DE4038760A1 - Drehsteller - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehsteller zur Drehwinkeleinstellung von Stellgliedern, insbesondere eines den Strömungsquerschnitt in einer Strömungsleitung bestimmenden Drosselorgans für Brennkraftmaschinen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten Drehsteller dieser Art (DE 38 30 114 A1) sind zur Erzeugung des magnetischen Rückstellmoments bei stromlosen Stellmotor die beiden Statorpole unsymmetrisch mit stark voneinander abweichender Polbreite, in Umfangsrichtung gesehen, ausgebildet. Die als schalenförmigen Magnetsegmente ausgebildeten Rotorpole sind asymmetrisch am Rotor angeordnet und erstrecken sich jeweils über einen Umfangswinkel von größer 90°, wobei die in Umfangsrichtung gemessene Polbreite des Statorpols mit der kleineren Polbreite in etwa gleich dem Erstreckungswinkel der Rotorpole ist. Die Statorwicklung umgreift als Zylinderspule einen magnetischen Rückschlußbügel, der die beiden Statorpole miteinander verbindet. Ein solcher Drehsteller ist wegen der starken Asymmetrie fertigungstechnisch sehr kostenträchtig.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehsteller mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil eines fertigungstechnisch einfach herzustellenden Stellmotors in kompakter Bauweise, dessen magnetisches Rastmoment ausreichend groß ist, um das Drosselorgan bei stromlosem Stellmotor in seine einen definierten minimalen Öffnungsquerschnitt freigebende Grundstellung zurückzudrehen. Der Stellmotor ist robust und wenig störanfällig. Durch das Betreiben der Statorwicklung mit einem Gleichstrom mit umkehrbarer Stromrichtung, z. B. über eine Endstufe, die beide Stromrichtungen liefern kann, wird ein ausreichend großer Stellwinkel des Rotors zwischen der Schließstellung des Drosselorgans, bei welcher der freigebene Öffnungsquerschnitt der Strömungsleitung Null ist, und der Endstellung des Drosselorgans, bei welcher der freigegebene Öffnungsquerschnitt der Strömungsleitung maximal ist, erzielt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Drehstellers möglich.

Die magnetische Rastung auf den Pollücken zwischen den beiden Klauenpolen des Rotors, also sein magnetisches Rückdrehmoment bei stromloser Statorwicklung, kann verstärkt werden, wenn gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung im mittleren Bereich der stirnseitigen Verbindungen von Klauenpolen und Ringmantel bogenförmige Ausnehmungen eingebracht werden. Damit wird eine Verringerung des Querschnitts im magnetischen Rückschluß herbeigeführt, so daß das Verhältnis der magnetischen Widerstände im Rückschluß und in Querrichtung der Klauenpole, was die Größe des Rastmoments bestimmt, vergrößert wird.

Die magnetische Rastung auf die Pollücken kann auch dadurch verstärkt werden, daß gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Luftspalt unter den Klauenpolen so ausgebildet ist, daß die radiale Luftspaltbreite im mittleren Bereich der Klauenpole größer ist als in den in Umfangsrichtung gesehenen Randbereichen der Klauenpole.

Für den Permanentmagnetrotor wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Magnetmaterial Hartferrit oder kunststoffgebundenes Ferrit oder kunststoffgebundenes Neodyn-Eisen-Bor verwendet. Gegenüber dem Seltenerden- Magnetmaterial wird eine wesentliche Reduzierung der Fertigungskosten erzielt. Der Rotor kann dabei einen zylindrischen Permanentmagneten mit diametraler Magnetisierungsrichtung, der in einer zentralen Axialbohrung die Rotorwelle drehfest aufnimmt oder drehbar auf einer Steckachse gelagert ist, oder zwei schalenförmige Magnetsegmente aufweisen, die auf einem mit der Rotorwelle verbundenen zylindrischen Träger befestigt sind. Die radiale Magnetisierungsrichtung in den beiden Magnetsegmenten verläuft bei dem einen Magnetsegment von außen nach innen und bei dem anderen Magnetsegment von innen nach außen. Die Befestigung des Permanentmagneten oder der Permanentmagnetsegmente an der Rotorwelle bzw. an dem mit der Rotorwelle verbundenen Träger erfolgt in beiden Fällen bevorzugt durch Kunststoffumspritzung.

