DE3908546C2 - Elektromotorischer Verstellantrieb für eine Drosselklappe eines Verbrennungsmotors - Google Patents
Elektromotorischer Verstellantrieb für eine Drosselklappe eines VerbrennungsmotorsInfo
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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.
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DE19893908546 DE3908546C2 (de) | 1989-03-16 | 1989-03-16 | Elektromotorischer Verstellantrieb für eine Drosselklappe eines Verbrennungsmotors |
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Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
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Owner name: MANNESMANN VDO AG, 60326 FRANKFURT, DE |
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