luftspalts innerhalb des von den Magnetpolabschnitten (7, 8) begrenzten Raumes angeordnet ist, wobei die Permanentmagnete (5, 6) des Rotors (1) zwei Pole (N, S) zum Luftspalt hin ausbilden, – der entfernte Abschnitt und die beiden Magnetpolabschnitte (7, 8) des Stators (2) einen Pfad für den magnetischen Fluss, den die Spule (9) und die Permanentmagnete (5, 6) des Rotors (1) in dem Stator (2) erzeugen, mit einer Querschnittsfläche bilden, und wobei eine minimale Querschnittsfläche des Stators (2) derart angepasst ist, dass – der magnetische Fluss in dem Pfad nicht gesättigt wird, wenn der Arbeitswinkel des Rotors (1) in einem Bereich liegt, in dem das Drehmoment hauptsächlich durch eine Abstoßungskraft zwischen den Permanentmagneten (5, 6) des Rotors (1) und den durch die Bestromung der Spule (9) erzeugten Magnetpolen des Stators (2) entwickelt wird, und – der magnetische Fluss in dem Pfad gesättigt wird, wenn der Arbeitswinkel des Rotors (1) in einem Bereich liegt, in dem das Drehmoment hauptsächlich durch eine Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten (5, 6) des Rotors (1) und den durch die Bestromung der Spule (9) erzeugten Magnetpolen des Stators (2) entwickelt wird.
Gleichstrom-Drehmomentmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetischer Fluss, der durch das Produkt aus der minimalen Querschnittsfläche des Stators (2) und der Sättigungsmagnetflußdichte des Stators (2) gewonnen wird, kleiner als ein magnetischer Fluss ist, der durch die Summe des maximalen magnetischen Flusses, den der in der Spule (9) fließende Strom erzeugt, und des maximalen permanenten magnetischen Flusses, den die Permanentmagneten innerhalb des Arbeitswinkelbereiches erzeugen, gewonnen wird.
Gleichstrom-Drehmomentmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (2) aus übereinander gelegten magnetischen Stahlblechen zusammengesetzt ist, deren Sättigungsmagnetflußdichte größer als 1,6 Tesla ist.
Treibersteuervorrichtung, die einen Gleichstrom-Drehmomentmotor verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einem Gleichstrom-Drehmomentmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 vorgesehen ist und eine Rückkopplungssteuerung des Gleichstrom-Drehmomentmotors basierend auf dem Arbeitswinkel ausführt.
Drosselventilsteuervorrichtung, aufweisend ein Drosselklappenventil (33), einen Gleichstrom-Drehmomentmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gleichstrom-Drehmomentmotor das Drosselklappenventil öffnet/schließt, und einen Drosselöffnungssensor (34) zum Ausgeben einer Information über die Öffnung des Drosselklappenventils.
Drosselventilsteuervorrichtung nach Anspruch 5, die weiter eine Rückfeder (36) zum Drücken des Drosselklappenventils (33) in Richtung einer Ventilschließrichtung aufweist, wobei ein 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 Drosselklappenventils (33) zu erhalten, wobei es einem Drehmoment, das durch das Rückfederdrehmoment entwickelt wird, angeglichen ist.
Drosselventilsteuervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Drehmomentwert, den die Rückfeder (36) innerhalb des Arbeitswinkelbereiches erzeugt, in einem Bereich des Arbeitswinkelbereiches enthalten ist, in dem die Drehmomenteigenschaften so sind, daß das bei einem konstanten Strom entwickelte Drehmoment nahezu flach ist.