DE4215011A1 - Elektromagnetischer verstellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Verstell­ antrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung von maximal 180°, insbesondere zur Drosselklappenverstellung eines Verbren­ nungsmotors, mit einem geteilten Weicheisen-Außenstator in Blockbauweise mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, der zwei sich gegenüberliegende ausgeprägte Statorpole verhält­ nismäßig großer Umfangsbreite zwischen den Polzähnen sowie mindestens eine Erregerwicklung aufweist, und mit einem zwischen den Statorpolen drehbar angeordneten, zweipoligen Permanentmagnet-Innenrotor.

Ein solcher Verstellantrieb ist aus der DE-OS 36 40 188 bekannt. Mit einem solchen Verstellantrieb ist es jedoch schwierig, über große Drehwinkel, also maximal 180°, große Drehmomente in linearem Zusammen­ hang zum Erregerstrom zu erzeugen, weil bei Stator­ polen mit großer Umfangsbreite die Polzähne der Statorpole wegen des geringen gegenseitigen Ab­ standes in die magnetische Sättigung gesteuert werden und damit starke Nichtlinearitäten über dem Drehwinkel auftreten. Diese Probleme treten insbeson­ dere deshalb auf, wenn zur Erzeugung hoher Dreh­ momente, wie sie für einen Direktantrieb notwendig sind, der Stator mit einer hohen Feldstärke magneti­ siert wird. Außerdem treten schon dadurch Nichtline­ aritäten auf, daß die Eisenwege zu den äußeren Be­ reichen der Statorpole länger sind als zu den inneren Bereichen.

Weitere elektromagnetische Verstellantriebe dieser Art, insbesondere zur Drosselklappenverstellung von Verbrennungsmotoren, sind aus der DE-OS 37 43 309, DE-OS 38 30 114, DE-OS 39 08 545 und EP-A-3 42 733 bekannt. Hierbei zeigen die ersten drei Schriften Verstellantriebe in Blockbauweise des Außenstators mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, während die EP-A-3 42 733 eine Konstruktion mit zylindrischem Außenstator und zylindrischem Eisenrückschluß zeigt, wobei die Statorpole in den ringförmigen Eisenrück­ schluß eingesetzt sind, um die Erregerwicklungen vorher aufschieben zu können. Doch auch diese be­ kannten Konstruktionen weisen über den Drehwinkel Nichtlinearitäten aufgrund der Sättigungsneigung einzelner Bereiche bei hohen Erregerfeldstärken auf; außer­ dem lassen sich bei diesen Bauweisen nur verhältnismäßig niedrige Drehmomente bei gegebenen Außenabmessungen erzie­ len.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Verstellantrieb vorzuschlagen, der über einen möglichst großen Drehwinkel innerhalb des Maximalbe­ reiches von 180° ein hohes, insbesondere konstantes Dreh­ moment und dieses bei linearem Verlauf gegenüber dem Erre­ gerstrom bei kleinen Abmessungen ermöglicht. Außerdem soll der Verstellantrieb mit verhältnismäßig wenig Aufwand an Material und Montagekosten herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der Außenstator aus zwei gleichen Statorteilen zusammengesetzt ist, die je einen der beiden Statorpole auf­ weisen, die den Innenrotor unter Bildung symmetrischer Eisen­ wege umschließen, und daß zwei Erregerwicklungen vorgesehen sind, die bei Erregung im Rotorkern magnetisch gleichsinnig zusammenwirken.

Ein solcher Verstellantrieb ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise mit kurzen axialen Längen und zumindest in einer seitlichen Ausdehnung niedrigen Maßen, weil nicht wie bei z. B. der Lösung nach der EP-A-3 42 733 in Umfangsrichtung ein äußerer Eisenrückschluß erforderlich ist, der in einem bestimmten Abstand von den Polzähnen der Statorpole ange­ ordnet sein muß, damit zwischen diesen zwecks Verhinderung der Sättigung der Polzähne ein Mindestluftabstand eingehal­ ten werden kann.

