DE2952786C3 - Elektromechanischer Stellantrieb zur Drehwinkelverstellung einer Drosselklappe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellan­ trieb zur Drehwinkelverstellung einer in einem Rohrabschnitt eingesetzten Drosselklappe des Vergasers eines Verbrennungs­ motors nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2 oder 7.

Wenn eine von einem Verbrennungsmotor angetriebene Last nur einen schmalen Drehzahlbereich überstreichen darf, z.B. beim Antrieb eines Synchrongenerators zur Stromerzeugung, eines Kompressors für Wärmepumpen oder eines motorhydraulischen Gabelstaplers mit konstant zu haltender Hub- und Fahrge­ schwindigkeit, muß eine Drehzahlregelung vorgesehen sein. Bei einem Otto-Motor mit Drosselklappensteuerung für den Be­ trieb mit flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen ist hierzu an der Drosselklappe ein Stellantrieb angeordnet, der von einem elektronischen Regler angesteuert ist.

Aus der DE-OS 20 55 874 ist ein Stellantrieb bekannt, der als Drehankermagnet aufgebaut ist. Entsprechend dem fließen­ den Strom in der Wicklung wird der mit der Drosselklappe verbundene Drehanker gegen die Kraft einer Feder verstellt. Die Feder verstellt somit den Drehanker in die eine Dreh­ richtung, während die elektromagnetische Kraft den Drehanker in die andere Drehrichtung verstellt. Zur Einstellung einer bestimmten Lage der Drosselklappe muß in der Spule permanent ein Strom fließen, um die Drosselklappe gegen die Kraft der Feder in der bestimmten Lage zu halten. Permanent fließende Ströme bedingen aber eine Erwärmung des elektromagnetischen Stellantriebs. Ferner müssen zur Lagesicherung Ströme von nicht unerheblicher Größe fließen, wodurch ein entsprechend hoher Energiebedarf gegeben ist.

Um darüber hinaus in etwa eine Linearität zwischen dem in der Wicklung fließenden Steuerstrom und der Lage der Drosselklap­ pe zu erzielen, müssen die Federkennlinie und die Kennlinie des elektromechanischen Stellantriebs genau aufeinander ab­ gestimmt sein. Die Anordnung der Feder verschlechtert dabei den elektrischen Wirkungsgrad auf etwa die Hälfte, so daß die möglichen Beschleunigungen der Drosselklappe sehr klein sind, was die Ansprechzeiten des Stellantriebs nachteilig verlängert.

Regeltechnische Probleme ergeben sich auch daraus, daß der Spulenstrom eine eingeprägte Beschleunigung hervorruft, die Drehstellung der Drosselklappe also wegen der zweimaligen Integration mit 180° Phasennacheilung anliegt. Der Regler ist daher grundsätzlich instabil und kann nur durch phasen­ korrigierende Maßnahmen wie Einführung eines Differentialan­ teils oder lineare Dämpfung mit viskosen Medien stabilisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb zur Drehwinkelverstellung einer Drosselklappe anzugeben, der in einer eingenommenen Stellung ohne weitere Energiezufuhr stabil ist, der hohe Beschleunigungen ermöglicht und nur kurze Ansprechzeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung des Stellantriebs nach dem Anspruch 1, dem Anspruch 2 oder dem Anspruch 7 ge­ löst.

Den erfindungsgemäßen Stellantrieben ist gemeinsam, daß sie keine zur Rückstellung erforderliche Feder aufweisen, so daß der elektromagnetische Stellantrieb auch nicht gegen eine Federkraft arbeiten muß. Die durch einen Steuerstrom erziel­ te Stellkraft kann daher voll auf die Drosselklappe wirken, wodurch hohe Beschleunigungen erzielt werden können. Die elektromechanische Umwandlung ist stromlinear und vorzei­ chensymmetrisch. Im eingeschwungenen Zustand kann der Stell­ antrieb stromlos sein. Aufgrund der wirkenden hohen Be­ schleunigungen und der damit erzielbaren raschen Stellbewe­ gungen sind die Ansprechzeiten des erfindungsgemäßen Stell­ antriebs sehr gering. Aufgrund der ausschließlich drehenden Bewegung ist die Haftreibung sehr klein, so daß auch ein nur sehr kleiner Totbereich bei dem erfindungsgemäßen Stellan­ trieb gegeben ist.

