EP0487552A1 - Elektromagnetischer drehsteller. - Google Patents

Elektromagnetischer drehsteller.

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EP0487552A1
EP0487552A1 EP90911280A EP90911280A EP0487552A1 EP 0487552 A1 EP0487552 A1 EP 0487552A1 EP 90911280 A EP90911280 A EP 90911280A EP 90911280 A EP90911280 A EP 90911280A EP 0487552 A1 EP0487552 A1 EP 0487552A1
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rotary actuator
actuator according
indicates
arms
permanent magnet
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Thomas Bertolini
Werner Herm
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Robert Bosch GmbH
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    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H01F7/14—Pivoting armatures
    • H01F7/145—Rotary electromagnets with variable gap

Definitions

  • the invention is based on a rotary actuator according to the preamble of claim 1.
  • a rotary actuator with a magnetic reset element which, in the event of a failure of the power supply to the servomotor, causes the armature of the rotary actuator transferred to a defined rest position.
  • 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. On the other hand, the maximum torque of the restoring element counteracting the control torque is undesirably large.
  • the turntable according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the reset element has a more favorable torque characteristic with a significantly simplified structure.
  • Advantageous further developments and improvements of the turntable specified in claim 1 are possible through the measures listed in claims 2ff.
  • the asymmetrical cross-sectional shape of the restoring element which brings about a further reduction in the maximum torque at least in one direction of rotation with a simultaneous increase in the restoring angle from which the element rotates back into its desired detent position, is particularly advantageous. Parts are saved by using the permanent magnets of the drive also for the reset device.
  • the disk-shaped design reduces the axial overall length of the reset device.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a rotary actuator
  • Figure 2 shows a reset element in plan view.
  • 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 more or less closes a control opening 6 in the bypass line 4.
  • the control opening 6 is arranged in a housing 12, in which the throttle element 3 is also accommodated.
  • the servomotor 2 comprises a stator 7 with central field windings 8 and a rotor forming cup-shaped "anchor 9, the two arranged on its cylinder jacket-shaped wall 10 having permanent magnet segments. These permanent magnet segments 10 are shell-shaped and cover an angular range of approximately 135 ° each.
  • the armature 9 has a smooth shaft 11 which is mounted in two bearings 13, 14 held in the housing 12 with low friction.
  • the throttle element 3 controlling the bypass line 4 is fastened to the shaft 11.
  • the stator 7 is mounted on a housing cap 16 which projects beyond the rotor 9 and the stator 7 and is connected to the housing 12. It carries on its axis 17 a restoring element 18 made of ferromagnetic material.
  • the restoring element 18 can thus be rotated like the stator 7. It is designed as a thin disk and is located in the effective range of the permanent magnet segments 10 of the armature 9 in such a way that it extends radially to close to the permanent magnets without touching them.
  • the permanent magnet segments 10 protrude beyond the restoring element 18 in an axial extent.
  • the restoring element 18 consists (see FIG. 2) of a central part 19, which is plugged onto the axis 17 and has a central bore 20, which carries two opposite radial extensions 21 that extend in the form of spokes. At the outer ends of the extensions 21 there are in each case two arms 22, 23, 24, 25, which are directed away in the manner of a wheel and extend approximately along a circular line forming the circumference of the reset element 18. One of the arms 25 is longer in the circumferential direction by an extension 26 than the others. Two arms 22 and 23 or 24 and 25 together form a magnetizable pole of the restoring element 18. The two arms 22 and 23 together cover an angle of approximately 135 ° corresponding to the angular range of the permanent magnet segments 10.
  • the two arms 24 and 25 cover one the angular extent of the extension 26 of approximately 20 ° to 30 ° larger angular range than 135 °.
  • the arms 22 to 25 are arranged point-symmetrically to the bore 20 without the shoulder 26. Due to the extended arm 25, the reset element 18 becomes asymmetrical, so that there is neither point nor axis symmetry. This can also be achieved by shortening one arm 25. The free ends of the arms 22 to 25 never touch.
  • the radial width of the arms 22 to 26 is small; in the exemplary embodiment, it is substantially smaller than the material thickness of the disk 18 in the direction of the axis 17. In the extension of the extensions 21, the restoring element 18 has flats 27, so that there the distance to the permanent magnet segments 10 is greater than that of the arms 22 to 25. As a result, the magnetic conductivity of the reset element 18 in this
  • one of the extensions 21 has a threaded hole 29 extending from the circumference to the bore 20, into which a worm screw can be screwed.
  • the return element can also be layered from individual sheets and pressed onto the shaft.
  • the reset element 18 has the task of transferring the rotor and thus the throttle member 3 into a defined position in the de-energized state of the servomotor 2 and holding it there in order to ensure the opening of an emergency running cross section in the bypass line 4 by means of the throttle member 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 and the rest point of the armature, that is to say the magnetic latching point of the restoring device shown in FIG. 2, must be maintained with great accuracy.
  • the arms 22 to 24 extend approximately over the same length of the permanent magnet segments 10, while the arm 26 projects into the gap formed in the circumferential direction between the permanent magnet segments.
  • the maximum of the restoring torque must not exceed the control torque of the servomotor.
  • the reset device according to the invention fulfills these requirements.
  • the torque curve over the angle of rotation is compared to a conventional turntable in "
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments. It is sufficient for the function of the reset element if only one of the permanent magnet segments is extended in this way and acts on a reset element, for example, which has only two arms.
  • the magnetic reset can also be designed as a four-pole system.
  • the locking points lie on the center of the permanent magnet. Instead, locking points located on the magnetic gap, that is to say rotated by 90 °, can also be designed as operating locking points.
  • the arms 22 to 25 would have to be made thicker and the flats 27 at the ends of the extensions 21 would be formed as pronounced cutouts.

