DE4443618C5 - Winkelstellantrieb - Google Patents

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Abstract

Winkelstellantrieb mir zwischen zumindest zwei Endstellungen relativ zu einem Stator (1–3) um einen Verstellwinkel (γ) drehbarem Rotor (4) mir folgenden Merkmalen:
a) Der Rotor (4) ist zumindest zweipolig (N; S) dauermagnetisch erregt;
b) der Statur (1–3) ist durch Anschluß einer Erreger-Wicklung (2) an eine Gleichspannungsquelle (P; N) elektromagnetisch erregbar;
c) eine erste Endstellung ist durch die wirksame Achse (I) des maximalen magnetischen Leitwertes für den magnetischen Fluß des dauermagnetischen Rotors (4) bei nicht an die Gleichspannungsquelle (P; N) angeschlossener Erregerwicklung (2) bestimmt;
d) eine weitere Endstellung ist durch die wirksaure magnetische Achse (II) des Stators bei Anschluß der Eregerwicklung (2) an die Gleichspannungsquelle (P; N) bestimmt;
e) die wirksame Achse (I) des maximalen magnetischen Leitwertes für den magnetischen Fluß des dauermagnetischen Rotors (4) ist durch Luftspaltverengungen (5.1; 5.2) des wirksamen Luftspaltes zwischen dem Statur (1–3) und dem Rotor (4) festlegbar;
f) der über den Bohrungsumfang geschlossene Statur (1–3) weist im Bereich der polhornseitigen Polenden allein aufgrund des magnetischen Flusses des dauermagnetischen Rotors (4) unsättigbare, jedoch durch die zusätzliche elektromagnetische Erregung der Erregerwicklung (2) in Sättigung bringbare Rückschluß-Engstellen (1.3;1.4) auf;
j) der dauermagnetisch erregte Rotor (4) ist exzentrisch aus der Bohrungs## verlagert und innerhalb der Statorbohrung des elektrisch erregbaren Statorkerns (1) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelstellan trieb gemäß Anspruch 1.
  • Derartige Winkelstellantriebe sind insbesondere vorteilhaft einsetzbar zur Betätigung von Ventilklappen, durch deren Schließen bzw. Öffnen z. B. die Durchflußmenge von Hydraulikflüssigkeiten in hydraulisch betätigten Verstellungen bzw. von Wassermengen in einem Wärmetauscher einer wasserseitig regelbaren Klimaanlage gesteuert werden können bzw. zur Betätigung einer Luftklappe, durch deren Schließen bzw. Öffnen z. B. die Umstellung zwischen Frischluftbetrieb einerseits bzw. Umluftbetrieb andererseits in einer Kraftfahrzeug-Heizungs/Klimaanlage erfolgen kann.
  • Durch die DE-33 05 725 C2 ist eine Antriebsvorrichtung zur Betätigung einer Klappe in Kraftfahrzeugen zwischen zwei durch Anschläge festgelegten Endstellungen bekannt, bei der zum Einstellen der Klappe ein Schrittmotor verwendet wird, dem zur Gewährleistung eines sicheren Erreichens der Endstellungen in spezieller Ansteuerung jeweils ein Stellbefehl für jede Stellbewegung vorgegeben werden muß, der einer über die Endstellung hinausgehenden Einstellung entspricht.
  • Weiterhin sind zum Antrieb derartiger Klappen Antriebsvorrichtungen mit permanentmagnetisch erregten
  • Gleichstrommotoren bzw. Reluktanzmotoren bekannt, die die Klappe in ihre eine Endstellung bringen; zum selbsttätigen Rücksetzen der Klappe nach dem Abschalten des antreibenden Motors sind entweder gesonderte elektrische Maßnahmen, wie z. B. die Verwendung von Dreibürsten-Systemen bzw. mechanischer Hilfsmittel, wie z. B. rückstellende Federn, vorgesehen. Der Nachteil derartiger Winkelstellantriebe besteht einerseits in einem nicht unerheblichen elektrischen bzw. konstruktiven Aufwand und andererseits in einem nicht gewährleisteten sicheren Betrieb, da bei Federbruch nur das Verstellen in die eine Endstellung möglich, die Rückstellung in die weitere Endstellung jedoch ausgeschlossen ist.
