WO1991003063A1 - Elektromagnetischer drehsteller - Google Patents

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WO1991003063A1
WO1991003063A1 PCT/DE1990/000597 DE9000597W WO9103063A1 WO 1991003063 A1 WO1991003063 A1 WO 1991003063A1 DE 9000597 W DE9000597 W DE 9000597W WO 9103063 A1 WO9103063 A1 WO 9103063A1
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rotary actuator
permanent magnet
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magnet segments
magnetic
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PCT/DE1990/000597
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Harald Kalippke
Friedrich Wendel
Erhard Renninger
Claus Kramer
Johannes Meiwes
Dieter Dick
Herbert Becker
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/14—Pivoting armatures
    • H01F7/145—Rotary electromagnets with variable gap
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/14—Pivoting armatures

Definitions

  • the invention is based on a turntable according to the preamble of claim 1.
  • a turntable with a magnetic return element which, in the event of power failure of the servomotor, causes the armature of the turntable to a defined rest position transferred.
  • the known restoring element consists of two further permanent magnets connected to the armature. As a result of the small torque gradient in the rest position, this leads to a relatively low restoring force.
  • the maximum torque of the restoring element counteracting the control torque is undesirably large. The additional magnets also result in high costs.
  • the turntable according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the reset element has a much simpler structure, a more favorable torque characteristic and is cheaper to produce. Another advantage can be seen in the ease of assembly and the omission of an adjustment of the emergency point in the assembled state of the turntable. In addition, the angular tolerances remain small enough even in large series production. Furthermore, the torque curve can be easily optimized by varying the shape of the air gap, the angle of coverage with the permanent magnets and the thickness of the contour of the restoring element.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a turntable
  • Figure 2 shows a section through the turntable according to line II-II in Figure 1.
  • the rotary actuator 1 has a servomotor 2, the rotor of which acts on a throttle element 3 which is arranged in a bypass line 4 to an intake pipe 5 with a throttle valve for regulating the idle combustion air of an internal combustion engine.
  • the throttle element 3 is designed as a rotary slide valve which has a control opening 6 in the
  • the servomotor 2 consists of a central stator 7 with field windings 8 and a cup-shaped rotor 9 which has two preferably non-polar permanent magnet segments 10 which are arranged on its wall in the form of a cylinder jacket and lie opposite one another. These permanent magnet segments are bowl-shaped and cover an angular range of approximately 135 ° each.
  • the rotor 9 has a shaft 11 which is mounted in two bearings 13, 14 held in a housing 12 with low friction.
  • the throttle element 3 is mounted on the shaft 11 in a rotationally fixed manner.
  • the stator 7 is mounted on a housing cap 16, which covers the rotor 9 and the stator 7 and is connected to the housing 12.
  • the stator 7 carries on its axis 17 facing the housing 12 a restoring element 18 made of ferromagnetic material.
  • the reset element 18 is thus, like the stator 7, non-rotatable. It is designed as a thin disc and is in the effective range of the
  • the restoring element extends radially close to the permanent magnets 10 without touching them. In order to avoid edge effects, the permanent magnet segments 10 protrude beyond the restoring element 18 in the axial extent.
  • the reset element can also be arranged on the end of the axis 17 facing away from the housing 12.
  • the restoring element 18 consists (see FIG. 2) of a central part 19, for example pressed onto the axis 17, with a central bore 20, which carries two opposite radial extensions 21 extending in the form of spokes. At the outer ends of the extensions 21 there are in each case two arms 22, 23, 24, 25 of equal length, which are laterally directed away and which extend approximately along a circular line forming the circumference of the restoring element 18. Two arms 22 and 25 or 24 and 23 together form magnetic poles 25 and 27 of the restoring element 18.
  • the magnetic field lines through the poles 26 and 27 and through the permanent magnet segments 10 are shown in broken lines in FIG.
  • the upper permanent magnet segment 10 forms a magnetic north pole on its inside facing the restoring element 18, the lower segment 10 a south pole.
  • a magnetic south pole is then formed at the pole 26 of the reset element 18 and a magnetic north pole is formed at the pole 27. Since each pole 26, 27 has two arms, two systems of closed magnetic field lines form at each pole. There is a distance of, for example, 45 between two arms 22, 25 and 23, 24, respectively, so that the free ends of the arms 22 to 25 do not touch.
  • the restoring element 18 has cutout segments 28, 29 in the direction of the extensions 21.
  • the cutouts are approximately as wide as the circumferential gaps 30 of the same width formed by the magnetic segments 10 and each approximately 45 °.
  • the radial width of the arms 22 to 25 is small; it is preferably smaller than the thickness of the restoring element 18 measured in the direction of the axis 17.
  • the restoring element 18 has the task of transferring the rotor and thus the throttle element 3 in the de-energized state of the servomotor 2 into a defined position, namely the idle idle position and holding it there, in order to open the opening of an emergency running section in the bypass line 4 by means of the throttle element ensure about the sufficient air can flow for the safe continued operation of the internal combustion engine.
  • a sufficient restoring torque must be available in every operating position of the throttle member 3.
  • the maximum of the restoring torque must not exceed the control torque of the servomotor.
  • the reset element 18 In the idle idle position of the rotor, the reset element 18 is in its magnetic latching point shown in FIG. 2.
  • the cutouts 28, 29 of the restoring element 18 lie exactly opposite the circumferential gaps 30 of the permanent magnet segments 10 at this latching point.
  • the torque curve of the restoring element 18 over the angle of rotation is flatter in comparison to a conventional rotary actuator in the maximum and steeper in the locking position, so that this remains limited to a narrow angular range of 2 ° to 3 °.
  • the latching of the cutouts 28, 29 on the gaps 30 of the permanent magnet segments 10 contributes significantly to the great accuracy with which the rest position is maintained, which is more precise than in the case of restoring elements without cutouts whose uninterrupted poles snap onto the magnet center.

