DE3908546C2 - Elektromotorischer Verstellantrieb für eine Drosselklappe eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Verstell­ antrieb für eine Drosselklappe eines Verbrennungsmotors, bei der eine in einem Drosselklappenstutzen schwenkbar gelagerte Drosselklappenwelle mit der Drosselklappe verbunden ist, wobei der Verstellantrieb aus einem Stator und mindestens einem Rotor besteht, der Stator einen Rückschluß aufweist und der Rotor mit der Drosselklappenwelle fest verbunden ist.

Es sind Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen die Drossel­ klappe elektromotorisch verstellt wird. Die Verstellung er­ folgt in aller Regel mittels eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors; zwischen diesem und der die Drosselklappe verstellende Drosselklappenwelle ist ein Untersetzungsge­ triebe angeordnet. Die Untersetzung der Drehzahl des Gleich­ strommotors führt an der Drosselklappe zu einer Drehmoment­ erhöhung, gleichzeitig läßt sich die Auflösung des Drossel­ klappenwinkels verbessern, daß heißt es sind vorgegebene Drosselklappenwinkel genau anfahrbar. Die Drosselklappe selbst ist mittels der Drosselklappenwelle aus der den Dros­ selklappenstutzen verschließenden Position um einen Winkel von maximal 90° in deren maximale Öffnungsstellung ver­ schwenkbar.

Hauptnachteile der Motor-Getriebe-Kombination liegen in dem Verschleiß von Getriebe, Kohle und Kommutator, dem hohen Bauvolumen, im Stellverhalten und den hohen Fertigungs- und Montageaufwendungen.

Ein elektromotorischer Verstellantrieb der eingangs genann­ ten Art ist aus der DE-OS 39 05 901 bekannt. Dabei ist die Drosselklappe selbst als Rotor ausgebildet. Dies hat den Nachteil, daß die auf den Rotor einwirkenden Stellkräfte mit zunehmender Drosselklappenöffnung abnehmen, so daß der Verstellantrieb für hohe Stellkräfte dimensioniert sein muß und einen großen Bauraum benötigt.

Weiterhin ist aus der DE-OS 36 18 982 eine elektromotorische Stelleinrichtung für eine Drosselklappe bekannt, bei der der Rotor auf der Drosselklappenwelle angeordnet und von dem konzentrisch zur Drosselklappenwelle angeordneten Rückschluß des Stators umschlossen ist. Diese Ausbildung ist sehr bau­ raumaufwendig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verstellan­ trieb der genannten Art zu schaffen, der baulich besonders einfach gestaltet ist und verschleißarm arbeitet, sowie nur einen geringen Bauraum beansprucht.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß der Rückschluß den Drosselklappenstutzen umschließt und einen Luft­ spalt aufweist, in dem der Rotor angeordnet ist.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verstellan­ triebes kann eine Getriebeuntersetzung des elektrischen An­ triebes entfallen, die durch den Stator auf den Rotor ausge­ übten elektromagnetischen Kräfte wirken unmittelbar, das heißt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes auf die Drossel­ klappe ein. Grundsätzlich arbeitet der Verstellantrieb nach dem elektromotorischen Prinzip. Er hat keine Kommutierung und der Stellwinkel des Rotors ist identisch mit dem Stell­ winkel der Drosselklappe. Durch die direkte Einwirkung des Rotors auf die Drosselklappe ergeben sich hervorragende dynamische Stelleigenschaften, es sind insbesondere hohe Ver­ stellgeschwindigkeiten möglich. Da bei dem Verstellantrieb auf reibende oder schleifende Bauteile verzichtet werden kann, ist eine hohe Lebensdauer gegeben. Überdies bedingen die wenigen bewegten Bauteile wenige Lagerstellen und damit eine hohe Betriebssicherheit des Verstellantriebes bei gleich­ zeitig minimal erforderlichem Bauraum. Letzterer Vorteil ist insbesondere deshalb gegeben, weil der Rückschluß unmittel­ bar um den Drosselklappenstutzen verläuft und damit keine ungenutzten Leerräume entstehen, abgesehen hiervon bedingt die konstruktive Lage des Rückschlusses eine weitgehende Schwingungsunanfälligkeit des Verstellantriebes. Der Rück­ schluß ist zweckmäßig mit einer oder mehreren Erregerwicklungen versehen und thermisch gut leitend mit dem Drosselklappen­ stutzen gekoppelt, so daß bei einer Durchflutung des Drossel­ klappenstutzens mit einem wärmeleitenden Medium die durch das Bestromen der Erregerwicklung entstehende Verlustwärme im Wege der Zwangskonvektion abgeführt werden kann.