  • Durch den Aufsatz: "Schräg gewickelt" in der Zeitschrift "Elektrotechnik", Heft 22, 1988, Seiten 35–36 ist ein Winkelstellantrieb ohne Bürsten und Rückstellfeder bekannt, bei dem ein elektrischer Antrieb zwischen einem Rotor und einem Stator mit zwei elektrisch voneinander unabhängigen, um 90 Grad zueinander versetzt angeordneten Spulen derart vorgesehen ist, daß bei Anschluß der einen Spule an ein speisendes Netz abhängig von der Stellung des dauermagnetisch erregten Läufers dieser eine Drehbewegung bis in seine neutrale Zone ausführen kann und zur Rückstellung des Rotors in die andere Endstellung die erste Spule abgeschaltet und die zweite Spule an das speisende Spannungsnetz angeschlossen wird; hierbei muß also zur Erzeugung der Rückstellkraft eine gesonderte Spule mir eigenem Stromkreis vorgesehen werden.
  • Durch die im Oberbegriff des Anspruchs 1 berücksichtigte DE 38 30114 A1 ist ein elektrischer Drehsteller zum Antrieb eines Stellantriebs, insbesondere einer Drosselklappe im Luftansaugrohr einer Brennkraftmaschine, mit einem gleichstromgespeisten Stator und einem permanentmagnetischen zweipoligen Rotor bekannt; nach einer Ausgestaltung kann der Luftspalt unsymmetrisch derart ausgebildet sein, daß die radiale Luftspaltbreite in der Ausgangslage des Rotors bei stromloser Erregerwicklung minimal und in der durch eine Statorerregung erreichten Endlage maximal ist; dadurch tritt in der Endlage des Rotors nach Abschaltung der Statorerregung ein magnetisches Rückstellmoment auf, das den Rotor in seine Ausgangslage zurückdreht und eine mit dem Rotor gekoppelte Drosselklappe in ihre Schließstellung bringt Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen konstruktiv und fertigungstechnisch aufwandsarmen und trotzdem betriebssicheren Winkelstellantrieb anzugeben, der auf einfache Weise auch eine Anpassung seiner Drehmoment-Verstellwinkel-Kennlinie an verschiedene Antriebsbedingungen ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die Lehre des Anspruchs 1; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der erfindungsgemäße Winkelstellantrieb benötigt lediglich eine einzige, aus einer Gleichspannungsquelle speisbare elektrische Erregung zur Einstellung der einen Endstellung; die weitere Endstellung erfolgt selbsttätig ohne mechanische durch den Aufbau und damit insbesondere den Verlauf der magnetischen Achse des rotorseitigen Permanentmagneten eine Anpassung an eine bestimmte Drehmoment-Drehwinkel-Charakteristik ermöglicht ist; über die Lage der Luftspaltengpässe kann darüberhinaus ohne Rücksichtnahme auf gegebene Einbau- bzw. Platzverhältnisse der Winkel γ weitgehend beliebig festgelegt werden, wobei in vorteilhafter Weise durch entsprechende Umpolung der speisenden Gleichspannungsquelle außer dem Winkel γ auch der Winkel 180-γ mit einer Verstellbewegung in Gegenrichtung verwirklichbar ist.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand schematischer Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:
  • 1 den Prinzipaufbau einer von einem Winkelstellantrieb in einem Rohrsystem zwischen zwei Endstellungen verstellbaren Klappe;
  • 2 einen Winkellantrieb in asymmetrischer Stator-Bauart;
  • 3 einen Winkellantrieb in symmetrischer Stator-Bauart mit elektrischer Außenstator-Erregung;
  • 4 einen Winkellantrieb in symmetrischer Stator-Bauart mit elektrischer Innenstator-Erregung;
  • 5 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel in symmetrischer Stator-Bauart mit elektrischer Außenstator-Erregung;
  • 6 einen Winkellantrieb in asymmetrischer Stator-Bauart.
