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Title:
ROTATING ACTUATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1992/010663
Kind Code:
A1
Abstract:
A rotating actuator for adjusting the angle of rotation of adjusters, especially a throttle to determine the flow cross-section in a line for internal combustion engines, has an electric servomotor (15) with a two-pole stator (18), a stator winding and a two-pole permanent magnet rotor (20). To obtain a compact structure and ease of manufacture, the stator poles take the form of claw-poles (24, 25) which are connected at opposite ends with an annular jacket (26) surrounding them at a radial distance for magnetic return. The stator winding takes the form of an annular coil and lies in the annular space between the annular jacket (26) and the claw-poles (24, 25). To ensure the engagement of the permanent magnet rotor (20) outside the claw-pole gaps (31, 32) when the stator winding is dead, the claw-poles (24, 25) are designed asymmetrically in such a way that the radial air-gap in the central claw-pole region (242, 252) is greater than in the two claw-pole edge regions (241, 243, 251, 253) and the radial widths of the claw-pole edge regions (241, 243, 251, 253) are different.

Inventors:
Wendel, Friedrich (Theodor-Heuss-Str. 33, Weissach, D-7251, DE)
Meiwes, Johannes (Rosenweg 18, Markgröningen, D-7145, DE)
Dick, Dieter (Fronackerweg 34, Mühlacker 6, D-7130, DE)
Application Number:
PCT/DE1991/000898
Publication Date:
June 25, 1992
Filing Date:
November 16, 1991
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, D-70442, DE)
Wendel, Friedrich (Theodor-Heuss-Str. 33, Weissach, D-7251, DE)
Meiwes, Johannes (Rosenweg 18, Markgröningen, D-7145, DE)
Dick, Dieter (Fronackerweg 34, Mühlacker 6, D-7130, DE)
International Classes:
F02D11/10; F02M3/07; F02M69/32; F16K31/06; H01F7/14; H02K37/14; H02K37/24; F02D9/10; F02M3/06; (IPC1-7): F02M3/07; H01F7/14
Foreign References:
US4647009A
DE3830114A1
DE3908545A1
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Claims:
Ansprüche
1. Drehsteller zur Drehwinkeleinstellung von Stellgliedern, insbesondere eines den Strömungsquerschnitt in einer Strömungsleitung bestimmenden Drosselorgans für Brennkraftmaschinen, mit einem elektrischen Stellmotor, der einen Stator mit zwei Statorpolen und einer Statorwicklung und einen zweipoligen Permanentmagnetrotor aufweist und der so ausgebildet ist, daß bei stromloser Statorwicklung auf den Permanentmagnetrotor ein diesen in eine Grundstellung rückdrehendes Drehmoment wirkt, und mit einer drehfesten Ankopplung des Drosselorgans an den Permanentmagnetrotor derart, daß dieses in der Rotorgrundstellung einen vorgegebenen minimalen Öffnungsquerschnitt in der Strömungsleitung freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole als diametral symmetrische Klauenpole (24,25) ausgebildet sind, die an gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils mit einem die Klauenpole (24,25) mit Radialabstand umgebenden Ringmantel (26) für den magnetischen' Rückschluß verbunden sind, daß die Statorwicklung (19) als Ringspule in dem ERSATZBLATT vom Ringmantel (26) und den Klauenpolen (24,25) begrenzten Ringraum einliegt und daß jeder Klauenpol (24,25) so geformt ist, daß einerseits die radiale Luftspaltbreite zwischen Klauenpol (24,25) und Permanentmagnetrotor (20) im mittleren Klauenpolbereich (242,252) größer ist als in den in Umfangsrichtung gesehenen beiden Klauenpolrandbereichen (241,243,251,253 und daß andererseits die in Umfangsrichtung gesehene Breite des einen Klauenpolrandbereichs (241,251) mit reduzierter Luftspaltbreite größer ist als die des anderen Klauenpolrandbereichs (243,253).
2. Drehsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (19) mit Gleichstrom umkehrbarer Stromrichtung aufschlagbar .ist.
3. Drehsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (19) mit Gleichstrom unidirektionaler Stromrichtung beaufschlagbar ist, die so festgelegt ist, daß mit anwachsender Stromstärke der Permanentmagnetrotor (20) in eine solche Drehrichtung dreht, daß der vom Drosselorgan (14) freigegebene Strömungsquerschnitt der Strömungsleitung (17) zunächst auf Null absinkt und dann wieder auf ein Maximum ansteigt.
4. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (18) aus zwei gleich ausgebildeten Statorteilen (181,182) mit je einem Klauenpol (24,25) besteht, die in einer rechtwinklig zur Statorachse (27) ausgerichteten Trennebene (28) nach Relativverdrehung in der Trennebene (28) und Relativverdrehung in einer längs der Statorachse (27) rechtwinklig zur Trennebene (28) sich erstreckenden Drehebene um jeweils 180° aneinandergesetzt sind. ERSATZBLATT .
5. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetmaterial für den Permanentmagnetrotor (20) Hartferrit, kunststoffgebundenes Ferrit oder NeodynEisenBor oder Seltenerden verwendet wird.
6. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetrotor (20) einen zylindrischen Permanentmagneten (29) mit diametraler Magnetisierungsrichtung aufweist, der in einer Axialbohrung (30) die Rotorwelle (21) drehfest aufnimmt.
7. Drehsteller nach einem der Ansprüche 1 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetrotor (20) einen zylindrischen Permanentmagneten (29) mit diametraler Magnetisierungsrichtung aufweist, der drehbar auf einer Steckachse gelagert ist, die eine Axialbohrung (30) des Permanentmagneten (29) durchsetzt. S . Drehsteller nach einem der Ansprüche 1 7 , dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetrotor zwei auf einem zylindrischen Träger befestigte schalenförmige Magnetsegmente mit radialer Magnetisierungsrichtung aufweist, wobei die Magnetisierungsrichtung in dem einen Magnetsegment von außen nach innen und in dem anderen Magnetsegment von innen nach außen verläuft. ERSATZBLATT.
Description:
Drehsteller