In einer weiteren Spule ist in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit ein Span­ nungssignal induziert. Dieses Spannungssignal wird mit dem Steuerstrom rückgekoppelt, wodurch sich eine eingeprägte Verstellgeschwindigkeit mit einer elektrischen Phasenlage von nur -90° ergibt, so daß der Regler stabil ist. Die ein­ geprägte Verstellgeschwindigkeit hat einen regeltechnischen Frequenzgang von -6 db/Oktave.

Weiterbildungen der einzelnen Stellantriebe ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der nachfolgend im einzelnen beschriebene Ausführungsbei­ spiele der erfindungsgemäßen Stellantriebe dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Stellantrieb zur Verstellung einer Drosselklappe,

Fig. 2 den Stellantrieb nach Fig. 1, jedoch um 90° um die Figurenachse gedreht,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Stellantriebs in der Anordnung bei einer Erdgasanlage,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Spulenanordnung und der Feldverteilung des Permanentmagnetringes des Stellantriebs nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 5 ein elektrisches Prinzipschaltbild eines den Stellantrieb steuernden Reglers,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine Stellvorrichtung für eine Drosselklappe mit einem Stellantrieb, einer Drosselklappe und einem Drehstellungsaufnehmer auf einer gemeinsamen Welle in einem gemeinsamen Gehäuse,

Fig. 7 und Fig. 8 die Drosselklappenstellvorrichtung nach Fig. 6 in anderen Ansichten,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Stellantriebs ähnlich Fig. 6 in zylinder­ symmetrischer Feldgeometrie,

Fig. 10 eine Ansicht des Stellantriebs nach Fig. 9,

Fig. 11 einen Schnitt durch einen Stellantrieb mit magne­ tisch unmittelbar angetriebener Drosselklappe.

Der erfindungsgemäße Stellantrieb nach den Fig. 1, 2 und 4 besteht aus einer Welle 1, die in zwei Wälzlagern 2 und 3 gelagert ist. Auf einer Nabe 4 der Welle 1 sind ein erster Eisenblechring 5 und ein Permanentring 6 gehalten. Der Mag­ netring 6 ist vierpolig axial magnetisiert (Fig. 4). Die Feldlinien laufen in Richtung zu einem feststehenden zweiten Eisenblechring 7 und durchsetzen dabei vier flach liegende, sektorförmige Spulen 8, 9, 10 und 11. Die Bezeichnung Eisen­ blech soll ausdrücken, daß die magnetischen Eigenschaften des Werkstoffes im Vordergrund stehen, wie etwa hohe Sätti­ gungsflußdichte und kleine Koerzitivkraft. Auf die mechani­ schen Eigenschaften kommt es weniger an.

Die genannten Flachspulen sind mit Gießharz 12 zu einem fe­ sten Körper verbunden und in einem Lagerkörper 13 eingebet­ tet. Durch einen Kanal 14 sind die Spulenanschlüsse heraus­ geführt. Wie Fig. 2 zeigt, hat der Lagerkörper 13 Balkenform mit zwei Auflageflächen 15 und 16, die in zwei bestimmten Abständen von der Achse der Welle 1 liegen, um für zwei Vergasergrößen die Achsenfluchtung zu erreichen.

In Fig. 3 ist nicht maßstabsgetreu der Zusammenbau des er­ findungsgemäßen Stellgliedes mit einer Erdgasanlage 17 ge­ zeigt. Die Drosselklappenwelle 18 ist über eine teilelasti­ sche Kupplung 19 mit der Welle 1 des Stellantriebs verbun­ den. Der Stellantrieb selbst ist über eine Zwischenplatte 20 an einem Ansaugkrümmer 21 gehalten. Dieser einfache Zusam­ menbau gewährleistet geringe Vibrationsempfindlichkeit und vermeidet zusätzliche Reibung bzw. Klemmgefahr.