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Description

Elektromagnetischer Drehsteller
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehsteller nach der Gattung des Anspruchs 1. Aus der JP-GM-GM 60-88044 ist bereits ein solcher Dreh¬ steller mit einem magnetischen Rückstellelement bekannt, das bei Ausfall der Stromversorgung des Stellmotors den Anker des Dreh¬ stellers in eine definierte Ruhelage überführt. Das bekannte Rück¬ stellelement 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 Rückstell¬ elements unerwünscht groß.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Drehsteller mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das Rückstell¬ element bei einem wesentlich vereinfachten Aufbau eine günstigere Drehmomentenkennlinie aufweist. Durch die in den Ansprüchen 2ff aufgeführten Maßnahmen sind vorteil¬ hafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angege¬ benen Drehstellers möglich. Besonders vorteilhaft ist die asymmetri¬ sche Querschnittsform des Rückstellelements, die eine weitere Redu¬ zierung des Drehmomentenmaximums zumindest in einer Drehrichtung bei gleichzeitiger Vergrößerung des Rückstellwinkels bewirkt, aus dem sich das Element wieder in seine gewünschte Raststellung zurück¬ dreht. Durch die Verwendung der Permanentmagnete des Antriebs auch für die Rückstelleinrichtung werden Teile eingespart. Die scheiben¬ förmige Bauform reduziert die axiale Baulänge der Rückstelleinrich¬ tung. Durch die geringe radiale Breite der Arme des Rückstellele¬ ments wird ein steil durchlaufener Nulldurchgang in der Drehmo¬ ment-Drehwinkel-Kennlinie und damit und ein genaueres Einhalten des Rastpunktes erreicht, in den- sich das Element in stromlosem Zustand des Stellmotors zurückdreht.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Drehsteller, Figur 2 zeigt ein Rückstellelement in Draufsicht.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der Drehsteller 1 hat einen Stellmotor 2, dessen Rotor auf ein Dros¬ selorgan 3 wirkt, das in einer Bypassleitung 4 zu einem Ansaugrohr 5 mit Drosselklappe für die Regelung der Leerlauf-Verbrennungsluf einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das Drosselorgan 3 ist als Drehschieber ausgebildet, das eine Steueröffnung 6 in der Bypass¬ leitung 4 mehr oder weniger verschließt. Die Steueröffnung 6 ist in einem Gehäuse 12 angeordnet, in dem auch das Drosselorgan 3 aufge¬ nommen ist. Der Stellmotor 2 besteht aus einem zentralen Stator 7 mit Feldwicklungen 8 und einem den Rotor bildenden becherförmigen" Anker 9, der zwei an seiner zylindermantelförmigen Wand angeordnete Permanentmagnetsegmente 10 aufweist. Diese Permanentmagnetsegmente 10 sind schalenför ig und bedecken einen Winkelbereich von je etwa 135°. Der Anker 9 besitzt eine glatte Welle 11, die in zwei in dem Gehäuse 12 gehaltenen Lagern 13, 14 reibungsarm gelagert ist. An der Welle 11 ist das die Bypass¬ leitung 4 steuernde Drosselorgan 3 befestigt.
Der Stator 7 ist an einer Gehäusekappe 16 montiert, die den Rotor 9 und den Stator 7 überragt und mit dem Gehäuse 12 verbunden ist. Er trägt auf seiner Achse 17 ein Rückstellelement 18 aus ferromagne- tischem 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 Ankers 9 der¬ art, daß es sich radial bis nahe an die Permanentmagnete erstreckt, ohne diese zu berühren. Die Permanentmagnetsegmente 10 überragen das Rückstellelement 18 in axialer Erstreckung.
Das Rückstellelement 18 besteht (siehe Figur 2) aus einem auf die Achse 17 aufgesteckten Mittelteil 19 mit zentraler Bohrung 20, das zwei gegenüberliegende, speichenförmig sich ersteckende radiale Fortsätze 21 trägt. An den äußeren Enden der Fortsätze 21 sind rad¬ kranzförmig jeweils zwei seitlich weggerichtete Arme 22, 23, 24, 25 angebracht, die sich etwa entlang einer den Umfang des Rückstellele¬ ments 18 bildenden Kreislinie erstrecken. Einer der Arme 25 ist in Umfangsrichtung um einen Ansatz 26 länger als die anderen. Jeweils zwei Arme 22 und 23 bzw. 24 und 25 bilden zusammen einen magnetisierbaren Pol des Rückstellelements 18. Die beiden Arme 22 und 23 bedecken zusammen einen Winkel von etwa 135° entsprechend dem