  • 1 zeigt im Prinzipbild ein Rohrsystem R, z. B. in dem Warmwasserzufluß zu einem Wärmetauscher in einem Kraftfahrzeug-Klimagerät dessen Durchflußmenge durch unterschiedliches periodisches Bewegen einer Klappe K zwischen einer ersten Schließ-Endstellung und einer zweiten Öffnungs-Endstellung über einen aus einem Gleichspannungsnetz P; N gespeisten Winkelstellantrieb mit dauermagnetisch erregtem Rotor 4 einstellbar ist
  • 2 zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel des in 1 nur schematisch dargestellten Winkelstellantriebs. Ein zweipolig N; S dauermagnetisch erregter Rotor 4 ist drehbar innerhalb eines über seinen Umfang geschlossenen Statorkerns 1 auf einer Rotorachse 6 angeordnet Der über seinen Bohrungsumfang geschlossene Statorkern 1 besteht im wesentlichen auf zwei Schenkeln 1.7; 1.8, die durch ein einsetzbares Rückschlußjoch 3 verbunden sind, das von einer Erregerwicklung 2 umgeben ist.
  • Der dauermagnetisch erregte Rotor 4 ist in seiner einen Endstellung bei nicht an die speisende Gleichspannungsquelle P; N angeschlossener Erregerwicklung 2 dargestellt. Diese Stellung entspricht der Ausrichtung des dauermagnetisch erregen Rotors 4 mit seinen zwei Polen N; S entsprechend der durch den wirksamen Luftspalt 5 festgelegten Achse I maximalen Leitwertes für den über den Luftspalt 5 übertretenden magnetischen Fluß des Rotors 4; diese Achse I des maximalen Leitwertes ist bestimmt durch Luftspaltverengungen 5.1; 5.2 in Richtung der Achse I bzw. durch Luftspalterweiterungen 5.3; 5.4 senkrecht zur Achse I.
  • Die bei Anschluß der Erregerwicklung 2 an die speisende Gleichstromquelle P;N festgelegte weitere Endstellung entspricht der um den Verstellwinkel γ bzw. 180-γ gegenüber der Achse I verdrehten wirksamen Achse II des erregten Stators 13 bei jeweils angenommenem Anschlußsinn der Gleichspannungsquelle P;N. Um zu gewährleisten, daß zur Festlegung der wirksamen Achse II der elektrisch erregte Magnetfluß über den Luftspalt 5 zwischen dem Stator 1 einerseits und dem dauermagnetisch erregten Rotor 4 andererseits an definierten Stellen des Bohrungsumfanges über den Luftspalt 5 übertritt, sind in vorteilhafter Weise Rückschluß-Engstellen 1.3; 1.4 durch Ausnehmungen 1.5; 1.6 derart vorgesehen, daß der Stator 13 im Bereich der Rückschluß-Engstellen 1.3; 1.4 allein aufgrund der dauermagnetischen Erregung des Rotors 4 noch nicht in Sättigung gerät, jedoch durch die zusätzliche elektrische Erregung der Erregerwicklung 2 bei deren Anschluß an die Gleichspannungsquelle P; N magnetisch gesättigt ist und somit einen hohen magnetischen Widerstand für den elektromagnetisch erregten Magnetfluß bildet.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 liegen die Ausnehmungen 1.5; 1.6 zur Erzielung der Sättigungsbereiche bei eingeschalteter Erregerwicklung in dem Bereich der Luftspalt-Verengungen 5.1; 5.2. Es ist ersichtlich, daß durch einfache Formgestaltung des Stators 13 eine Änderung der Lage der Achse II gegenüber der Achse I einstellbar ist.