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehsteller zur Drehwinkeleinstellung von Stellgliedern, insbesondere eines den Strömungsquerschnitt in einer Strömungsleitung bestimmenden Drosselorgans für Brennkraftmaschinen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten Drehsteller dieser Art (DE 38 30 114 AI) sind zur Erzeugung des magnetischen Rückstellmoments für den Permanentmagnetrotor die beiden Statorpole unsymmetrisch mit stark voneinander abweichender Polbreite, in Umfangsrichtung gesehen, ausgebildet. Die als schalenförmige Magnetsegmente ausgebildeten Rotorpole sind asymmetrisch am Rotor angeordnet und erstrecken sich jeweils über einen Umfangswinkel von größer 90° , wobei die in Umfangsrichtung gemessene Polbreite des Statorpols mit der kleineren Polbreite in etwa gleich dem Erstreckungswinkel der Rotorpole ist. Die gleichstromdurchflossene Statorwicklung umgreift als

ERSATZBLATT

Zylinderspule einen magnetischen Rückschlußbügel, der die beiden Statorpole miteinander verbindet. Ein solcher Drehsteller ist wegen der starken Asymmetrie des Stellmotors fertigungstechnisch sehr kostenträchtig.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehsteller mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil eines fertigungstechnisch einfach herzustellenden Stellmotors in kompakter Bauweise, dessen magnetisches Rastmoment ausreichen groß ist, um das Drosselorgan bei stromlosem Stellmotor in seine einen definierten minimalen Ö fnungsquerschnitt freigebende Grundstellung zurückzudrehen. Der Rotor rastet dabei nicht in den Pollücken, sondern aufgrund der speziellen Luftspaltausbildung unter den Klauenpolen um 10° bis 20° gegenüber den Pollücken verdreht. Dadurch beträgt der Drehwinkel des Rotors in der einen Drehrichtung mehr als 50° und in der anderen Drehrichtung weniger als 30° . Der erfindungsgemäße Drehsteller hat damit eine mit den sog. Einwicklungsdrehstellern vergleichbare Kennlinie. Der erfindungsgemäße Drehsteller ist robust und wenig störanf llig.