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Abstract

Ein Drehsteller (1) mit magnetischem Rückstellelement (18), insbesondere zur Steuerung eines Drosselquerschnitts soll im Aufbau vereinfacht und der Drehmomentenverlauf des Rückstellelements (18) verbessert werden. Zu diesem Zweck wird das Rückstellelement (18) aus ferromagnetischem Werkstoff ausgeführt und im Bereich der Permanentmagnetsegmente (10) des Stellmotors (2) angeordnet. Durch die Rastung des Rückstellelements (18) auf der Lücke (30) der Permanentmagneten (10) erhöht sich die Genauigkeit, mit der das Element (18) in seine Raststellung einschwenkt. Der Drehsteller (1) ist insbesondere als Leerlaufdrehsteller für Brennkraftmaschinen geeignet.

Description

Elektromagnetischer Drehsteller
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehsteller nach der Gattung des Anspruchs 1. Aus der JP-GM-OS 60-88044 ist bereits ein solcher Drehsteller mit einem magnetischen Rückstellelement bekannt, das bei Ausfall der Stromversorgung des Stellmotors den Anker des Drehstellers in eine definierte Ruhelage überführt. Das bekannte Rückstellelement besteht neben den gehäusefesten Permanentmagneten aus zwei weiteren, mit dem Anker verbundenen Permanentmagneten. Dies führt infolge des kleinen Drehmomentgradienten in der Ruhelage zu einer relativ geringen Rückstellkraft. Andererseits ist das dem Regeldrehmoment entgegenwirkende Maximaldrehmoment des Rückstellelements unerwünscht groß. Außerdem entstehen hohe Kosten durch die zusätzlichen Magnete.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Drehsteller mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das Rückstellelement bei einem wesentlich vereinfachten Aufbau eine günstigere Drehmomentenkennlinie aufweist und preiswerter herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil ist in der Montageerleicherung und dem Wegfall einer Einstellung des Notlaufpunktes in montiertem Zustand des Drehstellers zu sehen. Darüberhinaus bleiben die Winkeltoleranzen auch bei Großserienfertigung klein genug. Weiterhin läßt sich durch Formvariation von Luftspalt, Überdeckungswinkel mit den Permanentmagneten und Dicke der Kontur des Rückstellelements der Drehmomentenverlauf leicht optimieren.
Durch die in den Ansprüchen 2ff aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Drehstellers möglich. Besonders vorteilhaft ist die Anpassung der Ausschnitte in den Polen des Rückstellelements an die Breite der Umfangslücken zwischen den Permanentmagnetsegmenten. Dadurch wird eine sehr genaue Einhaltung der Raststellung erreicht, in die sich das Rückstellelement in stromlosem Zustand des Stellmotors zurückdreht. Durch die Verwendung der Permanentmagneten des Antriebs auch für die Rückstelleinrichtung werden Teile gespart. Die scheibenförmige Bauform reduziert die axiale Baulänge der Rückstelleinrichtung. Durch die geringe radiale Breite der Arme des Rückstellelements wird die magnetische Remanenz gering gehalten und ein genaueres Einhalten der Raststellung erreicht.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Drehsteller, Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den Drehsteller gemäß Linie II-II in Figur 1. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der Drehsteller 1 hat einen Stellmotor 2, dessen Rotor auf ein Drosselorgan 3 wirkt, das in einer Bypassleitung 4 zu einem Ansaugrohr 5 mit Drosselklappe für die Regelung der Leerlaufverbrennungsluft einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das Drosselorgan 3 ist als Drehschieber ausgebildet, der eine Steueröffnung 6 in der
Bypassleitung 4 mehr oder weniger verschließt. Der Stellmotor 2 besteht aus einem zentralen Stator 7 mit Feldwicklungen 8 und einem becherförmigen Rotor 9, der zwei an seiner zylindermantelförmigen Wand angeordnete, einander gegenüberliegende vorzugsweise ungleichpolige Permanentmagnetsegmente 10 aufweist. Diese Permanentmagnetsegmente sind schalenförmig und bedecken einen Winkelbereich von je etwa 135°. Der Rotor 9 besitzt eine Welle 11, die in zwei in einem Gehäuse 12 gehaltenen Lagern 13, 14 reibungsarm gelagert ist. An der Welle 11 ist das Drosselorgan 3 drehfest angebracht.
