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Title:
ELECTRIC ROTARY ACTUATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1990/002870
Kind Code:
A1
Abstract:
An electric actuator for driving a regulating element, in particular a throttle arranged in the air intake pipe of an internal combustion engine, has a direct current-excited bipolar stator (11) and a permanent magnetic bipolar rotor (12). In order to increase its efficiency and to obtain a torque curve that can be measured according to angular position, both stator poles (13, 14) are asymmetrically shaped and the rotor poles (20, 21) are asymmetrically arranged at the rotor (12) and extend over a circumferential angle greater than 90�.

Inventors:
Lungu, Corneliu
Application Number:
PCT/DE1989/000543
Publication Date:
March 22, 1990
Filing Date:
August 19, 1989
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH LUNGU, Corneliu.
International Classes:
F02D11/10; H01F7/14; (IPC1-7): F02D11/10; H01F7/14
Foreign References:
US4698535A1987-10-06
US4276499A1981-06-30
US2909685A1959-10-20
DE3743309A11989-06-29
US3991332A1976-11-09
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Claims:
Ansprüche
1. Elektrischer Drehsteller zum Antrieb eines Stellelements, insbesondere einer Drosselklappe im Luftansaugrohr einer Brennkraftmaschine, mit einem Stator, der eine Gleichstromerregerwicklung und zwei Statorpole aufweist, und mit einem zwischen den Statorpolen drehbeweglichen, mit einer Stellwelle fest verbundenen Rotor, der zwei gegensinnig magnetisierte permanentmagnetische Rotorpole trägt, die unter Belassung eines Luftspaltes den Statorpolen gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Statorpole (13,14) unsymmetrisch mit stark voneinander abweichender Polbreite, in Umfangsrichtung gemessen, ausgebildet sind und daß die Rotorpole (20,21) asymmetrisch am Rotor (12) angeordnet sind und sich jeweils über einen Umfangswinkel von größer als 90° erstrecken.
2. Drehsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung gemessene Polbreite des Statorpols (13) mit der kleineren Polbreite in etwa gleich dem Erstreckungswinkel der Rotorpole (20,21) ist.
3. Drehsteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole (20,21) längs ihrer axialen Längsseite nahezu aneinanderstoßen und sich über etwa 120° bis 130° erstrecken und daß die Polbreite des Statorpols (13) mit der kleineren Polbreite etwa 120° bis 130° und die Polbreite des Statorpols (14) mit der größeren Polbreite etwa 230° beträgt.
4. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole (20,21) als schalenförmige Permanentmagnetsegmente (22,23) ausgebildet sind und auf einem drehfest mit der Stellwelle (10) verbundenen Träger (24) aus weichmagnetischem Material sitzen.
5. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (25) unsymmetrisch derart ausgebildet ist, daß in einer Drehstellung des Rotors (12), vorzugsweise in seiner 90°Drehstellung, zwischen mindestens einem Teilabschnitt eines Rotor und Statorpols (20,14) eine größere radiale Luftspaltbreite besteht.
6. Drehsteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des unsymmetrischen Luftspaltes (25) die Polfläche (16) des Statorpols (14) mit der größeren Polbreite einen etwa über die Hälfte der Polbreite sich erstreckenden Flächenabschnitt (161) aufweist, der gegenüber dem verbleibenden Flächenabschnitt (162) radial zurückversetzt ist.
7. Drehsteller nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zurückversetzte Polflächenabschnitt (161) des Statorpols (14) sich von der bezüglich der Rotordrehung auflaufende Polkante über etwa 100° der Polbreite erstreckt.
Description:
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Elektrischer Drehsteller

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Drehsteller zum Antrieb eines Stellelements, insbesondere einer Drosselklappe im Luftansaugrohr einer Brennkraf maschine, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Ein solcher Drehsteller ist beispielsweise in der DE-OS 37 43 309 beschrieben. Bei diesen Drehstellern für Drosselklappen mit einem maximalen Drehwinkelbereich von 90°, sog. E-Gas-Drehstellern, ist es wesentlich, daß bei Ausfall der Stromversorgung der Drehsteller in seine Ausgangslage zurückkehrt, in welcher die Drosselklappe den Querschnitt αes Luftansaugrohrs weitgehend verschließt.