Vorteilhaft ist der Rückschluß als Ringkern ausgebildet, so daß er streuarm ist, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn sich in der Nähe der Verstelleinrichtung induktive Sen­ soren befinden und weist entweder rechteckigen oder runden Querschnitt auf. Der Rückschluß kann zwei, beispielsweise um 180° versetzte Luftspalte mit zwei um 180° versetzten Rotoren aufweisen. Der jeweilige Rotor liegt dabei in dem diesem zugeordneten Luftspalt des Rück­ schlusses, er besteht zweckmäßig ganz oder zum Teil aus per­ manentmagnetischem Material, welches radial aufmagnetisiert ist.

Bei einer Störung des Verstellantriebes ist es erforderlich, daß die Drosselklappe durch Rückstellkräfte, die auch im stromlosen Zustand des Verstellantriebes vorhanden sein müs­ sen, geschlossen wird. Die Erzeugung des Rückstellmomentes kann durch eine geschickte Formgebung des magnetischen Kreises in den Verstellantrieb integriert werden. Um dies zu erreichen wird vorgeschlagen, daß der Luftspalt zwischen dem Rückschluß und dem Rotor über dessen Drehwinkel unterschiedlich breit ist. Im stromlosen Zustand des Verstellantriebes versucht der Permanentmagnet die Stellung mit der geringsten magnetischen Reluktanz einzunehmen, das heißt es richtet sich der Rotor auf den engsten Luftspalt aus, der zweckmäßig der Leerlaufstellung der Drosselklappe entspricht. Um die genannte Wirkung zu erzielen, kann der Luftspalt zwischen Rückschluß und Rotor unterschiedlich aus­ gebildet sein, beispielsweise besteht die Möglichkeit, daß sich die Breite des Luftspaltes über den Drehwinkel des Rotors kontinuierlich oder sprunghaft ändert. Bei einer Erzeugung der Rückstellkräfte mittels eines unterschiedlich breiten Luft Spaltes zwischen Rückschluß und Rotor sind damit keine weiteren Bauteile für die Rückstellung der Drosselklappe er­ forderlich. Statt einer Rückstellung des Rotors aufgrund eines unterschiedlich breit gestalteten Luftspaltes zwischen Rotor und Rückschluß können zur Erzielung des gleichen Er­ gebnisses im Rückschluß Hilfspole gebildet sein, die bei einem Stromausfall die entgegengesetzten Pole des dauermag­ netischen Rotors anziehen und damit die Drosselklappe in die gewünschte Stellung verdrehen. Die Hilfspole sind dabei zweck­ mäßig diametral angeordnet. Abgesehen von dem zuvor beschrie­ benen kann die Rückstellung auch durch eine externe Energie­ quelle, beispielsweise eine Feder, bei konstantem Luftspalt bewerkstelligt werden.

Eine konstruktive Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver­ stellantriebes sieht schließlich vor, daß die Drosselklappen­ welle im Drosselklappenstutzen gelagert ist, es ist jedoch gleichfalls denkbar, die Drosselklappenwelle auch außerhalb des Stutzens zu lagern, in aller Regel wird die Lagerung der Drosselklappenwelle in zwei Lagerstellen erfolgen.

Die Erfindung schlägt damit einen Verstellantrieb für eine Drosselklappe eines Verbrennungsmotors vor, bei der beim Be­ stromen der Wicklung des Rückschlusses im Luftspalt ein mag­ netisches Feld entsteht, das in Wechselwirkung mit dem mag­ netischen Feld des Rotors eine Kraft bzw. ein Moment auf den Rotor und damit auf die Drosselklappenwelle ausübt. Durch Stromrichtungsumkehr ist ein bidirektionaler Antrieb möglich. Durch Aufbringen einer Gegenkraft an der Drosselklappenwelle durch zum Beispiel eine Feder, läßt sich eine Proportionali­ tät zwischen dem angelegten Steuerstrom und dem Verstellwin­ kel α der Drosselklappe erreichen. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Erregerart beschränkt, sondern es ist die Erregerart (permanentmagnetisch/elektromagnetisch) bei Rotor und Rückschluß (Stator) vertauschbar.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerk­ male und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungs­ wesentlich sind.

In den Figuren ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungs­ formen verdeutlicht, ohne hierauf beschränkt zu sein.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Ver­ stellantriebes,

Fig. 2 eine gegenüber der Darstellung in Fig. 1 abgewandelte Ausführungsform des Verstellan­ triebes, von oben gesehen, teilweise in ge­ brochener Darstellung,

Fig. 3 eine Ansicht des in Fig. 2 gezeigten Verstell­ antriebes, in Richtung der Drosselklappenwelle gesehen,

Fig. 4 eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verstellantriebes in einer Ansicht gemäß Fig. 3.