Der Stator 7 ist an einer Gehäusekappe 16 montiert, die den Rotor 9 und den Stator 7 überdeckt und mit dem Gehäuse 12 verbunden ist. Der Stator 7 trägt auf seiner Achse 17 dem Gehäuse 12 zugewandt ein Rückstellelement 18 aus ferromagnetischem Werkstoff. Das Rückstellelement 18 ist somit, wie der Stator 7 undrehbar. Es ist als dünne Scheibe ausgebildet und befindet sich im Wirkungsbereich der
Permanentmagnetsegmente 10 des Rotors 9. Das Rückstellelement erstreckt sich radial bis nahe an die Permanentmagnete 10, ohne diese zu berühren. Um Randeffekte zu vermeiden, überragen die Permanentmagnetsegmente 10 das Rückstellelement 18 in axialer Erstreckung. Das Rückstellelement kann auch auf dem dem Gehäuse 12 abgewandten Ende der Achse 17 angeordnet sein.
Das Rückstellelement 18 besteht (siehe Figur 2) aus einem auf die Achse 17 z.B. aufgepressten Mittelteil 19 mit zentraler Bohrung 20, das zwei gegenüberliegende speichenformig sich erstreckende radiale Fortsätze 21 trägt. An den äußeren Enden der Fortsätze 21 sind radkranzförmig jeweils zwei seitlich weggerichtete gleichlange Arme 22, 23, 24, 25 angebracht, die sich etwa entlang einer den Umfang des Rückstellelements 18 bildenden Kreislinie erstrecken. Jeweils zwei Arme 22 und 25 bzw. 24 und 23 bilden zusammen magnetische Pole 25 und 27 des Rückstellelements 18.
In Figur 2 sind gestrichelt die Mangnetfeldlinien durch die Pole 26 und 27 und durch die Permanentmagnetsegmente 10 eingezeichnet. Das obere Permanentmagnetsegment 10 bildet an seiner dem Rückstellelement 18 zugewandten Innenseite einen magnetischen Nordpol, das untere Segment 10 einen Südpol. Am Pol 26 des Rückstellelements 18 bildet sich dann ein magnetischer Südpol und am Pol 27 ein magnetischer Nordpol aus. Da jeder Pol 26, 27 zwei Arme aufweist, bilden sich zwei Systeme von geschlossenen Magnetfeldlinien an jedem Pol aus. Zwischen jeweils zwei Armen 22, 25 beziehungsweise 23, 24 besteht ein Abstand von beispielsweise 45 , so daß sich die freien Enden der Arme 22 bis 25 nicht berühren.
Zwischen den Polen 26, 27 hat das Rückstellelement 18 in Richtung der Fortsätze 21 kreissegmentförmige Ausschnitte 28, 29. Die Ausschnitte sind etwa so breit, wie die von den Magnetsegmenten 10 gebildeten gegenüberliegenden gleichbreiten Umfangslücken 30 von jeweils ca. 45º. Die radiale Breite der Arme 22 bis 25 ist gering; sie ist vorzugsweise kleiner als die in Richtung der Achse 17 gemessene Dicke des Rückstellelements 18.
Das Rückstellelement 18 hat die Aufgabe, den Rotor und damit das Drosselorgan 3 in stromlosem Zustand des Stellmotors 2 in eine definierte Lage, nämlich die Leerlauf-Ruhestellung zu überführen und dort zu halten, um mittels des Drosselorgans in der Bypassleitung 4 die Öffnung eines Notlaufguerschnittes zu gewährleisten, über den ausreichend Luft für den sicheren Weiterlauf der Brennkraftmaschine strömen kann. Dazu muß in jeder Betriebslage des Drosselorgans 3 ein ausreichendes Rückstelldrehmoment zur Verfügung stehen. Gleichzeitig darf das Maximum des Rückstelldrehmoments nicht das Regeldrehmoment des Stellmotors überschreiten.
In der Leerlauf-Ruhestellung des Rotors befindet sich das Rückstellelement 18 in seinem in Figur 2 gezeigten magnetischen Rastpunkt. In diesem Rastpunkt liegen die Ausschnitte 28, 29 des Rückstellelements 18 genau gegenüber den Umfangslücken 30 der Permanentmagnetsegmente 10.
Der Drehmomentenverlauf des Rückstellelements 18 über dem Drehwinkel ist gegenüber einem herkömmlichen Drehsteller im Maximum flacher und in der Raststellung steiler, sodaß diese auf einen engen Winkelbereich von 2° bis 3° begrenzt bleibt. Zu der großen Genauigkeit, mit der die Ruhestellung eingehalten wird, trägt maßgeblich die Rastung der Ausschnitte 28, 29 auf den Lücken 30 der Permanentmagnetsegmente 10 bei, die genauer ist als bei Rückstellelementen ohne Ausschnitte, deren ununterbrochene Pole auf Magnetmitte rasten.