Bei einem bekannten Drehsteller für eine Drosselklappe (DE-OS 32" 34 468) ist hierzu eine an der Stellwelle oder an der damit drehfest verbundenen Drosselklappe angreifende Rückstellfeder vorgesehen. Eine solche Rückstellfeder beeinflußt jedoch das an der Stellwelle zur Verfügung stehende Nutzmoment ungünstig.

Bei beiden Drehstellern sind die Stator- und Rotorpole gleich und symmetrisch ausgebildet und am Stator und Rotor gleichmäßig verteilt angeordnet.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehsteller mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die unsymmetrische Gestaltung der Stator- und Rotorpole in der genannten Weise innerhalb des vorgegebenen Drehwinkelbereichs des Rotors eine maximale

Magnetflußänderung bewirkt wird, was grundsätzlich zu einem hohen Wirkungsgrad führt. Der Drehmomentverlauf kann dabei gezielt drehwinkelabhängig bemessen werden.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Drehstellers möglich.

Wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung noch zusätzlich der Luftspalt unsymmetrisch derart ausgebildet, daß die radiale Breite der Luftspaltabschnitte zwischen den Rotor- und Statorpolen in der Ausgangslage des Rotors bei stromloser Erregerwicklung minimal und in der durch Statorerregung erreichten Endlage maximal ist, so tritt in der Endlage des Rotors nach Abschalten der Statorerregung ein magnetisches Rückstellmoment auf, das den Rotor in seine Ausgangslage zurückdreht. Eine drehfest mit

der Stellwelle verbundene Drosselklappe kehrt damit automatisch in ihre Schließstellung zurück. Damit ist eine Rückstellfeder überflüssig und durch deren Wegfall wird das Nutzmoment an der Stellwelle verbessert.

Eine annähernd optimale konstruktive Auslegung des erfindungsgemäßen Drehstellers erhält man dadurch, daß gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Rotorpole an einer axialen Längsseite etwa aneinanderstoßen und sich in ümfangsrichtung über etwa 120° bis 130° erstrecken und daß die Polbreite des einen Statorpols etwa 130° und die des anderen etwa 230° beträgt, wobei der von der auflaufenden Kante dieses Statorpols über etwa 100° sich erstreckende Flächenabschnitt der Polfläche des Statorpols gegenüber dem verbleibenden Flächenabschnitt zurückversetzt ist.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung eine Seitenansicht eines elektrischen Drehstellers, teilweise geschnitten und in schematischer Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in der Zeichnung schematisch dargestellte Drehsteller dient zum Antrieb einer Drosselklappe im Luftansaugrohr einer Brennkraftmaschine, die den Querschnitt des Luftansaugrohrs in einer LeerlaufStellung minimal und in einer Vollgasstellung vollständig freigibt. Leerlauf- und Vollgasstellung sind in der Zeichnung durch strichpunktierte Linie gekennzeichnet. Der Übergang von LeerlaufStellung in Vollgasstellung wird durch eine Drehung der Drosselklappe um ca. 90° bewirkt. Hierzu ist die Drosselklappe mit einer Stellwelle 10 des Drehstellers verbunden.

Der Drehsteller besteht in bekannter Weise aus einem Stator 11 und einem im Stator 11 drehenden Rotor 12, der drehfest mit der Stellwelle 10 verbunden ist. Der Stator 11 trägt zwei ausgeprägte Statorpole 13,14, die asymmetrisch mit stark voneinander abweichenden Polbreiten (in ümfangsrichtung gemessen) ausgebildet sind. Die beiden Statorpole 13,14 sind über ein Rückschlußjoch 17 miteinander verbunden. Das Rückschlußjoch 17 wird von einer Spule 18 mit einer einsträngigen Erregerwicklung 19 umschlossen, die zur θ gewünschten Verdrehung des Rotors 12 mit einem Gleichstrom vorgegebener Größe bestro t wird. Die Polung der Erregerwicklung 19 ist dabei so gewählt, daß der Statorpol 14 mit größerer Polbreite den Südpol und der Statorpol 13 mit der kleineren Polbreite den Nordpol bildet.