Die in Fig. 4 gezeigten kreissektorförmigen Flachspulen 8, 9 und 10 können elektrisch in Reihe geschaltet sein mit umge­ kehrtem Wickelsinn der mittleren Spule 9. Ein Strom ruft in dem vierpoligen Permanentmagnetring 6 Drehmomente hervor, die sich gleichsinnig addieren. Das Drehmoment ist dem Strom nach Größe und Richtung genau proportional. Da keine Zusatz­ kräfte durch Federn oder ähnliches benötigt werden, ist der Regler isotrop, d.h. seine Eigenschaften sind von der Dreh­ stellung, also auch von der Motorlast, unabhängig. Damit entfällt die Lastabhängigkeit der Drehzahl ohne weitere Maß­ nahmen vollständig, wobei ein hinreichender aerodynamischer Ausgleich der Drosselklappe vorausgesetzt ist. Bei Verwen­ dung eines guten magnetischen Materials ist das Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitsmoment sehr günstig, so daß ein Stellbereich von z.B. 74° in ca. 50 ms durchlaufen werden kann. Geeignete Magnetmaterialien sind maßgepreßte Stron­ tiumferrite und Magnete mit Seltenen Erden.

Eine bedeutende Verbesserung des Regelverhaltens ergibt die besondere Verwendung der Flachspule 11. Während die drei Flachspulen 8, 9 und 10 ein Drehmoment und damit eine Dreh­ bewegung erzeugen, wird in der Flachspule 11 eine der Dreh­ geschwindigkeit genau proportionale Spannung induziert, wel­ che an den Eingang eines Verstärkers zurückgeführt wird. Es ergibt sich somit eine eingeprägte Verstellgeschwindigkeit mit einer elektrischen Phasenlage von nur -90°, so daß der Regler stabil bleibt.

Der mögliche Drehwinkel in der dargestellten vierpoligen Ausführung ist auf 90° begrenzt, was aber hinreichend ist, da Drosselklappen stets für Drehwinkel bis zu 60° bzw. 74° ausgelegt sind. In einer zweipoligen Ausführung beträgt der theoretische Drehwinkel dagegen 180°. Von den zwei angeord­ neten Flachspulen ist dann nur eine für den Antrieb nutzbar, so daß bei sonst gleichen Abmessungen das Drehmoment auf ein Drittel der vierpoligen Ausführung zurückgeht. In einer auch möglichen sechspoligen Ausführung beträgt hingegen der Dreh­ winkel maximal 60°; das Drehmoment kann dabei auf fünf Drit­ tel der vierpoligen Ausführung ansteigen.

Fig. 5 zeigt ein elektrisches Prinzipschaltbild eines Reg­ lers für den erfindungsgemäßen Stellantrieb. Die Flachspulen 8, 9 und 10 befinden sich im Ausgang zweier in Brückenschal­ tung angeordneter Verstärker 22 und 23. Widerstände 24, 25, 26 und 27 ergeben die Brückeneigenschaft, d.h. die Gegenläu­ figkeit der Teil-Ausgangsspannungen. Ein elektronischer Reg­ ler 28 liefert entsprechend der Lage von Solldrehzahl und Referenzspannung und dem Zeitverhalten der Istdrehzahl über den Widerstand 24 einen Steuerstrom in den Verstärker 22 und einen Strom an eine Serienschaltung, die aus einem Wider­ stand 25 und der Flachspule 11 besteht. Das beschleunigende Drehmoment verschwindet, sobald die der Drehgeschwindigkeit proportionale Spannung in der Flachspule 11 den Steuerstrom genau kompensiert.

Umgekehrt wird jeder von außen angreifenden Drehung ein der Drehgeschwindigkeit proportionales Drehmoment entgegenge­ stellt, so daß sich eine lineare Dämpfung ergibt, die durch das Verhältnis der Widerstände 24 und 29 beliebig einstell­ bar ist. Diese beiden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stellantriebs, nämlich eine eingeprägte Stellgeschwindigkeit und eine lineare Dämpfung sind von größtem Wert für ein gün­ stiges Einschwingverhalten der gesamten Regelanlage.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform eines Stellantriebs zeigen die Fig. 6 bis 8. In einem Gehäuse 30 ist eine Dros­ selklappe 31 auf einer Welle 32 angeordnet, die in zwei Wälzlagern 33 und 34 gelagert ist. Auf dem einen Wellenende ist der Stellantrieb angebracht, der aus einem Nabenteil 35 mit einem Eisenblechring 36 und einem Permanentmagnetring 37 besteht. In einer Aufnahme des Gehäuses ist ein zweiter Eisenblechring 38 und sind vier Spulen 39, 40, 41 und 42 an­ geordnet. Auf dem anderen Wellenende befindet sich ein Dreh­ stellungsaufnehmer, der z.B. für den Parallelbetrieb mehre­ rer Verbrennungsmotoren benötigt wird. Der Drehstellungsauf­ nehmer kann in an sich bekannter Weise als Differential­ transformator mit zwei Primärspulen 43 und 44, einer Sekun­ därspule 45, einem Joch 46 und einem mit der Welle 32 dreh­ baren Kern 47 ausgebildet sein.