Winkelbereich der Permanentmagnetsegmente 10. Die beiden Arme 24 und 25 bedecken einen um die Winkelerstreckung des Ansatzes 26 von ca. 20° bis 30° größeren Winkelbereich als 135°. Die Arme 22 bis 25 sind ohne den Ansatz 26 punktsymmetrisch zur Bohrung 20 angeordnet. Durch den verlängerten Arm 25 wird das Rückstellelement 18 unsymmetrisch, so daß weder Punkt noch Achsensymmetrie vorliegt. Dies kann auch durch eine Verkürzung des einen Armes 25 erreicht werden. Die freien Enden der Arme 22 bis 25 berühren sich in keinem Fall. Die radiale Breite der Arme 22 bis 26 ist gering; sie ist im Ausführungsbeispiel wesentlich kleiner als die Materialstärke der Scheibe 18 in Richtung der Achse 17. In Verlängerung der Fortsätze 21 hat das Rückstellele¬ ment 18 Abflachungen 27, so daß dort der Abstand zu den Permanent¬ magnetsegmenten 10 größer ist, als bei den Armen 22 bis 25. Dadurch wird der magnetische Leitwert des Rückstellelements 18 in diesem
Bereich verringert, womit ein vorzeitiges Weiterspringen des o Elements in die nächste, um circa 90 verdrehte Raststellung, ver¬ mieden wird. Zur Befestigung des Rückstellelements 18 bei massiver Ausführung hat einer der Fortsätze 21 ein vom Umfang bis zur Bohrung 20 durchgehendes Gewindeloch 29, in das eine Wurmschraube eindrehbar ist. Das Rückstellelement kann aber auch aus einzelnen Blechen geschichtet und auf die Welle aufgepreßt werden.
Das Rückstellelement 18 hat die Aufgabe, den Rotor und damit das Drosselorgan 3 in stromlosem Zustand des Stellmotors 2 in eine definierte Lage zu überführen und dort zu halten, um mittels des Drosselorgans in der Bypassleitung 4 die Öffnung eines Notlaufquer¬ schnittes zu gewährleisten, über den ausreichend Luft für den sicheren Weiterlauf der Brennkraftmaschine strömen kann. Dazu muß in jeder Betriebslage des Drosselorgans 3 ein ausreichendes Rückstell- drehmoment zur Verfügung stehen und der Ruhepunkt des Ankers, also der in Figur 2 gezeigte magnetische Rastpunkt der Rückstellein¬ richtung mit großer Genauigkeit eingehalten werden. Im Rastpunkt er¬ strecken sich die Arme 22 bis 24 etwa über die gleiche Länge der Permanentmagnetsegmente 10, während der Arm 26 in die in Umfangs- richtung gebildete Lücke zwischen den Permanentmagnetsegmenten ragt. Das Maximum des Rückstelldrehmoments darf das Regeldrehmoment des Stellmotors nicht überschreiten. Diese Anforderungen erfüllt die er¬ findungsgemäße Rückstelleinrichtung. Der Drehmomentenverlauf über dem Drehwinkel ist gegenüber einem herkömmlichen Drehsteller im"
Maximum flacher und trotzdem im Rastpunkt steil, so daß der Rast¬ ppuunnkktt aauuff eeiinneenn eennggeenn WWiinnkkeellbbeerreeiicchh vvoonn .2 bis 4 begrenzt bleibt (Reibungs- und Hystereseeinfluß) . Durch die unsymmetrische Ausbildung des Rückstellelements wird der Rückstellbereich gegenüber einer symmetrischen Anordnung so ver¬ größert, daß beim Einsatz des Rückstellelements in einem Drehsteller auch Vorsorge gegen ein Überspringen in die nächste Raststellung ge¬ troffen ist. Bei symmetrischer Form des Rückstellelements würden sich nämlich zwei gegenüberliegende stärkere und zwei demgegenüber um 90° versetzte schwächere bzw. instabile Rastpunkte ergeben. Bei dem erfindungsgemäßen Rückstellelement ist der Rückstellwinkel zu¬ mindest in der Richtung, in der der vorwiegende Regelbereich des Stellmotors liegt, von ca. 40° auf ca. 65° vergrößert.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Ausführunggsbeispiele. So ist es für die Funktion des Ruckstellements ausreichend, wenn nur eines der Permanentmagnetsegmete so verlängert ist und auf ein bei¬ spielsweise nur zweiarmiges Rückstellement wirkt. Statt als zwei¬ poliges System mit zwei ungleichpoligen Permanentmagneten 10 kann die magnetische Rückstellung auch als vierpoliges System ausgebildet sein. Beim Ausführungsbeispiel liegen die Rastpunkte auf der Permanentmagnetmitte. Stattdessen können auch auf der Magnetlücke gelegene, also um 90° verdrehte Rastpunkte als Betriebsrastpunkte ausgebildet sein. Dazu wären die Arme 22 bis 25 dicker auszubilden und die Abflachungen 27 an den Enden der Fortsätze 21 als ausge¬ prägte Ausschnitte auszubilden.