Die Fig. 1 zeigt in herkömmlicher Weise ausgebildet einen Drosselklappenstutzen 1, einen diesen durchsetzende Drossel­ klappenwelle 2, zwei Lager 3 und 4, die die Drosselklappen­ welle aufnehmen und in nicht näher bezeichnete Ausnehmungen des Drosselklappenstutzens 1 eingesetzt sind; fest mit der Drosselklappenwelle 2 ist in bekannter Art und Weise eine Drosselklappe 5 verbunden, mittels derer sich der Durchström­ querschnitt des Drosselklappenstutzens 1 variieren läßt. Der Verstellantrieb für die Drosselklappenwelle 2 und damit die Drosselklappe 5 besteht aus einem Stator, der als ringförmiger, um den Drosselklappenstutzen 1 auf Höhe der Lager 3 und 4 ver­ laufender Rückschluß 6 ausgebildet ist, ferner aus einem Ro­ tor 7, wobei bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 ein ein­ ziger Rotor vorgesehen ist, im Gegensatz zu der Ausführungs­ form nach Fig. 3, die zwei Roten aufweist.

Der Fig. 1 ist zu entnehmen, daß der Rückschluß mit einer Erregerwicklung 8 versehen ist, der Rückschluß 6 selbst be­ steht aus weichmagnetischem Material. Der Rückschluß 6 liegt unmittelbar am Drosselklappenstutzen 1 an und ist somit mit diesem thermisch gut leitend gekoppelt, so daß bei einer Durchflutung des Drosselklappenstutzens 1 mit einem wärme­ leitenden Medium (Gas, Liquid, . . . ) durch das Bestromen der Erregerwicklung 8 entstehende Verlustwärme abgeführt wird.

Im Bereich des Lagers 4 durchsetzt die Drosselklappenwelle 2 eine Ausnehmung 9 im Rückschluß 6 und ist über diesen hinaus nach außen verlängert, so daß die Möglichkeit besteht, über diesen äußeren Bereich unabhängig von der erfindungsgemäßen Krafteinwirkung auf die Drosselklappenwelle 2 einzuwirken. Bezüglich der Ausbildung des erfindungsgemäßen Verstellan­ triebes im Bereich des Rotors 7 wird auf die Darstellung des Verstellantriebes im Bereich des Lagers 3 gemäß Fig. 1 und auf die Darstellung der Fig. 2 verwiesen. Dort ist gezeigt, daß der geteilte Rückschluß 6 den zylinderförmigen Rotor im Bereich seiner gekrümmten Mantelfläche umgibt, wobei zwischen dem Rotor 7 und den Schenkeln 9 und 10 sowie zwischen den Schenkeln 9 und 10 ein Luftspalt verbleibt. Der Rotor 7 ist an seiner gewölbten Mantelfläche mit Permanentmagnetsegmenten 11 versehen, die radial bzw. diametral aufmagnetisiert sind.

Beim Bestromen der Erregerwicklung 8 entsteht im Luftspalt zwischen Rotor 7 bzw. dessen Magnetsegmenten 11 ein magne­ tisches Feld, das in Wechselwirkung dem magnetischen Feld der Magnetsegmente 11 eine Kraft bzw. ein Moment auf den Rotor 7 und damit auf die drehfest mit diesem verbundene Drosselklap­ penwelle 2 ausübt. Durch das Aufbringen einer Federkraft läßt sich eine Proportionalität zwischen dem Steuerstrom der Er­ regerwicklung 8 und dem Verstellwinkel α des Rotors 7 er­ reichen. Eine Feder kann beispielsweise an einem nicht näher gezeigten Ansatz angreifen, der mit dem im Bereich des Lagers 4 angeordneten nach außen hervorstehenden Ende der Drossel­ klappenwelle 2 drehfest verbunden ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der nicht nur im Be­ reich des Lagers 3 sondern auch im Bereich des Lagers 4 ein Rotor 7 angeordnet ist, entsprechend ist im Bereich dieses Rotors 7 auch der Rückschluß 6 mit Schenkeln 9 und 10 gestaltet. Während die Ausführungsform der Fig. 1 nur einen Luftspalt mit einem Rotor aufweist, besitzt die Ausführungsform nach der Fig. 3 damit zwei um 180° versetzte Luftspalte mit zwei um 180° versetzten Rotoren. Die Ausgestaltung des Verstell­ antriebes im Bereich der Rotoren ergibt sich aus der Darstel­ lung der Fig. 2, die auch die Polarität - Nordpol N und Süd­ pol S - des permanentmagnetischen Rotors 7 mit Magnetsegmenten 11 verdeutlicht, ferner eine mögliche Polarität des Rück­ schlusses 6 bei einer bestimmten Stromrichtung in den Er­ regerwicklungen 8.