Bei dieser Ausführungsform gibt es keine verschleißanfäl­ ligen Teile oder solche, die Leerwege, Reibung oder Elasti­ zität in der Regelstrecke hervorrufen.

Ein noch besseres Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitsmo­ ment ist mit einer in Fig. 9 und 10 dargestellten Anordnung zu erreichen, die physikalisch identisch ist mit der Anord­ nung nach den Fig. 6 bis 8, sich hiervon aber im Aufbau durch eine zylindrische Feldgeometrie unterscheidet. In einem Gehäuse 48 befindet sich ein zweipoliger, radial mag­ netisierter Rotor 50, der zusammen mit einer Drosselklappe 49 drehbar gelagert ist. Der Rotor 50 ist von zwei festste­ henden Spulen 51 und 52 umfaßt, die ihrerseits in einem Eisenrohr 53 fixiert sind. Auf dem gegenüberliegenden Wel­ lenende befindet sich ein Drehstellungsaufnehmer entspre­ chend der Darstellung in Fig. 6.

Fig. 10 zeigt den Rotoraufbau aus zwei Permanentmagneten 54 und 55, die vorzugsweise aus Selten-Erd-Material bestehen, zwei Polstücken 56 und 57 und einer nicht-magnetischen Wel­ lenaufnahme 58. Die Verstellzeit für einen Winkel von 74° kann mit diesem Stellantrieb auf etwa 30 ms verkürzt werden.

Einen besonders einfachen Stellantrieb für eine Drosselklap­ pe zeigt Fig. 11. Die Drosselklappe 59 besteht aus einem nicht-magnetischen Rahmen 60 und zwei senkrecht zu ihrer Fläche magnetisierten Magnetplatten 61 und 62. Um ein Gehäu­ se 63 herum sind zwei Spulen 64 und 65 gewickelt. Ein Strom durch diese Spulen ruft ein Drehmoment auf die Drosselklappe 59 hervor, das nach Richtung und Größe dem Strom proportio­ nal ist. Sind die Magnetplatten aus einem guten Selten-Erd- Material gefertigt, lassen sich sehr große Stellmomente von z.B. 0,2 Nm erzeugen, was wegen der kleinen Masse zu kurzen Einstellzeiten führt. Der Stellantrieb nach Fig. 11 ist da­ her für Notabsperrungen besonders gut geeignet.

Bei dem Stellantrieb nach Fig. 11 kann eine lineare Dämpfung mittels einer Spule 66 erzielt werden, in welcher Spannungen induziert werden, die der Drehgeschwindigkeit proportional sind. Zur Vermeidung einer Rückwirkung durch den antreiben­ den Strom in den Spulen 64 und 65 ist die Spule 66 senkrecht zu den Spulen 64 und 65 angeordnet.

Alle beschriebenen Stellantriebe haben gemeinsam, daß sie ohne umlenkende mechanische Übertragungsglieder die ge­ wünschte Drehbewegung direkt auf das Stellglied (Drossel­ klappe) aufgeben. Dabei ist die elektromechanische Umwand­ lung des Steuerstroms im Stellantrieb stromlinear und vor­ zeichensymmetrisch. Im eingeschwungenen Zustand ist der Stellantrieb stromlos; die Stellantriebe sind also isotrop. Ferner ist eine streng lineare Dämpfung ohne Verwendung vis­ koser oder reibender Mittel möglich. Jeder Stellantrieb weist eine eingeprägte Verstellgeschwindigkeit mit einem möglichen regeltechnischen Frequenzgang von -6 db/Oktave auf.