Claims

Ansprüche
1. Elektromagnetischer Drehsteller, insbesondere zur Steuerung eines Drosselquerschnitts in einer betriebsmittelführenden Leitung einer Brennkraftmaschine, mit einem Stellmotor mit gegenüber dem Gehäuse festem Stator und drehbarem Anker, 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 wenigstens eines Permanentmagneten liegt, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Rückstellelement (18) aus einem magnetisierbaren Werkstoff besteht, aber nicht permanentmagnetisch ist.
2. Drehsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückstellelement (18) im Querschnitt unsymmetrisch, insbesondere weder punkt- noch achsensymmetrisch ist.
3. Drehsteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Rückstellelement (18) in dem Feld wenigstens eines zu diesem Zweck in Längsrichtung verlängerten Permanentmagnetsegments (10) des Stellmotors (2) befindet.
4. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Rückstellelement (18) aus einer in axialer Er- steckung dünnen Scheibe besteht. - f -
5. Drehs eller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Rückstellelement (18) zwei einander radial gegenüberliegende, speicherförmige Fortsätze (21) hat und vom äußeren Ende jedes Fortsatzes (21) sich jeweils zwei Arme (22 bis 25) entlang einer gedachten Kreislinie erstrecken.
6. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß einer der Arme (25) des Rückstellelements (18) länger oder kürzer als die anderen drei Arme (22 bis 24) ist.
7. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Arme (22 bis 25) in radialer Erstreckung nur dünn ausgebildet sind.
8. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Feldwicklungen (8) und das Rückstellelement (18) am Stator (7) des Stellmotors (2) angeordnet sind.
9. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Anker (9) des Stellmotors (2) becherförmig den Stator (7) umgreifend ausgebildet ist und die Permanentmagnet¬ segmente (10) an den zylindrischen Wänden des Ankers (9) und des Rückstellelements (18) axial überragend angeordnet sind.
10. Drehsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Rückstellelement (18) in Verlängerungen der Fortsätze (21) Abflachungen (27) trägt, in deren Bereich der Abstand des Rückstellelements (18) zu den Permanentmagnetsegmenten (10) großer ist als im Bereich der Arme (22 bis 25).
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