Eine fertigungstechnische einfache Ausführung des Stators wird dadurch erzielt, daß gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Stator aus zwei gleich ausgebildeten Statorteilen mit je einem Klauenpol besteht, die in einer rechtwinklig zur Statorachse ausgerichteten Trennebene nach Relativverdrehung in der Trennebene und Relativverdrehung in einer Drehebene, die sich längs der Statorachse und rechtwinklig zur Trennebene erstreckt, um jeweils 180° aneinandergesetzt sind.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Drehstellers für eine Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine schematisierte Explosionszeichnung eines wicklungslosen Stellmotors im Drehsteller der Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht des Drehstellers in Richtung Pfeil III in Fig. 2,

Fig. 4 eine gleiche Darstellung wie Fig. 3 des Stellmotors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Drehsteller dient zur Steuerung des Öffnungsquerschnittes einer Bypaßleitung 10 um eine schematisch dargestellte Drosselklappe 11 im Saugrohr 12 einer Brennkraftmaschine zwecks Leerlaufdrehzahlregelung. Der Drehsteller weist ein Stellergehäuse 13 aus Kunststoff auf, in dem ein langgestreckter Strömungskanal 17 ausgebildet ist, dessen Öffnungsquerschnitt von einem als Drehschieber ausgebildeten Drosselorgan 14 steuerbar ist. Das Drosselorgan 14 wird von einem Stellmotor 15 betätigt, der in einem Motorgehäuse 16 untergebracht ist. Das Motorgehäuse 16 ist rechtwinklig zur Achse des Stellergehäuses 13 an diesem angesetzt, wobei das Drosselorgan 14 mit einem Steuerteil 141 durch einen bogenförmigen Durchbruch 131 im Stellergehäuse 13 hindurch den Strömungskanal 17 quer durchdringt.

Der Stellmotor 15 besteht in bekannter Weise aus einem am Motorgehäuse 16 gehaltenen Stator 18 mit Statorwicklung 19 und einem zum Stator 18 koaxialen Permanentmagnetrotor 20, der drehfest auf einer Rotorwelle 21 sitzt, die ihrerseits in Lagerstellen 22, 23 am Stellergehäuse 13 bzw. am Motorgehäuse 16 drehbar gelagert ist. Das Drosselorgan 14 sitzt mit einem Befestigungsteil 142 drehfest auf der Rotorwelle 21. Das Drosselorgan 14 mit Steuerteil 141 und Befestigungsteil 142 ist einstückig aus Kunststoff gefertigt, wobei die Befestigung an der Rotorwelle 21 durch Anspritzen an die Rotorwelle 21 beim Abspritzen des Drosselorgans 14 erfolgt.

Am Stator 18 sind zwei in Umfangsrichtung um 180° gegenüber versetzt angeordnete Klauenpole 24, 25 ausgebildet, die an gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils mit einem die Klauenpole 24, 25 mit Radialabstand umgebenden Ringmantel 26 für den magnetischen Rückschluß verbunden sind. In dem von Ringmantel 26 und den Klauenpolen 24, 25 begrenzten Ringraum liegt die als Ringspule ausgebildete Statorwicklung 19 ein, die auf einem Spulenträger 36 aus Kunststoff aufgewickelt ist. Zum einfachen Aufbringen der Statorwicklung 19 mit Spulenträger 36 ist der Stator 18 aus zwei identisch ausgebildeten Statorteilen 181 und 182 hergestellt, was besonders durch Fig. 2 veranschaulicht wird. Die beiden Statorteile 181, 182 sind in einer rechtwinklig zur Statorachse 27 ausgerichteten Trennebene 28 aneinandergesetzt, und zwar nachdem der eine Statorteil 182 einerseits in der Trennebene 28 um 180° gegenüber dem ersten Statorteil 181 gedreht worden ist und andererseits zusätzlich in einer Drehebene um 180° gegenüber dem ersten Statorteil 181 gedreht worden ist, die sich längs der Statorachse 27 rechtwinklig zur Trennebene 28 erstreckt. Der zusammengesetzte Stator 28 ist in Fig. 1 zu sehen, wobei die unterschiedlichen Statorteile durch verschiedene Schraffur kenntlich gemacht sind. Eine Stirnansicht von Stator 18 und Rotor 20 in Richtung Pfeil III in Fig. 2 zeigt Fig. 3. Deutlich zu sehen sind die beiden um 180° gegeneinander verdrehten Klauenpole 24, 25.