In der Fig. 2 ist verdeutlicht, daß der Luftspalt zwischen Rotor 7 und Rückschluß 6 konstant ist. Es besteht jedoch gleichfalls die Möglichkeit - wie in Fig. 2 mit gestrichel­ ten Linien verdeutlicht - den Luftspalt zwischen Rückschluß 6 und Rotor 7 so auszubilden, daß er über den Drehwinkel α des Rotors unterschiedlich breit ist, nämlich sich konti­ nuierlich ändert und die Luftspaltbreite an diametralen Punkten des Rotors 7 gleich ist. Befindet sich der Verstellantrieb in stromlosem Zustand, so führt dies dazu, daß der als Dauermag­ net ausgebildete Rotor 7 mit seinen Polen N bzw. S die energie­ ärmste Stellung zum Rückschluß 6 einnimmt, in der die Luft­ spaltbreite zwischen den Polen des Rotors 7 und dem Rück­ schluß 6 minimal ist. Die Drosselklappe 5 ist über die Dros­ selklappenwelle 2 zweckmäßig so mit dem Rotor 7 verbunden, daß in dessen Stellung mit der geringsten magnetischen Reluk­ tanz die Drosselklappe 5 ihre Leerlaufposition einnimmt. Fig. 4 zeigt eine gegenüber der Darstellung in Fig. 2 gering­ fügig abgewandelte Variante des Verstellantriebes. Bei diesem ist der Rückschluß 6 auf seiner dem Rotor 7 zugewandten Seite mit Vorsprüngen 12 versehen, so daß sich eine sprunghafte Änderung der Luftspaltdicke zwischen Rotor 7 und Rückschluß 6 ergibt. Wird die Stromzufuhr zur Erregerwicklung 8 unter­ brochen, führt dies dazu, daß der Rotor 7 wiederum in die Position mit der geringsten magnetischen Reluktanz verschwenkt, bei der auch die Drosselklappe 5 ihre geschlossene Position wieder einnimmt. Um bei unbestromter Erregerwicklung 8 des Rückschlusses 6 auch bei konstanter Luftspaltdicke zwischen Rotor 7 und Rückschluß 6 - wie in der Fig. 2 mit durchge­ zogenen Linien gezeigt - eine definierte Rückstellposition des Rotors 7 sicherzustellen, kann darüber hinaus auch der Rückschluß mit permanenten Hilfspolen versehen sein, auf die sich die Pole des Rotors 7 ausrichten.

Claims (12)

1. Elektromotorischer Verstellantrieb für eine Drossel­ klappe eines Verbrennungsmotors, bei der eine in einem Drosselklappenstutzen schwenkbar gelagerte Drossel­ klappenwelle mit der Drosselklappe verbunden ist, wobei der Verstellantrieb aus einem Stator und mindestens einem Rotor besteht, der Stator einen Rückschluß auf­ weist und der Rotor mit der Drosselklappenwelle fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rück­ schluß (6) den Drosselklappenstutzen (1) umschließt und einen Luftspalt aufweist, in dem der Rotor (7, 11) angeordnet ist.

2. Verstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschluß (6) aus weichmagnetischem Material besteht und mit einer oder mehreren Erregerwicklungen (8) versehen ist.

3. Verstellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rückschluß (6) thermisch leitend mit dem Drosselklappenstutzen (1) gekoppelt ist.

4. Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rückschluß (6) als Ring­ kern ausgebildet ist, der rechteckigen oder runden Quer­ schnitt aufweist.

5. Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotor (7, 11) zumindest teilweise aus permanentmagnetischem Material besteht.

6. Verstellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Rotors (7, 11) radial aufmagnetisiert ist.

7. Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rückschluß (6) zwei ver­ setzte Luftspalten aufweist, in denen jeweils ein ver­ setzter Rotor (7, 11) angeordnet ist.

8. Verstellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Luftspalt zwischen Rückschluß (6) und Rotor (7, 11) über dessen Drehwinkel (α) unterschiedlich breit ist.

9. Verstellantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite des Luftspaltes über den Drehwinkel (α) des Rotors (7, 11) kontinuierlich oder sprunghaft ändert.

10. Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß im Rotor (7, 11) oder im Rück­ schluß (6) Hilfspole gebildet sind.

11. Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drosselklappenwelle (2) im Drosselklappenstutzen (1) gelagert ist.

12. Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Federelement vorgesehen ist, das auf die Drosselklappenwelle (2) rückstellend einwirkt.