Da zur Erzielung eines möglichst großen Drehwinkels die Statorpole zwischen den Polzähnen eine möglichst große Umfangsbreite haben müssen, kommen sich die Polzähne gegenüberliegender Statorpole verhältnis­ mäßig nahe, so daß zwischen diesen ein Streufluß fließt, der schließlich zu einer Sättigung der Polzähne führt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestal­ tung der Erfindung ist der Luftabstand der Polzähne der Statorpole von anderen Eisenteilen mit unter­ schiedlichem magnetischen Potential so groß gehal­ ten, daß keine Sättigungserscheinungen in den Pol­ zähnen auftreten. Dies gilt insbesondere für den Luftabstand zwischen den Polzähnen verschiedener Statorpole.

Um die Sättigungsneigung der Polzähne weiter zu verringern, sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die beiden Erregerwick­ lungen derart auf dem Außenstator angeordnet, daß sie die Polzähne der Statorpole weitgehend um­ schließen und somit das Magnetfeld aus diesem Be­ reich verdrängen.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Verstellantriebes ist dadurch gekennzeichnet, daß der Außenstator aus zwei an den Enden ihrer beiden U-Schenkel zusammengesetzten U-förmigen Statorteilen besteht, daß die zusammenge­ setzten U-Schenkel die beiden Erregerwicklungen tragen und daß im Bereich der Verbindungsabschnitte der beiden U-förmigen Statorteile die Statorpole angeordnet sind. Diese Lösung kommt ohne besonderen Eisenrückschluß im Stator aus, was den Aufwand und Platzbedarf reduziert. Eine besonders vorteilhafte Variante hiervon besteht darin, daß die U-Schenkel der beiden U-förmigen Statorteile im Bereich der Teilungsebene nach innen gerichtete Wicklungsnuten aufweisen, in die die Erregerwicklungen eingelegt sind, und daß sich die Erregerwicklung jeweils eines jeden Statorteils in Form einer Sattelwicklung über den zugehörigen Statorpol hinweg schließt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist da­ durch gekennzeichnet, daß zwei die Statorpole tragende Statorteile vorgesehen sind, die einen sich stirnseitig erstreckenden Eisenrückschluß aufweisen. Die beiden Statorpole umfassen den Permanent-Innen­ rotor symmetrisch von beiden Seiten, und die Erreger­ wicklungen können soweit in den Bereich der Polzähne angeordnet werden, daß sie diese zum größten Teil um­ schließen und somit den Magnetfluß aus diesen Be­ reichen verdrängen, um Sättigungserscheinigungen zu vermeiden.

Bei der Ausführungsform mit Sattelwicklung sind die Erregerwicklungen vorzugsweise derart ausgestaltet, daß sie mit ersten Wicklungsabschnitten in den Wick­ lungsnuten axial zu der Achse des Innenrotors ver­ laufen und sich über zweite Wicklungsabschnitte an den Stirnseiten des Außenstators etwa halbkreis­ förmig schließen. Die Erregerwicklungen können dabei als rechteckförmige Spulen gewickelt und dann in die Form von Sattelspulen im Ganzen verformt werden.

Jede der Erregerwicklungen ist vorzugsweise auf einem Spulenkörper angeordnet, der vor dem Zusammen­ setzen der beiden Statorteile in die Wicklungsnuten eingesetzt wird.

Die Einzelteile des Außenstators, des Innenrotors usw. sind vorzugsweise in einem Gehäuse aus unmagne­ tischem Material, wie z. B. Aludruckgruß, eingebaut, damit die magnetischen Eisenwege unabhängig von der Gehäuseform und den Eigenschaften des Gehäuses opti­ miert werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Aus­ führungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Verstellantriebes im Längsschnitt entlang der Schnittlinie I-I der Fig. 2;

Fig. 2 einen Querschnitt des Verstellantriebes nach Fig. 1;

Fig. 3 den Längsschnitt durch eine zweite Aus­ führungsform der Erfindung im Längs­ schnitt entlang der Schnittlinie III-III der Fig. 4;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Verstellan­ trieb nach Fig. 3;

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt entsprechend der Schnitt­ linie V-V der Fig. 6;

Fig. 6 einen Querschnitt, teilweise ohne Wick­ lung, der Ausführungsform nach Fig. 5;

Fig. 7 eine Seitenansicht einer Erregerwicklung der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6; und

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Erregerwicklung nach Fig. 7.