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

Wird gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung die Statorwicklung mit einem Gleichstrom umkehrbarer Stromrichtung beaufschlagt, z.B. durch Anschließen der Statorwicklung an einer Endstufe, die beide Stromrichtungen liefern kann, so kann durch Stromumkehr das Drosselorgan einerseits bis in seine Schließstellung und andererseits bis in seine maximale Öffnungsstellung überführt werden. Zweckmäßigerweise liegt

E RSATZBLÄTT

dabei die Schließstellung des Drosselorgans in dem Stellbereich des Rotors mit dem kleineren Drehwinkel.

Wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Statorwicklung mit unidirektionalem Gleichstrom beaufschlagt, so wird die Stromrichtung so festgelegt, daß mit anwachsender Amperezahl der Rotor in eine solche Richtung dreht, daß der vom Drosselorgan jeweils freigegebene Strömungsquerschnitt der Strömungsleitung zunächst auf Null absinkt und dann wieder bis auf den maximalen Öffnungsquerschnitt ansteigt. Der stromlose Notbetrieb des Drehstellers stellt sich damit nach Durchtauchen des Drosselorgans durch seine den Öffnungsquerschnitt völlig abdeckende Schließstellung ein.

Als Magnetmaterialien für den Permanentmagnetrotor werden Hartferrit oder kunststoffgebundenes Ferrit oder kunststoff ebundenes Neodyn-Eisen-Bor verwendet. Bei Drehstellern höherer Preisklasse werden Seltenerd- Magnetmaterialien eingesetzt.

Der Permanentmagnetrotor kann einen zylindrischen Permanentmagneten mit diametraler Magnetisierungsrichtung aufweisen, der in einer zentralen Axialbohrung die Rotorwelle aufnimmt oder auf einer Steckachse drehbar gelagert ist. Der Permanentmagnetrotor kann aber auch mit zwei schalenförmigen Permanentmagnetsegmenten realisiert werden, die auf einen mit der Rotorwelle verbundenen zylindrischen Träger, vorzugsweise durch Kunststoffumspritzung befestigt sind. Die Permanentmagnetsegmente weisen eine radiale Magnetisierungsrichtung auf, wobei die Magnetisierungsrichtung in dem einen Magnetsegment von außen nach innen und in dem anderen von innen nach außen verläuft.

Eine fertigungstechnisch vorteilhafte Ausbildung des Stators wird erzielt, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Stator aus zwei gleich ausgebildeten Statorteilen mit je einem Klauenpol zusammengesetzt wird. Die

E R SA TZB L ATT

beiden Statorteile sind dabei in einer rechtwinklig zur Statorachse ausgerichteten Trennebene aneinandergesetzt, und zwar nach Relativverdrehung der beiden Statorteile in der Trennebene und Relativverdrehung in einer längs der Statorachse rechtwinklig zur Trennebene sich erstreckenden Drehebene um jeweils 180° . Bei dieser Ausführung des Stators kann besonders einfach die auf einen Spulenträger aus Kunststoff in Form einer Ringspule aufgewickelte Statorwicklung auf den Stator aufgebracht werden.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Drehstellers für eine Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine schematisch dargestellte Explosionszeichnung von Stator und Rotor des Stellmotors im Drehsteller gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht von Stator und Rotor in Richtung Pfeil III in Fig. 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Drehsteller dient zur Steuerung des Öffnungsquerschnittes einer Bypaßleitung 10 um eine schematisch dargestellte Drosselklappe 11 im Saugrohr 12 einer Brennkraftmaschine zwecks Leerlaufdrehzahlregelung. Der Drehsteller weist ein Stellergehäuse 13 aus Kunststoff auf, in dem ein langgestreckter, in der Bypaßleitung 10 liegender Strömungskanal 17 ausgebildet ist. Der Öffnungsquerschnitt des Strömungskanals 17 wird von einem als

