DE3830114A1 - Elektrischer drehsteller - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Drehsteller zum
Antrieb eines Stellelements, insbesondere einer
Drosselklappe im Luftansaugrohr einer Brennkraftmaschine,
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 des 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.
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 Umfangsrichtung 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.
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.
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
Umfangsrichtung 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
gewünschten Verdrehung des Rotors 12 mit einem Gleichstrom
vorgegebener Größe bestromt 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.
Entsprechend der zweipoligen 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
Stellwelle 10 drehfest verbundenen Träger 24 in
unsymmetrischer Anordnung befestigt, wobei die beiden
Permanentmagnetsegmente 22, 23 mit jeweils einer ihrer
axialen Längsseiten 22 a und 23 a aneinanderstoßen. Die
Magnetisierung der Rotorpole 20, 21 ist dabei so getroffen,
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
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 Luftspaltabschnitte 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.
Claims (7)
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.
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