Bei der ersten Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 enthält der Verstellantrieb einen Außenstator 1, der aus zwei Statorteilen 21 und 22 sowie einem stirn­ seitigen Eisenrückschluß 19 zusammengesetzt ist. Diese Teile sind mittels Schrauben in einem Gehäuse 7 aus nichtmagnetischem Material, z. B. Aludruckguß, befestigt. Die Statorteile 11 und 12 tragen einander gegenüberliegende Statorpole 2, die einen Innenrotor 4 über eine verhältnismäßig große Umfangsbreite um­ schließen. Auf den Statorpolen 2 sind je eine Er­ regerwicklung 13, 14 angeordnet. Polzähne 6 an den Statorpolen 2 werden von den Erregerwicklungen 13, 14 zum größten Teil umschlossen. Die Erregerwick­ lungen 13, 14 sind auf Wickelkörper 10 auf den Statorpolen 2 gewickelt.

Innerhalb des Gehäuses 7 bzw. an dem Außenstator 1 ist auf geeignete Weise eine Ausgangswelle 8 ge­ lagert, die den Innenrotor 4 trägt. Der Innenrotor 4 trägt auf einem Eisenrückschluß 9 zwei Permanent- Rotormagnete 5, die über eine verhältnismäßig große Umfangsbreite magnetisiert sind, wie die in Fig. 2 angedeutete Magnetisierungslücke andeutet. Diese große Umfangsbreite des Rotormagneten 5 in Verbin­ dung mit einer verhältnismäßig großen Umfangsbreite der Statorpole 2 ergibt einen verhältnismäßig großen Arbeitsbereich des Verstellantriebes, über den das Drehmoment linear vom Erregerstrom abhängt. Da das Gehäuse 7 aus nichtmagnetischem Material besteht, können sich auch keine Streuflüsse zwischen den Pol­ zähnen 6 und dem Gehäuse ausbilden, was der Fall wäre, wenn das Gehäuse 7 als magnetischer Eisenrück­ schluß dienen würde. Der Abstand zwischen den Pol­ zähnen 6 bzw. den Statorteilen 11 und 12 gegenüber dem Eisenrückschluß 19 ist verhältnismäßig groß. Dieser Abstand wird jedoch durch die Erregerwick­ lungen 13, 14 benötigt, so daß kein Platz verschenkt wird. Da sich die Erregerwicklungen 13, 14 über einen großen Bereich der Polzähne 6 erstrecken, wird das Magnetfeld aus diesem Bereich weitgehend ver­ drängt. Es wäre auch möglich, die Erregerwicklungen 13 und 14 noch weiter über die Polzähne 6 zu er­ strecken, wenn die Wicklungen bogenförmig entlang der kreisförmigen Innenfläche der Statorpole 2 verliefen.

Eine kürzere axiale Baulänge des Verstellantriebes ergibt sich bei einer Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4, da hier kein stirnseitig vorhandener Eisen­ rückschluß 19 wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 erforderlich ist. Bei dieser zweiten Ausführungsform ist der Rotor 4 gleich ausgebildet, so daß er nicht näher beschrieben wird. Der Außen­ stator besteht aus zwei Statorteilen 21 und 22, wobei die Teilungsebene 28 (in der Zeichnung nach Fig. 4 gesehen) waagerecht verläuft. Jedes der beiden Statorteile 21, 22 ist etwa U-förmig ausge­ bildet, wobei der Verbindungsabschnitt 27 jedes Statorteils den Statorpol 2 trägt, während die beiderseitigen U-Schenkel 25, 26 sich mit ihren Enden an der Teilungsebene 28 treffen. Auf diesen U-Schenkeln 25, 26 befinden sich die Erregerwick­ lungen 23 und 24. Zwischen entsprechenden Polzähnen 6 und den U-Schenkeln 25, 26 befinden sich Wicklungs­ nuten 29, in die die Erregerwicklungen 23, 24 auf entsprechenden Wickelkörpern 10 eingesetzt werden, bevor die Statorteile 21, 22 zusammengesetzt werden.