5 Entsprechend der zweilpoligen Ausführung des Stators 11 trägt der Rotor 12 zwei permanentmagnetische Rotorpole 20 bzw. 21, die von schalenförmigen Permanentmagnetsegmenten gebildet werden. Die identisch ausgebildeten Permanentmagnetsegmenten 22,23 sind auf einem mit der o Stellwelle 10 drehfest verbundenen Träger 24 in unsymmetrischer Anordnung befestigt, wobei die beiden Permanentmagnetsegmente 22,23 mit jeweils einer ihrer axialen Längsseiten 22a und 23a aneinanderstoßen. Die Magnetisierung der Rotorpole 20,21 ist dabei so getroffen, 5 daß in der in der Zeichnung dargestellten Ausgangslage des Rotors 12 der permanentmagnetische Nordpol 22 im wesentlichen von demjenigen Statorpol 13 übergriffen wird, der ebenfalls den Nordpol darstellt und der permanentmagnetische Südpol 23 im Bereich des den Südpol 0 bildenden Statorpols 14 liegt.

Zwischen den Statorpolen 13,14 und den Rotorpolen 20,21 ist ein ringförmiger Luftspalt 25 ausgebildet. Während der Luftspaltabschnitt 251 unter der Polfläche 15 des Statorpols

13 im wesentlichen konstant ist, liegen unter der Polfläche 16 des Statorpols 14 zwei Luftspaltabschnitt 252 und 253 mit stark voneinander abweichender radialer Luftspaltbreite. Während der Luftspaltabschnitt 252 eine gleiche Luftspaltbreite wie der Luftspaltabschnitt 251 unter dem Statorpol 13 aufweist, ist die radiale Luftspaltbreite im Bereich des Luftabschnitts 253 stark vergrößert. Um dies zu erreichen, weist der Statorpol 14 mit der größeren Polbreite einen Polflächenabschnitt 161 auf, der sich etwa über die Hälfte der Polbreite erstreckt und gegenüber dem verbleibenden Flächenabschnitt 162 der Polfläche 16 radial zurückversetzt ist. Die Anordnung der unsymmetrischen Statorpole 13 und 14 und der asymmetrisch auf dem Träger 24 sitzenden Rotorpole 20,21 ist so getroffen, daß in der in der Zeichnung dagestellten Ausgangslage des Rotors 12 bei unbestromter Erregerwicklung 19 die Rotor- und Statorpole 13,14 bzw. 20,21 einander am Luftspalt 25 mit minimaler Luftspaltbreite gegenüberliegen und bei Drehung des Rotors 12 um ca. 90° der den Nordpol bildende Rotorpol 20 im wesentlichen von dem zurückversetzten Flächenabschnitt 161 der Polfläche 16 des den Südpol bildenden Statorpols 14 mit der größeren Polbreite überdeckt wird. Dies bewirkt, daß in diesem Zustand bei Abschaltung der Bestromung der Erregerwicklung 19 der Rotor 12 in die in der Zeichnung dargestellte Ausgangslage zurückkehrt.

Bei einer realisierten Ausführungsform des beschriebenen Drehstellers trägt die in Umfangsrichtung gemessene Polbreite der Rotorpole 20,21 etwa 130°, die ebenfalls in Umfangsrichtung gemessene Polbreite des Statorpols 13 mit der kleineren Polbreite ebenfalls etwa 130° und die

Polbreite des Statorpols 14 mit der größeren Polbreite etwa 230°. Der zurückversetzte Flächenabschnitt 161 der Polfläche 16 des letztgenannten Statorpols 14 erstreckt sich dabei von der bezüglich der Rotordrehung auflaufenden Polkante über etwa 100°.

Durch die unsymmetrische Gestaltung der Rotor- und Statorpole 20,21,13,14 kann ein drehwinkelabhängiger Verlauf des Drehmoments erzielt werden. Innerhalb des vorgegebenen Drehwinkelbereichs von 90° wird eine maximale Magnetflußänderung bewirkt, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt. Durch die minimale Luftspaltbreite in der Ausgangslage des Rotors 12 und durch die maximale Luftspaltbreite in der Endlage des Rotors 12 kehrt der Rotor 12 bei Abschaltung der Statorerregung durch das magnetische Moment in seine Ausgangslage zurück, so daß eine gesonderte, das Nutzmoment an der Stellwelle 10 reduzierende Rückstellfeder für den Rotor 12 entfallen kann.