LATT

Drehschieber ausgebildeten Drosselorgan 14 gesteuert, das von einem Stellmotor 15 angetrieben wird. Der Stellmotor 15 ist i einem Motorgehäuse 16 untergebracht, das rechtwinklig zum Stellergehäuse 13 an diesem angesetzt ist, wobei das Drosselorgan 14 mit einem Steuerteil 141 durch einen bogenförmigen Durchbruch 131 im Stellergehäuse 13 hindurchrag und im wesentlichen quer zum Strömungskanal das Stellergehäus 13 durchdringt.

Der Stellmotor 15 besteht aus einem am Motorgehäuse 16 gehaltenen Stator 18 mit Statorwicklung 19 und einem dazu koaxialen Permanentmagnetrotor 20, der drehfest auf einer Rotorwelle 21 sitzt, die ihrerseits mittels Lagerstellen 22,2 am Stellergehäuse 13 bzw. am Motorgehäuse 16 drehbar gelagert ist. Das Drosselorgan 14 ist mit einem Befestigungsteil 142 drehfest mit der Rotorwelle 22 verbunden. Das Drosselorgan 14 mit Steuerteil 141 und Befestigungsteil 142 ist einstückig au Kunststoff gefertigt, wobei der Befestigungsteil 142 gleich a die Rotorwelle 21 angespritzt ist. Als Material kommt jedoch auch Alumium in Betracht.

Am Stator 18 sind zwei um 180° gegeneinander verdreht angeordnete Klauenpole 24,25 ausgebildet, die an gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils mit einem die Klauenpole 24,25 mit Radialabstand umgebenden Ringmantel 26 für den magnetischen Rückschluß verbunden sind. In dem von de Ringmantel 26 einerseits und den Klauenpolen 24,25 andererseits begrenzten Ringraum liegt die Statorwicklung 19 ein, die in Form, einer Ringspule auf einen Spulenträger 36 aufgewickelt ist. Zur fertigungstechnisch einfachen Aufbringung der Statorwicklung 19 auf den Stator 18 ist letzterer in zwei identisch ausgebildete Statorteile 181,182 unterteilt, wobei an jedem Statorteil 181,182 ein Klauenpol 2 bzw. 25 angeordnet ist. Die beiden Statorteile 181,182 sind i einer rechtwinklig zur Statorachse 27 ausgerichteten Trennebene 28 zusammengesetzt, und zwar nach Relativverdrehun

ER SAT ZBLATT

in der Trennebene um 180° und nach Relativverdrehung in einer Drehebene um 180° , die sich längs der Statorachse 27 rechtwinklig zur Trennebene 28 erstreckt. Die Ausbildung der beiden Statorteile 181,182 ist insbesondere aus Fig. 2 und 3 ersichtlich. Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Klauenpole 24,25 diametral symmetrisch ausgebildet, und zwar derart, daß der Luftspalt 37 unter jedem Klauenpol 24,25 im mittleren Polbereich 242 bzw. 252 größer ist als in den in Umfangsrichtung gesehenen beiden Polrandbereichen 241,243 bzw. 251,253. Dabei ist die in Umfangsrichtung gesehene Breite des einen Polrandbereichs 241 bzw. 251 mit reduzierter Luftspaltbreite größer als die des anderen Polrandbereiches 243 bzw. 253.