Genauso wie bei der ersten Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ergeben sich bei der zweiten Aus­ führungsform nach den Fig. 3 und 4 symmetrisch gleich lange Eisenwege zwischen den Erregerwick­ lungen 13, 14 bzw. 23, 24 und den Statorpolen 2, so daß eine gute Linearität des Drehmoments über den Drehwinkel abhängig vom Erregerstrom erzielt wird. In beiden Ausführungsformen werden die Erregerwick­ lungen 13, 14 bzw. 23, 24 so erregt, daß sie magne­ tisch gleichsinnig wirken.

Die dritte Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 unterscheidet sich von der zweiten nach den Fig. 3 und 4 dadurch, daß die Erregerwicklungen 33, 34 in axialer Richtung des Innenrotors 4 durch innenliegen­ de Wicklungsnuten 39 in den U-Schenkeln 35, 36 der Statorteile 31, 32 geführt sind und sich quer über die Breite der Statorteile 31, 32 etwa halbkreis­ förmig schließen. Die Erregerwicklungen 33, 34 sind also als sogenannte Sattelspulen ausgebildet. Die U-Schenkel 35, 36 der Statorteile 31, 32 sind ähn­ lich wie in der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 durch Verbindungsabschnitte 37 miteinander verbun­ den, die gleichzeitig die Statorpole 2 unter Bildung von Polzähnen 6 tragen. In der Darstellung nach Fig. 6 sind im rechten Teil der Figur die Erregerwick­ lungen 33, 34 der Übersichtlichkeit halber fortge­ lassen, um besser die Form der Wicklungsnuten 39 zeigen zu können.

Die Fig. 7 und 8 zeigen im Detail die Form der auf einem Wickelkörper 10 angeordneten Erregerwicklungen 33, 34. Diese bestehen aus einem ersten Wicklungsab­ schnitt 41, der sich nach dem Einbau in axialer Richtung des Innenrotors 4 erstreckt, während der halbkreisförmige Wicklungsabschnitt 42 über dem Ver­ bindungsabschnitt 37 der Statorteile 31, 32 ver­ läuft. Die Spulen der Erregerwicklungen 33, 34 werden vorzugsweise derart hergestellt, daß zunächst eine etwa rechteckförmige Spule gewickelt wird, die anschließend in die in den Fig. 7 und 8 gezeigte Form im Ganzen gebogen wird. Eine solche Art der Spulenherstellung ist an sich bekannt.

Aus Fig. 6 ist auch zu sehen, daß die Polzähne 6 durch die Er­ regerwicklungen 33, 34 vollständig umfaßt werden, so daß hier auch bei großen Feldstärken keine Sättigungserscheinungen auf­ treten können, weil das Magnetfeld aus diesem Bereich verdrängt wird. Hierdurch werden Sättigungserscheinungen sicher vermieden bzw. die Feldstärke in den Statorteilen 31, 32 kann zur Erzie­ lung hoher Drehmomente weiter gesteigert werden.

Zur Rückmeldung der Drehwinkelposition der Ausgangswelle 8 bzw. des Innenrotors 4 kann mit der Ausgangswelle 8 ein geeigneter Winkelsensor gekuppelt sein, der vorzugsweise innerhalb des Ge­ häuses 7 angeordnet ist.

Von dem theoretisch möglichen Drehwinkel des Verstellantriebes von maximal 180° kann wegen der notwendigen Lücke zwischen den Polzähnen 6 bzw. den Statorpolen 2 und der Magnetisierungs­ lücke zwischen den beiden Permanent-Rotormagneten 5 nur ein Teil ausgenutzt werden. Es ist bei den erfindungsgemäßen Kon­ struktionen des Verstellantriebes jedoch möglich, Drehbewe­ gungen in einem Bereich von etwa 120° zu erzielen, in dem das Drehmoment praktisch linear vom Erregerstrom abhängt.

