DE3908545C2 - Verstellantrieb für eine Drosselklappe eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstellantrieb für eine Dros­ selklappe eines Verbrennungsmotors, mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor fest mit der Drosselklappe mittels einer Drosselklappenwelle verbunden ist und die Drosselklappe mittels einer Drosselklappenwelle verstellbar ist.

Es sind Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen die Drossel­ klappe elektromotorisch verstellt wird. Die Verstellung erfolgt in aller Regel mittels eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors; zwischen diesem und der die Drosselklappe verstellenden Drosselklappenwelle ist ein Untersetzungs­ getriebe angeordnet. Die Untersetzung der Drehzahl des Gleichstrommotors führt an der Drosselklappe zu einer Dreh­ momenterhöhung, gleichzeitig läßt sich die Auflösung des Drosselklappenwinkels verbessern, das heißt es sind vorgege­ bene Drosselklappenwinkel genau anfahrbar. Die Drosselklappe selbst ist mittels der Drosselklappenwelle aus der den Drosselklappenstutzen verschließenden Position um einen Winkel von maximal 90° in deren maximale Öffnungsstellung verschwenkbar.

Hauptnachteile der Motor-Getriebe-Kombination liegen in dem Verschleiß von Getriebe, Kohle und Kommutator, dem hohen Bauvolumen, im Stellverhalten und den hohen Fertigungs- und Montageaufwendungen.

Ein elektromotorischer Verstellantrieb der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 36 18 982 bekannt. Um die Drossel­ klappe bei Nichtansteuerung in die Leerlaufposition zu stel­ len, erfolgt bei normaler Ansteuerung die Verstellung der Drosselklappe entgegen der Kraft einer Feder. Damit ist der Aufbau des Verstellantriebs aufwendig und benötigt viel Bauraum.

Aus der DE-OS 30 13 984 ist ein elektromotorischer Stellan­ trieb einer Stelleinrichtung zur Drehwinkeleinstellung eines Schließglieds eines Luftbypasses für eine Brennkraftmaschine bekannt. Auch hier erfolgt die Verstellung des Schließglieds entgegen der Kraft einer Rückstellfeder.

Aus der DE-OS 28 12 292 ist weiterhin ein elektromotorischer Verstellantrieb der eingangs genannten Art bekannt, der aber keinerlei Einrichtung zum Verstellen der Drosselklappe in die Leerlaufposition bei Ausfall der elektromotorischen An­ steuerung besitzt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verstell­ antrieb der genannten Art zu schaffen, der baulich besonders einfach gestaltet ist und verschleißarm arbeitet, nur einen geringen Bauraum beansprucht sowie bei stromlosem Zustand des Verstellantriebs eine Verstellung der Drosselklappe in die Leerlaufstellung gewährleistet.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß eines der Bauteile Rotor oder Stator als Permanentmagnet ausgebildet ist und daß die Luftspalte zwischen Stator und Rotor über dessen Drehwinkel unterschiedlich breit sind.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verstell­ antriebes kann eine Getriebeuntersetzung des elektrischen Antriebes entfallen, die durch den Stator auf den Rotor ausgeübten elektromagnetischen Kräfte wirken unmittelbar, das heißt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes auf die Drosselklappe ein. Grundsätzlich arbeitet der Verstellan­ trieb nach dem elektromotorischen Prinzip. Er hat keine Kom­ mutierung und der Stellwinkel des Rotors ist identisch mit dem Stellwinkel der Drosselklappe. Durch die direkte Ein­ wirkung des Rotors auf die Drosselklappe ergeben sich hervorragende dynamische Stelleigenschaften, es sind insbe­ sondere hohe Verstellgeschwindigkeiten möglich. Da bei dem Verstellantrieb auf reibende oder schleifende Bauteile ver­ zichtet werden kann, ist eine hohe Lebensdauer gegeben. Überdies bedingen die wenigen bewegten Bauteile wenige Lagerstellen und damit eine hohe Betriebssicherheit des Verstellantriebes bei gleichzeitig minimal erforderlichem Bauraum.

Weiterhin werden keine beweglichen Stromzuführungen zu den Spulen benötigt. Der Verstellantrieb stellt sich als bi­ direktionaler Antrieb dar, dessen Drehrichtung durch eine Umkehr der Stromrichtung umgekehrt werden kann und so hohe Verstellgeschwindigkeiten der Drosselklappe erzielt werden können.

