DE4215011B4 - Elektromagnetischer Verstellantrieb - Google Patents

Abstract

Elektromagnetischer Verstellantrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung von maximal 180°, insbesondere zur Drosselklappenverstellung eines Verbrennungsmotors, mit einem geteilten Weicheisen-Außenstator (1) in Blockbauweise mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, der zwei sich gegenüberliegende ausgeprägte Statorpole (2) verhältnismäßig großer Umfangsbreite zwischen den Polzähnen (6) sowie mindestens eine Erregerwicklung (13, 14) aufweist, und mit einem zwischen den Statorpolen (2) drehbar angeordneten, mindestens zweipoligen Permanentmagnet-Innenrotor (4),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Außenstator (1) aus zwei gleichen Statorteilen (11, 12) zusammengesetzt ist, die je einen der beiden Statorpole (2) aufweisen, die den Innenrotor (4) unter Bildung symmetrischer Eisenwege umschließen,
dass zwei Erregerwicklungen (13, 14) vorgesehen sind, die bei Erregung im Rotorkern magnetisch gleichsinnig zusammenwirken;
dass die zwei Statorteile (11, 12) einen sich stirnseitig erstreckenden Eisenrückschluß (19) aufweisen; und
dass ein Gehäuse (7) aus nichtmagnetischem Material vorgesehen ist, in dem die Einzelteile des elektromagnetischen Verstellantriebs eingebaut sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Verstellantrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung von maximal 180°, insbesondere zur Drosselklappenverstellung eines Verbrennungsmotors, mit einem geteilten Weicheisen-Außenstator in Blockbauweise mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, der zwei sich gegenüberliegende ausgeprägte Statorpole verhältnismäßig 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 Zusammenhang zum Erregerstrom zu erzeugen, weil bei Statorpolen mit großer Umfangsbreite die Polzähne der Statorpole wegen des geringen gegenseitigen Abstandes in die magnetische Sättigung gesteuert werden und damit starke Nichtlinearitäten über dem Drehwinkel auftreten. Diese Probleme treten insbesondere deshalb auf, wenn zur Erzeugung hoher Drehmomente, wie sie für einen Direktantrieb notwendig sind, der Stator mit einer hohen Feldstärke magnetisiert wird. Außerdem treten schon dadurch Nichtlinearitäten auf, daß die Eisenwege zu den äußeren Bereichen 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 EP0342 733 bekannt. Hierbei zeigen die ersten drei Schriften Verstellantriebe in Blockbauweise des Außenstators mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, während die EP0342 733 eine Konstruktion mit zylindrischem Außenstator und zylindrischem Eisenrückschluß zeigt, wobei die Statorpole in den ringförmigen Eisenrückschluß eingesetzt sind, um die Erregerwicklungen vorher aufschieben zu können. Doch auch diese bekannten Konstruktionen weisen über den Drehwinkel Nichtlinearitäten aufgrund der Sättigungsneigung einzelner Bereiche bei hohen Erregerfeldstärken auf; außerdem lassen sich bei diesen Bauweisen nur verhältnismäßig niedrige Drehmomente bei gegebenen Außenabmessungen erzielen.
• Aus der DE-PS 703 411 ist ein elektromagnetischer Verstellantrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung bekannt, der einen geteilten Weicheisen-Außenstator in Blockbauweise mit etwa rechteckförmiger Außenkontur aufweist sowie zwei sich gegenüberliegende ausgeprägte Statorpole verhältnismäßig großer Umfangsbreite zwischen den Polzähnen sowie zwei Erregerwicklungen. Zwischen den Statorpolen ist ein Permanentmagnet-Innenrotor drehbar angeordnet. Der Außenstator ist aus zwei gleichen Statorteilen zusammengesetzt, die einen der beiden Statorpole aufweisen, die den Innenrotor unter Bildung symmetrischer Eisenwege umschließen, wobei die zwei Erregerwicklungen bei Erregung im Rotorkern magnetisch gleichsinnig zusammenwirken.