Claims

Ansprüche
1. Elektromagnetischer Drehsteller, insbesondere zur Steuerung eines Drosselguerschnitts in einer betriebsmittelführenden Leitung einer Brennkraftmaschine, mit einem Stellmotor mit gegenüber einem Gehäuse festem Stator und drehbarem Rotor, von denen einer symmetrisch zur Drehachse angeordnete gegenüberliegende Permanentmagnetsegmente und der andere stromdurchflossene Feldwicklungen aufweist, sowie mit einem magnetisch wirkenden berührungsfreien Rückstellelement, das im Feld zweier ungleichpoliger Permanentmagneten liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückstellelement (18) aus einem nicht permanentmagnetischen magnetisierbaren Werkstoff besteht und zwei bis eng an die Permanentmagnetsegmente (10) heranreichende Pole (26, 27) besitzt, und daß die Pole (26, 27) durch am Umfang des
Rückstellelements (18) angeordnete Ausschnitte (28, 29), die seine magnetische Wirkung gegenüber den Permanentmagnetsegmenten (10) zumindest schwächen, voneinander getrennt sind.
2. Drehsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschnitte (28, 29) an dem Rückstellelement (18) etwa so breit sind, wie die zwischen den Permanentmagnetsegmenten (10) gebildeten
Umfangslücken (30).
3. Drehsteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Rückstellelement (18) in dem Feld der zu diesem Zweck verlängerten Permanentmagnetsegmente (10) des Stellmotors (2) befindet.
4. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückstellelement (18) aus einer in axialer Erstreckung dünnen Scheibe besteht.
5. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückstellelemeαt (18) ausgehend von seiner radialen Achse jeweils vier sich etwa entlang einer Kreislinie erstreckende Arme (22 bis 25) aufweist und je zwei Arme (22 und 25) beziehungsweise (23 und 24) einen magnetischen Pol (26) beziehungsweise (27) bilden.
6. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (22 bis 25) in radialer Erstreckung nur dünn ausgebildet sind.
7. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen (10) und das Rückstellelement (18) am Stator (7) des Stellmotors (2) angeordnet sind.
8. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (9) des Stellmotors (2) becherförmig den Stator (7) umgreifend ausgebildet ist und die Permanentmagnetsegmente (10) an den zylindrischen Wänden des Rotors (9) angeordnet sind.
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PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 9, no. 110 (E-314)(1833) 15 Mai 1985, & JP-A-60 002 064 (AISHIN SEIKI K.K.) siehe das ganze Dokument *

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AU6048190A (en) 1991-04-03
JPH04507328A (ja) 1992-12-17
BR9007598A (pt) 1992-06-30
EP0487551B1 (de) 1993-11-24
EP0487551A1 (de) 1992-06-03
KR920704321A (ko) 1992-12-19
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