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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Winkelstellan trieb gemäß Anspruch
1.
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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.
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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.
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Weiterhin sind zum Antrieb derartiger
Klappen Antriebsvorrichtungen mit permanentmagnetisch erregten
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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.
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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.
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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.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt
durch die Lehre des Anspruchs 1; vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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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:
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1 den
Prinzipaufbau einer von einem Winkelstellantrieb in einem Rohrsystem
zwischen zwei Endstellungen verstellbaren Klappe;
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2 einen
Winkellantrieb in asymmetrischer Stator-Bauart;
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3 einen
Winkellantrieb in symmetrischer Stator-Bauart mit elektrischer Außenstator-Erregung;
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4 einen
Winkellantrieb in symmetrischer Stator-Bauart mit elektrischer Innenstator-Erregung;
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5 ein
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
in symmetrischer Stator-Bauart mit elektrischer Außenstator-Erregung;
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6 einen
Winkellantrieb in asymmetrischer Stator-Bauart.
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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
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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.
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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.
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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 1–3 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 1–3 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.
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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 1–3 eine Änderung
der Lage der Achse II gegenüber
der Achse I einstellbar ist.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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 1–3 erfolgt.
Die Achse I des dauermagnetezregten Rotors 4 stellt sich
bei nichterregter Erregerwicklung 2 in Richtung der Luftspaltverengung 5.1 ein.
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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.
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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