• Weiterhin ist aus der DE 1 464 532 ein Drehmagnet bekannt, der einen stirnseitigen Eisenrückschluß aufweist.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Verstellantrieb vorzuschlagen, der über einen möglichst großen Drehwinkel innerhalb des Maximalbereiches von 180° ein hohes, insbesondere konstantes Drehmoment und dieses bei linearem Verlauf gegenüber dem Erregerstrom 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 gelöst durch einen elektromagnetischen Verstellantrieb mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
• Ein solcher Verstellantrieb ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise mit kurzen axialen Längen und zumindest in einer seitlichen Ausdehnung niedrigen Maßen, weil nicht wie bei zum Beispiel der Lösung nach der EP0342 733 in Unfangsrichtung ein äußerer Eisenrückschluß erforderlich ist, der in einem bestimmten Abstand von den Polzähnen der Statorpole angeordnet sein muß, damit zwischen diesen zwecks Verhinderung der Sättigung der Polzähne ein Mindestluftabstand eingehalten 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 verhältnismäßig nahe, so daß zwischen diesen ein Streufluß fließt, der schließlich zu einer Sättigung der Polzähne führt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Luftabstand der Polzähne der Statorpole von anderen Eisenteilen mit unterschiedlichem magnetischen Potential so groß gehalten, daß keine Sättigungserscheinungen in den Polzähnen 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 Erregerwicklungen derart auf dem Außenstator angeordnet, daß sie die Polzähne der Statorpole weitgehend umschließen und somit das Magnetfeld aus diesem Bereich verdrängen.
• Bei einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Verstellantrieb umfassen die beiden Statorpole den Permanent-Innenrotor symmetrisch von beiden Seiten, und die Erregerwicklungen können soweit in den Bereich der Polzähne angeordnet werden, daß sie diese zum größten Teil umschließen und somit den Magnetfuß aus diesen Bereichen verdrängen, um Sättigungserscheinungen zu vermeiden.
• Die Einzelteile des Außenstators, des Innenrotors usw. sind in einem Gehäuse aus unmagnetischem Material, wie zum Beispiel Aludruckgruß, eingebaut, damit die magnetischen Eisenwege unabhängig von der Gehäuseform und den Eigenschaften des Gehäuses optimiert werden können.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstellantriebes im Längsschnitt entlang der Schnittlinie I-I der 2; und
• 2 einen Querschnitt des Verstellantriebes nach 1.
• Bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Verstellantriebs nach den 1 und 2 enthält der Verstellantrieb einen Außenstator 1, der aus zwei Statorteilen 11 und 12 sowie einem stirnseitigen Eisenrückschluß 19 zusammengesetzt ist. Diese Teile sind mittels Schrauben in einem Gehäuse 7 aus nichtmagnetischem Material, zum Beispiel Aludruckguß, befestigt. Die Statorteile 11 und 12 tragen einander gegenüberliegende Statorpole 2, die einen Innenrotor 4 über eine verhältnismäßig große Umfangsbreite umschließen. Auf den Statorpolen 2 sind je eine Erregerwicklung 13, 14 angeordnet. Polzähne 6 an den Statorpolen 2 werden von den Erregerwicklungen 13, 14 zum größten Teil umschlossen. Die Erregerwicklungen 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 gelagert, die den Innenrotor 4 trägt. Der Innenrotor 4 trägt auf einem Eisenrückschluß 9 zwei Permament-Rotormagnete 5, die über eine verhältnismäßig große Umfangsbreite magnetisiert sind, wie die in 2 angedeutete Magnetisierungslücke andeutet. Diese große Umfangsbreite des Rotormagneten 5 in Verbindung mit einer verhältnismäßig großen Umfangsbreite der Statorpole 2 ergibt einen verhältnismäßig großen Arbeitsbereich des Verstellantriebs, über den das Drehmoment linear vom Erregerstrom abhängt. Da das Gehäuse 7 aus nichtmagnetischem Material besteht, können sich auch keine Streuflüsse zwischen den Polzähnen 6 und dem Gehäuse ausbilden, was der Fall wäre, wenn das Gehäuse 7 als magnetischer Eisenrückschluß dienen würde. Der Abstand zwischen den Polzähnen 6 bzw. den Statorteilen 11 und 12 gegenüber dem Eisenrückschluß 19 ist verhältnismäßig groß. Dieser Ab stand wird jedoch durch die Erregerwicklungen 13, 14 benötigt, so daß kein Platz verschenkt wird. Da sich die Erregeewicklungen 13, 14 über einen großen Bereich der Polzähne 6 erstrecken, wird das Magnetfeld aus diesem Bereich weitgehend verdrängt. Es wäre auch möglich, die Erregerwicklungen 13 und 14 noch weiter über die Polzähne 6 zu erstrecken, wenn die Wicklungen bogenförmig entlang der kreisförmigen Innenfläche der Statorpole 2 verliefen.