Claims (8)

1. Elektromechanischer Stellantrieb zur Drehwinkelverstel­ lung einer in einem Rohrabschnitt eingesetzten Drossel­ klappe des Vergasers eines Verbrennungsmotors, bestehend aus einem um eine Achse drehbaren magnetischen Stell­ glied und mindestens einer feststehenden Antriebsspule zur Erzeugung einer Stellkraft in Abhängigkeit eines sie durchfließenden Steuerstroms, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied aus einem auf einer Welle (1) befestigten Permanentmagnetring (6) be­ steht, dessen Achse die Drehachse bildet und der auf einer Stirnseite einen ersten Eisenblechring (5) als magnetischen Rückschluß aufweist, und dem auf der ande­ ren Stirnseite ein feststehender zweiter Eisenblechring (7) zugeordnet ist, wobei zwischen dem zweiten Eisen­ blechring und dem Permanentmagnetring mindestens eine von den Feldlinien durchsetzte sektorförmige Flachspule als Antriebsspule liegt, und mit einer weiteren sektorförmigen Flachspule zwischen dem Permanentmagnetring (6) und dem zweiten Eisenblechring (7), deren in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit induziertes Spannungssignal mit dem Steuerstrom der Antriebsspule rückgekoppelt ist.

2. Elektromechanischer Stellantrieb zur Drehwinkelverstel­ lung einer in einem Rohrabschnitt eingesetzten Drossel­ klappe des Vergasers eines Verbrennungsmotors, bestehend aus einem um eine Achse drehbaren magnetischen Stell­ glied und mindestens einer feststehenden Antriebsspule zur Erzeugung einer Stellkraft in Abhängigkeit eines sie durchfließenden Steuerstroms, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied aus einem auf einer Welle befestigten, mindestens zweipolig radial magnetisierten zylindrischen Magneten (50) besteht, des­ sen Achse die Drehachse bildet, wobei der zylindrische Magnet (50) von mindestens einer in einer Ebene parallel zur Drehachse gewickelten feststehenden Flachspule (51, 52) als Antriebsspule umgriffen ist, die in einem zylin­ drischen Eisenrohrstück (53) als magnetischer Rückschluß gehalten ist, und einer weiteren parallel zur Ebene der Drehachse gewickelten feststehenden Flachspule, die den zylindrischen Magneten (50) umgreift und deren in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit induziertes Spannungssignal mit dem Steuerstrom rückgekoppelt ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) die Drossel­ klappenwelle ist und die Arbeitsspule mit ihrer magne­ tischen Rückkopplung unmittelbar an dem Drosselklappen­ gehäuse befestigt ist.

4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Welle (1) des Stellglieds ein Drehstellungsaufnehmer verbunden ist.

5. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstellungsaufnehmer auf der dem Magneten abgewandten Seite der Welle ange­ ordnet ist.

6. Stellantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstellungsaufnehmer nach dem Prinzip eines Differentialtransformators (43, 44, 45, 46, 47) ausgebildet ist.

7. Elektromechanischer Stellantrieb zur Drehwinkelverstel­ lung einer in einem Rohrabschnitt (63) eingesetzten Drosselklappe des Vergasers eines Verbrennungsmotors, bestehend aus einem um eine Achse drehbaren magnetischen Stellglied und mindestens einer feststehenden Antriebs­ spule (64, 65) zur Erzeugung einer Stellkraft in Abhän­ gigkeit eines sie durchfließenden Steuerstroms, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe selbst als Stellglied ausgebildet ist und in einem nicht magneti­ schen Rahmen (60) zwei senkrecht zu ihrer Fläche magne­ tisierte Magnetplatten (61, 62) trägt und mindestens eine Antriebsspule (64, 65) in Höhe der Drosselklappe koaxial um den Rohrabschnitt (63) gewickelt ist.

8. Stellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Spule (66) angeordnet ist, deren Spulenebene parallel zur Drehachse der Drosselklappe sowie zur Längsachse des Rohrab­ schnitts liegt, und daß das in der Spule in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit induzierte Spannungssignal mit dem Steuerstrom rückgekoppelt ist.