Bei einer Störung des Verstellantriebes ist es erforderlich, daß die Drosselklappe durch Rückstellkräfte, die auch im stromlosen Zustand des Verstellantriebes vorhanden sein müssen, geschlossen wird. Die Erzeugung des Rückstellmoments kann durch eine geschickte Formgebung des magnetischen Kreises in den Verstellantrieb integriert werden. Um dies zu erreichen, wird vorgeschlagen, daß die Luftspalte zwischen Stator und Rotor über dessen Drehwinkel unterschiedlich breit sind. Im stromlosen Zustand des Verstellantriebes ver­ sucht der Dauermagnet die Stellung mit der geringsten magnetischen Reluktanz einzunehmen, das heißt er richtet sich auf den engsten Luftspalt aus, der zweckmäßig der Leer­ laufstellung der Drosselklappe entspricht. Um die genannte Wirkung zu erzielen, können die Luftspalte zwischen Stator und Rotor unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise besteht die Möglichkeit, daß sich die Breite der Luftspalte über den Drehwinkel des Rotors kontinuierlich oder sprung­ haft ändert. Bei einer Erzeugung der Rückstellkräfte mittels unterschiedlich breiter Luftspalte zwischen Stator und Rotor sind damit keine weiteren Bauteile für die Rückstellung der Drosselklappe erforderlich. Statt einer Rückstellung des Rotors aufgrund unterschiedlich breit gestalteter Luftspalte zwischen Rotor und Stator können in einer weiteren Lösung der Aufgabe zur Erzielung des gleichen Ergebnisses eines der Bauteile Rotor oder Stator als Permanentmagnet ausgebildet sein und an dem jeweils nicht als Permanentmagnet ausge­ bildeten Bauteil Hilfspole gebildet sein, die bei einem Stromausfall die entgegengesetzten Pole des Permantent­ magneten anziehen und damit die Drosselklappe in die ge­ wünschte Stellung verschieben. Die Hilfspole sind dabei zweckmäßig diametral angeordnet.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Drosselklappe mittels einer Drosselklappenwelle ver­ stellbar ist und der Rotor fest mit der Drosselklappenwelle verbunden ist. Die Drosselklappe selbst ist üblicherweise in einem Drosselklappenstutzen gelagert und der Stator fest mit dem Drosselklappenstutzen verbunden.

Um die mittlere Windungslänge der Spulenwindungen von Stator bzw. Rotor möglichst klein zu halten und damit ein kleines Bauvolumen zu erzielen, wird vorgeschlagen, daß der Rück­ schlußkreis des Stators im Bereich der Spulen einen runden Querschnitt aufweist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzel­ merkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfin­ dungswesentlich sind.

In den Figuren ist die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh­ rungsformen verdeutlicht, ohne hierauf beschränkt zu sein.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Ver­ stellantrieb zur Verdeutlichung dessen prin­ zipiellen Aufbaus,

Fig. 2 eine Ansicht von Rotor und Stator in Richtung der Drosselklappenwelle gesehen, wobei der Stator eine Spule trägt,

Fig. 3 eine Ansicht gemäß Fig. 2, wobei der Rotor eine Spule trägt,

Fig. 4 eine Ansicht von Rotor und Stator gemäß Fig. 2 mit sich zwischen Rotor und Stator kontinuierlich ver­ änderndem Luftspalt und

Fig. 5 eine Ansicht gemäß Fig. 4 mit sich zwischen Rotor und Stator sprunghaft änderndem Luftspalt.

Der Fig. 1 ist zu entnehmen, daß der erfindungsgemäße Ver­ stellantrieb aus einem Rotor 1 und einem Stator 2 besteht. Der Rotor 1 ist fest mit einer Drosselklappenwelle 3 verbun­ den, die in Lagern 4 und 5 eines Drosselklappenstutzen 6 ge­ lagert ist und die Drosselklappe 7 drehfest aufnimmt. Der Stator 2 ist mit dem Drosselklappenstutzen 6 verbunden, was aus der Darstellung der Fig. 1 nicht unmittelbar erkennbar ist, dort ist durch die Lagerpunkte 8 bzw. 9 nur verdeut­ licht, daß es sich bei diesen beiden Bauteilen um stationäre Bauteile handelt.