Der Rotor 20 trägt einen zylindrischen Permanentmagneten 29 mit diametraler Magnetisierungsrichtung, wie sie in Fig. 3 schematisch eingezeichnet ist. Als Magnetmaterial wird Hartferrit oder kunststoffgebundenes Ferrit oder kunststoffgebundenes Neodyn-Eisen-Bor verwendet. Der Permanentmagnet 29 wird mit einer zentralen Axialbohrung 30 über die Rotorwelle 21 geschoben und wird beim Spritzvorgang des Drosselorgans 14 durch Kunststoffumspritzung mit an die Rotorwelle 21 angespritzt, so daß der Permanentmagnet 29 drehfest auf der Rotorwelle 21 sitzt. Für einen sog. stromlosen Notbetrieb des Drehstellers, bei welchem das Drosselorgan 14 einen vorgegebenen minimalen Öffnungsquerschnitt im Strömungskanal 17 des Stellergehäuses 13 freigeben muß, wird durch entsprechende Bemessung der magnetischen Widerstände im magnetischen Rückschluß eine Rastung des Rotors 20 auf den Rollücken 31, 32 zwischen den Klauenpolen 24, 25 bei stromloser Statorwicklung 19 herbeigeführt. Das Drosselorgan 14 ist in Zuordnung zum Rotor 20 dann so auf der Rotorwelle 21 befestigt, daß es den gewünschten minimalen Öffnungsquerschnitt im Strömungskanal 17 freigibt.

Eine starke Rastung des Rotors 20 auf die Pollücken 31, 32 wird dadurch erreicht, daß im mittleren Bereich der stirnseitigen Verbindungen der Klauenpole 24, 25 mit dem Ringmantel 26 jeweils eine bogenförmige Ausnehmung 33 bzw. 34 eingebracht ist. Durch die bogenförmigen Ausnehmungen 33, 34 ist der Querschnitt im magnetischen Rückschluß stark verringert, wodurch das Verhältnis der magnetischen Widerstände im magnetischen Rückschluß und in Querrichtung der Klauenpole 24, 25, das bestimmend für die Größe des Rückdrehmoments ist, wesentlich vergrößert ist. Die Statorwicklung 19 wird mit einem Gleichstrom mit umkehrbarer Stromrichtung beaufschlagt. Dies kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, daß die Statorwicklung 19 über einen an dem aus Kunststoff bestehenden Motorgehäuse 16 einstückig angeformten Anschlußstecker 35 mit einer Endstufe verbunden wird, die beide Stromrichtungen liefern kann.

In einer weiteren, in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des Stators 18 wird die starke Rastung des Rotors 20 auf den Pollücken 31, 32 durch Verkleinerung des Luftspaltes 37 an den Rändern der Klauenpole 24, 25 erreicht. Dabei sind die Klauenpole 24, 25 so ausgebildet, daß die radiale Luftspaltbreite im mittleren Bereich der Klauenpole 24, 25 größer ist als in den beiden in Umfangsrichtung gesehenen Randbereichen der Klauenpole 24, 25. Damit sind die magnetischen Luftspaltwiderstände an den Klauenpolrändern kleiner als in der Klauenpolmitte, was zur Erhöhung des Rückdrehmomentes für den Rotor 20 bei stromloser Statorwicklung 19 führt. Allerdings muß man einen beschränkten Verstellwinkel des Rotors 20 in Kauf nehmen, der im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ca. 40° beträgt. Durch die Verstellmöglichkeit des Rotors 20 in insverse Drehrichtungen ist jedoch der total mögliche Verstellwinkel des Drosselorgans 14 für den Einsatzzweck bei Brennkraftmaschinen ausreichend.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann der Rotor beispielsweise zwei auf einem zylindrischen Träger befestigte schalenförmige Permanentmagnetsegmente mit jeweils radialer Magnetisierungsrichtung aufweisen. Die Magnetisierungsrichtung des einen Magnetsegments am Rotor weist dabei von außen nach innen und die des anderen Magnetsegmentes von innen nach außen. Der zylindrische Träger für die Magnetsegmente ist drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Die Befestigung der Magnetsegmente am Träger erfolgt wiederum durch Kunststoffumspritzung.