• Bei dem in den 1 und 2 dargestellten elektromagnetischen Verstellantrieb ergeben sich symmetrisch gleich lange Eisenwege zwischen den Erregerwicklungen 13, 14 und den Statorpolen 2, so daß eine gute Linearität des Drehmoments über den Drehwinkel abhängig vom Erregerstrom erzielt wird. Hierbei werden die Erregerwicklungen 13, 14 so erregt, daß sie magnetisch gleichsinnig wirken.
• 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 Gehäuses 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 Magnetisierungslücke zwischen den beiden Permanent-Rotormagneten 5 nur ein Teil ausgenutzt werden. Es ist bei den erfindungsgemäßen Konstruktionen des Verstellantriebes jedoch möglich, Drehbewegungen in einem Bereich von etwa 120° zu erzielen, in dem das Drehmoment praktisch linear vom Erregerstrom abhängt.
• Die je zwei Erregerwicklungen können zum Beispiel auch zu einer „Spule" zusammengefaßt sein. Die für die Erfindung vorteilhafte Symmetrie der magnetischen Flußverteilung kann dann durchaus noch gewahrt werden.

Claims (5)

1. Elektromagnetischer Verstellantrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung von maximal 180°, insbesondere zur Drosselklappenverstellung eines Verbrennungsmotors, mit einem geteilten Weicheisen-Außenstator (1) in Blockbauweise mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, der zwei sich gegenüberliegende ausgeprägte Statorpole (2) verhältnismäßig großer Umfangsbreite zwischen den Polzähnen (6) sowie mindestens eine Erregerwicklung (13, 14) aufweist, und mit einem zwischen den Statorpolen (2) drehbar angeordneten, mindestens zweipoligen Permanentmagnet-Innenrotor (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Außenstator (1) aus zwei gleichen Statorteilen (11, 12) zusammengesetzt ist, die je einen der beiden Statorpole (2) aufweisen, die den Innenrotor (4) unter Bildung symmetrischer Eisenwege umschließen, dass zwei Erregerwicklungen (13, 14) vorgesehen sind, die bei Erregung im Rotorkern magnetisch gleichsinnig zusammenwirken; dass die zwei Statorteile (11, 12) einen sich stirnseitig erstreckenden Eisenrückschluß (19) aufweisen; und dass ein Gehäuse (7) aus nichtmagnetischem Material vorgesehen ist, in dem die Einzelteile des elektromagnetischen Verstellantriebs eingebaut sind.
2. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftabstand der Polzähne (6) der Statorpole (2) von anderen Eisenteilen mit unterschiedlichem 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 Erregerwicklungen (13, 14) derart auf dem Außenstator (1) angeordnet sind, dass sie die Polzähne (6) der Statorpole (2) weitgehend umschließen.
4. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Ausgangswelle (8) aufweist, wobei an der Ausgangswelle (8) ein Winkelsensor zum Rückmelden der jeweiligen Winkelposition angeordnet ist.
5. Elektromagnetischer Verstellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtmagnetische Material des Gehäuses (7) Aludruckguss ist.