Der Rotor 20 weist einen zylindrischen Permanentmagneten 29 mit diametraler Magnetisierungsrichtung auf, der in einer zentralen Axialbohrung 30 die Rotorwelle 21 aufnimmt. Als Magnetmaterial wird Hartferrit oder kunststoffgebundenes Ferrit oder kunststoffgebundenes Neodyn-Eisen-Bor verwendet. Auch Magnetmaterialien aus Seltenerden können verwendet werden. Die Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten 29 ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die drehfeste Verbindung des Permanentmagneten 29 mit der Rotorwelle 21 erfolgt durch Umspritzen mit Kunststoff, was vorzugsweise gleichzeitig mit dem Anspritzen des Drosselorgans 14 durchgeführt wird. Wie in Fig. 3 ebenfalls verdeutlicht ist, ist der Rotor 20 bei stromloser Statorwicklung 19 aufgrund der beschriebenen Ausbildung der Klauenpole 24,25 einem Rückdrehmoment ausgesetzt, das ihn in eine in Fig. 3 dargestellte Grundstellung zurückdreht. Die Rastung des Rotors 20 erfolgt dabei aufgrund der unterschiedlichen Breite der Polrandbereiche 241,243 bzw. 251,253 um ca. 10 - 20° gegenüber den Pollücken 31,32 zwischen den Klauenpolen 24,25 versetzt. Dadurch erhält man durch entsprechende Bestromung der Statorwicklung 19 mit Gleichstrom in der * einen Drehrichtung

ERSATZBLATT

des Rotors einen Arbeitswinkel von über 50° und in der anderen Drehrichtung des Rotors 20 einen Arbeitswinkel von unter 30° .

Der Drehsteller kann wahlweise mit Gleichstrom mit umkehrbarer Stromrichtung oder mit Gleichstrom mit unidirektionaler Stromrichtung betrieben werden. Hierzu wird die Statorwicklung 19 im ersten Fall an einer Endstufe angeschlossen, die beide Stromrichtungen liefern kann. Im anderen Fall wird die Statorwicklung 19 mit einer Endstufe betrieben, die nur eine Stromrichtung liefert. Bei Beaufschlagung der Statorwicklung 19 mit Gleichstrom umkehrbarer Stromrichtung wird die Drehrichtung des Rotors 20 mit kleinerem Arbeitswinkel zum Schließen des Drosselorgans 14 und die Drehung des Rotors 20 in Drehrichtung mit größerem Arbeitswinkel zum Überführen des Drosselorgans 14 in seine den maximalen Öffnungsquerschnitt des Strömungskanals 17 freigebende Endstellung ausgenutzt. Bei Beaufschlagung der Statorwicklung 19 mit Gleichstrom unidirektionaler Stromrichtung ist letztere so festgelegt, daß der Rotor 20 mit anwachsender Stärke des Gleichstroms in eine solche Richtung dreht, daß der vom Drosselorgan 14 freigegebene Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 17 zunächst auf Null absinkt und dann wieder auf ein Maximum ansteigt. Der stromlose Notbetrieb des Drehstellers wird damit nach Durchtauchen des Drosselorgans 14 durch seine den Strömungskanal 17 völlig schließende Schließstellung erreicht. Der elektrische Anschluß der Statorwicklung 19 erfolgt über einen am Boden des becherförmigen Motorgehäuses 16 angeformten Anschlußstecker 35.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann der Permanentmagnetrotor zwei schalenförmige

Permanentmagnetsegmente aufweisen, die auf einem zylindrischen Träger befestigt ist. Der zylindrische Träger sitzt drehfest auf der Rotorwelle. Die Magnetisierungsridhtung der beiden Magnetsegmente ist radial, wobei die Magnetisierungsrichtung

ERSA TZ B LATT

des einen Magnetsegments am Rotor von außen nach innen und die des anderen Magnetsegments von innen nach außen verläuft. Die Befestigung der Magnetsegmente am zylindrischen Träger erfolgt wiederum durch Kunststoffumspritzung.

ERSATZBLATT




 
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