  • Aufgrund der zuvor geschilderten Ausführung des Winkelstellantriebs ist der Rotor 4 bei Anschluß der Erregerwicklung 2 an die speisende Gleichspannungsquelle P; N aus seiner eingezeichneten Lage entsprechend der Achse I um den Winkel γ in die Lage der Achse II verstellbar und anschließend durch einfaches Abschalten der Erregerwickiung 2 von der speisenden Gleichspannungsquelle P; N in seine Ausgangstage wieder rückstellbar. Durch Ändern des Anschlußsinnes der Erregerwicklung 2 an die speisende Gleichspannungswelle P; N kann eine Verstellung des Rotors in Gegendrehrichtung um den Winkel 180-γ erreicht werden.
  • Die magnetischen Rückschluß-Engstellen 1.3; 1.4 bzw. die Luftspalt-Verettgungen 5.1; 5.2 in Richtung der Achse I sind in 2 in fertigungstechnisch besonders einfacher Weise jeweils durch Einknickung der Polhörner des Statorkerns 1 in diesem Bereich erreicht.
  • 3 zeigt einen Winkelstellantrieb in symmetrischer Bauart und zweipoliger Außenstator-Ausführung. Der Statorkern 1 besteht aus einem Polstern mit je einem Polhais 1.1; 1.2 mir über den Umfang geschlossenen Polhörnern und auf die Polhälse 1.1; 1.2 aufgesteckten Wicklungen 2. Der derart mit Wicklungen 2 bestückte Polstern ist in ein umgebendes Rückschlußjoch 3 eingesetzt. Der eigentliche geometrische Luftspalt 5 zwischen dem dauermagnetisch erregten Rotor 4 und dem Statorkern 1 besitzt über seinen ganzen Umfang den gleichen radialen Abstand. Zur Festlegung der Achse I sind Luftspalt-Erweiterungen in Form von in den Polstern eingeformten Ausnehmungen 5.3; 5.4 vorgesehen. Die die zweite Winkelstellung bestimmende Achse II im Winkelabstand γ zur die erste Endstellung bestimmenden Achse I ergibt sich aufgrund der Anordnung der Erregerwicklung 2 sowie der durch Ausnehmungen 1.5; 1.6 geschaffenen Rückschluß-Engstellen 1.3, 1.4; diese sind derart ausgelegt, daß sie allein durch den Magnetfluß des dauermagnetisch erregten Rotors 4 noch nicht sättigbar jedoch bei zusätzlichem, durch die angeschlossene Erregerwicklung 2 erzeugtem elektrisch erregtem Magnetfluß in Sättigung geraten
  • Durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung und/oder Lageänderung der Luftspalterweiterungen 5.3; 5.4, die selbstverständlich auch in den Außenrand der Bohrungsfläche des Polsternes eingearbeitet sein können, ist es auf einfache Weise möglich, die Drehmoment-Drehwinkel-Charakteristik sowie den Drehwinkel selbst verschiedenen Vorgaben anzupassen.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Winkelstellantriebes in symmetrischer Bauform mit elektrisch erregbarem Innenstator. Der radial innerhalb des umgebenden dauermagnetisch erregten, von einem Rückschlußgehäuse 3 umschlossenen Rotors 4 angeordnete Statorkern 1 trägt direkt eine zweipolige Wicklung 2 und ist auf einer Achse 6 befestigt, auf der der Rotor 4 drehbar gelagert ist Die Luftspalt-Erweiterungen 5.3; 5.4 bzw. Luftspalt-Engstellen 5.1; 52 werden durch unterschiedliche radiale Weite des geometrischen Luftspaltes 5 aufgrund eines von der Kreisform abweichenden Statorkerns 1 in einer kreisförmigen Bohrung des dauermagnetisch erregten Rotors 4 im beschriebenen Ausführungsbeispiel derart angeordnet, daß die Achse I um einen Verstellwinkel γ von 90 Grad gegenüber der Achse II des Innenstators verdreht ist Die Rückschluß-Engstellen 1.3; 1.4 werden im vorliegenden Ausführungsbeispiels durch streustegartige Ausbildungen des Statorkerns 1 in seinen polhornendseitigen Randbereichen gebildet.