Die je zwei Erregerwicklungen können z. B. auch zu einer "Spule" zusammengefaßt sein. Die für die Erfindung vorteil­ hafte Symmetrie der magnetischen Flußverteilung kann dann durchaus noch gewahrt werden.

Claims (11)

1. Elektromagnetischer Verstellantrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung von maximal 180°, insbesondere zur Drossel­ klappenverstellung eines Verbrennungsmotors, mit einem geteilten Weicheisen-Außenstator in Blockbauwei­ se mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, der zwei sich ge­ genüberliegende ausgeprägte Statorpole verhältnismäßig gro­ ßer Umfangsbreite zwischen den Polzähnen sowie mindestens eine Erregerwicklung aufweist, und mit einem zwischen den Statorpolen drehbar angeordneten, mindestens zweipoligen Permanentmagnet-Innenrotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenstator (1) aus zwei gleichen Statorteilen (11, 12; 21, 22; 31, 32) zusammenge­ setzt ist, die je einen der beiden Statorpole (2) aufweisen, die den Innenrotor (4) unter Bildung symmetrischer Eisenwege umschließen, und daß zwei Erregerwicklungen (13, 14; 23, 24; 33, 34) vorgesehen sind, die bei Erregung im Rotorkern magne­ tisch gleichsinnig zusammenwirken.

2. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftabstand der Polzähne (6) der Statorpole (2) von anderen Eisenteilen mit unterschied­ lichem magnetischen Potential so groß gehalten ist, daß keine Sättigungserscheinungen in den Polzähnen (6) auftreten.

3. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Erreger­ wicklungen (13, 14; 33, 34) derart auf dem Außen­ stator (1) angeordnet sind, daß sie die Polzähne (6) der Statorpole (2) weitgehend umschließen.

4. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenstator (1) aus zwei an den Enden ihrer beiden U-Schenkel (25, 26; 35, 36) zusammengesetzten U-förmigen Statorteilen (21, 22; 31, 32) besteht, daß die zusammengesetzten U-Schenkel (25, 26; 35, 36) die beiden Erregerwick­ lungen (23, 24; 33, 34) tragen und daß im Bereich der Verbindungsabschnitte (27; 37) der beiden U-förmigen Statorteile (21; 22; 31, 32) die Stator­ pole (2) angeordnet sind.

5. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die U-Schenkel (35, 36) der beiden U-förmigen Statorteile (31, 32) im Be­ reich der Teilungsebene (38) nach innen gerichtete Wicklungsnuten (39) aufweisen, in die die Erreger­ wicklungen (33, 34) eingelegt sind, und daß sich die Erregerwicklungen jeweils eines jeden Stator­ teils in Form einer Sattelwicklung über den zuge­ hörigen Statorpol (2) hinweg schließt.

6. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei die Statorpole (2) tragende Statorteile (11, 12) vorgesehen sind, die einen sich stirnseitig erstreckenden Eisenrück­ schluß (19) aufweisen.

7. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen (33, 34) mit ersten Wicklungsabschnitten (41) in den Wicklungsnuten (39) axial zu der Achse des Innenrotors (4) verlaufen und sich über zweite Wicklungsabschnitte (42) an den Stirnseiten des Außenstators (1) etwa halbkreisförmig schließen.

8. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Erregerwick­ lungen (23, 24; 33, 34) auf einem Spulenkörper (10) angeordnet ist, der vor dem Zusammensetzen der beiden Statorteile (21, 22; 31, 32) in die Wick­ lungsnuten (29, 39) eingesetzt wird.

9. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach Anspruch 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen (33, 34) als rechteckförmige Spulen gewickelt und dann in die Form von Sattelspulen im Ganzen ver­ formt sind.

10. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ausgangswelle (8) ein Winkelsensor zum Rückmelden der jeweiligen Winkelposition angeordnet ist.

11. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Einzelteile wie Außenstator (1), Innenrotor (4) usw. in ein Gehäuse (7) aus unmagnetischem Material, wie z. B. Aludruck­ guß, eingebaut sind.