Die Darstellung der Fig. 2 verdeutlicht etwas detaillierter die Ausbildung der Verstelleinrichtung, der Figur ist zu entnehmen, daß der Rotor 1 aus einem kreisscheibenförmigen Dauermagneten mit Nordpol N und Südpol S besteht, mit dessen Scheibenmittelpunkt die Drosselklappenwelle 3 verbunden ist; der Stator 2 besteht aus einem den Rotor 1 umschließenden Weicheisen und trägt eine Spule 10, wobei der Rückschlußkreis im Bereich der Spule 10 mit einem runden Querschnitt 11 ver­ sehen ist, um die mittlere Windungslänge der Spulenwindungen möglichst klein zu halten.

Fig. 3 zeigt eine Variante, bei der gegenüber der Ausführungs­ form nach Fig. 2 das Rotor- und Statormaterial vertauscht ist. So ist der Rotor 1 mit einer Spule 10 versehen, der Stator 2 weist Dauermagnetschalen 12 auf, darüber hinaus ist ein Rückschluß aus Weicheisen 13 vorgesehen.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ stellantriebes, bei dem sich die Breite des Luftspaltes zwi­ schen dem Rotor 1 und dem Stator 2 über den Drehwinkel α des Rotors 1 ändert, derart, daß die Luftspaltbreite an dia­ metralen Punkten des Rotors jeweils gleich ist. Befindet sich der Verstellantrieb in stromlosem Zustand, so führt dies dazu, daß der als Dauermagnet ausgebildete Rotor 1 mit seinen Polen N bzw. S die in Fig. 4 gezeigte Stellung mit der ge­ ringsten magnetischen Reluktanz zum Stator 2 einnimmt, in der die Luftspaltbreite zwischen den Polen des Rotors 1 und dem Stator 2 minimal ist. Die Drosselklappe 6 ist über die Drosselklappenwelle 3 zweckmäßig so mit dem Rotor 1 verbunden, daß in dessen in Fig. 4 gezeigter Stellung die Drosselklappe 7 ihre geschlossene Position einnimmt. Fig. 5 zeigt eine gegenüber der Darstellung in Fig. 4 geringfügig abgewandelte Variante des Verstellantriebes. Bei diesem ist der Stator 2 auf seiner dem Rotor 1 zugewandten Seite mit Vorsprüngen 14 versehen, so daß sich eine sprunghafte Änderung der Luftspalt­ dicke zwischen Rotor 1 und Stator 2 ergibt. Wird die Spule 10 des Stators 2 stromlos, führt dies dazu, daß der Rotor 1 wieder­ um in die Position mit der geringsten magnetischen Reluktanz verschwenkt, das heißt es richten sich die Pole des Rotors 1 auf die Vorsprünge 14 aus, wie es in Fig. 5 veranschaulicht ist. Um bei unbestromter Spule 10 des Stators 2 auch bei konstanter Luftspaltdicke zwischen Rotor 1 und Stator 2 eine definierte Rückstellposition des Rotors 1 sicherzustellen, kann darüber hinaus auch der Stator 2 mit permanenten Hilfs­ polen versehen sein, auf die sich die Pole des Rotors 1 aus­ richten.

Claims (5)

1. Elektromotorischer Verstellantrieb für eine Drossel­ klappe eines Verbrennungsmotors, mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor fest mit der Drosselklappe mittels einer Drosselklappenwelle verbunden ist und die Drossel­ klappe mittels einer Drosselklappenwelle verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Bauteile Rotor (1) oder Stator (2) als Permanentmagnet ausgebildet ist und daß die Luftspalte zwischen Stator (2) und Rotor (1) über dessen Drehwinkel unterschiedlich breit sind.

2. Elektromotorischer Verstellantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite der Luft­ spalte über den Drehwinkel des Rotors (1) kontinuierlich oder sprunghaft ändert.

3. Elektromotorischer Verstellantrieb für eine Drossel­ klappe eines Verbrennungsmotors, mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor fest mit der Drosselklappe verbunden ist und die Drosselklappe mittels einer Drosselklappenwelle verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Bauteile Rotor (1) oder Stator (2) als Permanentmagnet aus­ gebildet ist und daß an dem jeweils nicht als Permanent­ magnet ausgebildeten Bauteil Hilfspole gebildet sind.

4. Elektromotorischer Verstellantrieb nach einem der vor­ hergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe (7) in einem Drosselklappenstutzen (6) gela­ gert ist und der Stator (2) fest mit dem Drosselklappen­ stutzen (6) verbunden ist.

5. Elektromotorischer Verstellantrieb nach einem der vor­ hergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlußkreis des Stators (2) im Bereich der Spulen (10) einen runden Querschnitt (11) aufweist.