Claims (8)

1. Drehsteller zur Drehwinkeleinstellung von Stellgliedern, insbesondere eines den Strömungsquerschnitt in einer Strömungsleitung bestimmenden Drosselorgans für Brennkraftmaschinen, mit einem elektrischen Stellmotor, der einen Stator mit zwei Statorpolen und einer Statorwicklung und einen zweipoligen Permanentmagnetrotor aufweist und der so ausgebildet ist, daß bei stromloser Statorwicklung auf den Permanentmagnetrotor ein diesen in eine Grundstellung rückdrehendes Drehmoment wirkt, und mit einer drehfesten Ankopplung des Drosselorgans an den Rotor derart, daß dieses in der Rotorgrundstellung einen vorgegebenen minimalen Drosselquerschnitt in der Strömungsleitung freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole als Klauenpole (24, 25) ausgebildet sind, die an gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils mit einem die Klauenpole (24, 25) mit Radialabstand umgebenden Ringmantel (26) für den magnetischen Rückschluß verbunden sind, daß die Statorwicklung (19) als Ringspule in dem von Ringmantel (26) und den Klauenpolen (24, 25) begrenzten Ringraum einliegt und von einem Gleichstrom mit umkehrbarer Stromrichtung beaufschlagbar ist und daß die magnetischen Widerstände im magnetischen Rückschluß und quer zu den Radialachsen der Klauenpole (24, 25) so bemessen sind, daß der Permanentmagnetrotor (20) bei stromloser Statorwicklung (19) auf die Pollücken (31, 32) zwischen den Klauenpolen (24, 25) einrastet.

2. Drehsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Bereich der stirnseitigen Verbindungen von Klauenpolen (24, 25) und Ringmantel (26) bogenförmige Ausnehmungen (33, 34) eingebracht sind.

3. Drehsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klauenpolen (24, 25) derart ausgebildet sind, daß die radiale Luftspaltbreite des Luftspaltes (37) zwischen jedem Klauenpol (24, 25) und dem Permanentmagnetrotor (20) im mittleren Bereich der Klauenpole (24, 25) größer ist als in den beiden in Umfangsrichtung gesehenen Randbereichen der Klauenpole (24, 25).

4. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetmaterial für den Permanentmagnetrotor (20) Hartferrit oder kunststoffgebundenes Ferrit oder kunststoffgebundenes Neodyn-Eisen-Bor verwendet wird.

5. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetrotor (20) einen zylindrischen Permanentmagneten (29) aufweist, der in einer Axialbohrung (30) eine Rotorwelle (21) aufnimmt.

6. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetrotor (20) einen zylindrischen Permanentmagneten (29) aufweist, der drehbar auf einer Steckachse gelagert ist, die eine Axialbohrung (30) des Permanentmagneten (29) durchsetzt.

7. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetrotor zwei auf einem zylindrischen Träger befestigte schalenförmige Magnetsegmente mit jeweils radialer Magnetisierungsrichtung aufweist, wobei die Magnetisierungsrichtung des einen Magnetsegments von außen nach innen und die des anderen Magnetsegments von innen nach außen verläuft.

8. Drehsteller nach einem der Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (18) aus zwei gleich ausgebildeten Statorteilen (181, 182) mit je einem Klauenpol (24, 25) besteht, die in einer rechtwinklig zur Statorachse (27) ausgerichteten Trennebene (28) nach Relativverdrehung in der Trennebene (28) und Relativverdrehung in einer längs der Statorachse (27) rechtwinklig zur Trennebene (28) sich erstreckenden Drehebene um jeweils 180°C aneinandergesetzt sind.