  • In 5 ist ein Winkelstellantrieb dargestellt, bei dem die geometrische Ausgestaltung des Luftspaltes 5 durch exzentrischen Versatz des Rotors 4 in der kreisförmigen Bohrung des Stators 13 erfolgt. Die Achse I des dauermagnetezregten Rotors 4 stellt sich bei nichterregter Erregerwicklung 2 in Richtung der Luftspaltverengung 5.1 ein.
  • Wird die Erregerwicklung 2 von der Gleichspannungsquelle P; N gespeist, so wirkt das magnetische Statorfeld mir seiner wirksamen Achse II auf den exzentrisch aus der Bohrungsmitte verlagerten Rotor 4 und . verstellt den Rotor 4 aus seiner Achse I in Richtung der magnetischen Achse II des Stators um den Verstellwinkel γ. Die magnetischen Engpässe 1.3; 1.4 besorgen auch hier, daß das magnetische Ständerfeld über den Luftspalt 5 auf den dauermagnetischen Rotor 4 gelenkt wird Ebenso wie bereits beschrieben, Führt ein Vertauschen der Anschlüsse der Erregerwicklung 2 zu einer Drehrichtungsumkehr mit dem dann auftretenden Verstellwinkel 180°-γ.
  • 6 zeigt einen weitgehend mit 2 identische Winkelstellantrieb jedoch liegen die Ausnehmungen 1.5; 1.6 zur Erzielung der Sättigungsbereiche bei eingeschalteter Erregerwicklung nicht im Bereich der Luftspaltverengungen 5.1; 52 sondern sind um einen Umfangswinkel versetzt angeordnet; es ist ersicht lich, daß damit durch einfacher Verlegung der Ausnehmungen 1.5; 1.6 der Verstellwinkel γ veränderbar ist

Claims (3)

  1. Winkelstellantrieb mir zwischen zumindest zwei Endstellungen relativ zu einem Stator (13) um einen Verstellwinkel (γ) drehbarem Rotor (4) mir folgenden Merkmalen: a) Der Rotor (4) ist zumindest zweipolig (N; S) dauermagnetisch erregt; b) der Statur (13) ist durch Anschluß einer Erreger-Wicklung (2) an eine Gleichspannungsquelle (P; N) elektromagnetisch erregbar; c) eine erste Endstellung ist durch die wirksame Achse (I) des maximalen magnetischen Leitwertes für den magnetischen Fluß des dauermagnetischen Rotors (4) bei nicht an die Gleichspannungsquelle (P; N) angeschlossener Erregerwicklung (2) bestimmt; d) eine weitere Endstellung ist durch die wirksaure magnetische Achse (II) des Stators bei Anschluß der Eregerwicklung (2) an die Gleichspannungsquelle (P; N) bestimmt; e) die wirksame Achse (I) des maximalen magnetischen Leitwertes für den magnetischen Fluß des dauermagnetischen Rotors (4) ist durch Luftspaltverengungen (5.1; 5.2) des wirksamen Luftspaltes zwischen dem Statur (13) und dem Rotor (4) festlegbar; f) der über den Bohrungsumfang geschlossene Statur (13) weist im Bereich der polhornseitigen Polenden allein aufgrund des magnetischen Flusses des dauermagnetischen Rotors (4) unsättigbare, jedoch durch die zusätzliche elektromagnetische Erregung der Erregerwicklung (2) in Sättigung bringbare Rückschluß-Engstellen (1.3;1.4) auf; j) der dauermagnetisch erregte Rotor (4) ist exzentrisch aus der Bohrungs## verlagert und innerhalb der Statorbohrung des elektrisch erregbaren Statorkerns (1) angeordnet.
  2. Winkelstellantrieb nach Anspruch 1 mit dem Merkmal: k) Der Stator (13) besteht aus einem die Erregerwicklung (2) aufnehmenden Statorkern (1), der in ein umgebendes Rückschlußjoch (3) eingesetzt ist.
  3. Winkelstellantrieb nach Anspruch 2 mit dem Merkmal: m) Der dauermagnetisch erregte Rotor (4) ist von dem Rückschlußjoch (3) umschlossen.
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