DE4245077B4

DE4245077B4 - Elektromagnetischer Verstellantrieb

Info

Publication number: DE4245077B4
Application number: DE4245077A
Authority: DE
Inventors: Fritz Schmider
Original assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1992-05-11
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2012-05-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Verstellantrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung von maximal 180°, insbesondere zur Drosselklappenverstellung eines Verbrennungsmotors, mit einem geteilten Weicheisen-Außenstator (1) in Blockbauweise mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, der zwei sich gegenüberliegende ausgeprägte Statorpole (2) verhältnismäßig großer Umfangsbreite zwischen den Polzähnen (6) sowie mindestens eine Erregerwicklung (13, 14) aufweist, und mit einem zwischen den Statorpolen (2) drehbar angeordneten, mindestens zweipoligen Permanentmagnet-Innenrotor (4), wobei der Außenstator (1) aus zwei gleichen Statorteilen (21, 22; 31, 32) zusammengesetzt ist, die je einen der beiden Statorpole (2) aufweisen, die den Innenrotor (4) unter Bildung symmetrischer Eisenwege umschließen, wobei zwei Erregerwicklungen (23, 24; 33, 34) vorgesehen sind, die bei Erregung im Rotorkern magnetisch gleichsinnig zusammenwirken; und wobei der Außenstator (1) aus zwei an den Enden ihrer beiden U-Schenkel (25, 26; 35, 36) zusammengesetzten U-förmigen Statorteilen (21, 22; 31, 32) besteht, wobei die zusammengesetzten U-Schenkel (25, 26; 35, 36) die beiden Erregerwicklungen (23, 24; 33, 34) tragen und wobei im Bereich der Verbindungsabschnitte (27; 37) der beiden U-förmigen Statorteile (21, 22; 31, 32) die Statorpole (2) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Verstellantrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Ein solcher Verstellantrieb ist aus der DE 36 40 188 A1 bekannt. Mit einem solchen Verstellantrieb ist es jedoch schwierig, über große Drehwinkel, also maximal 180°, große Drehmomente in linearem Zusammenhang zum Erregerstrom zu erzeugen, weil bei Statorpolen mit großer Umfangsbreite die Polzähne der Statorpole wegen des geringen gegenseitigen Abstandes in die magnetische Sättigung gesteuert werden und damit starke Nichtlinearitäten über dem Drehwinkel auftreten. Diese Probleme treten insbesondere deshalb auf, wenn zur Erzeugung hoher Drehmomente, wie sie für einen Direktantrieb notwendig sind, der Stator mit einer hohen Feldstärke magnetisiert wird. Außerdem treten schon dadurch Nichtlinearitäten auf, dass die Eisenwege zu den äußeren Bereichen der Statorpole länger sind als zu den inneren Bereichen.

Weitere elektromagnetische Verstellantriebe dieser Art, insbesondere zur Drosselklappenverstellung von Verbrennungsmotoren, sind aus der DE 37 43 309 A1 , DE 38 30 114 A1 , DE 39 08 545 A1 und EP 342 733 A2 bekannt. Hierbei zeigen die ersten drei Schriften Verstellantriebe in Blockbauweise des Außenstators mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, während die EP 342 733 A2 eine Konstruktion mit zylindrischem Außenstator und zylindrischem Eisenrückschluß zeigt, wobei die Statorpole in den ringförmigen Eisenrückschluß eingesetzt sind, um die Erregerwicklungen vorher aufschieben zu können. Doch auch diese bekannten Konstruktionen weisen über den Drehwinkel Nichtlinearitäten aufgrund der Sättigungsneigung einzelner Bereiche bei hohen Erregerfeldstärken auf; außerdem lassen sich bei diesen Bauweisen nur verhältnismäßig niedrige Drehmomente bei gegebenen Außenabmessungen erzielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Verstellantrieb der eingangs genannten Art hinsichtlich Platzbedarf, insbesondere betreffend die axiale Baulänge, zu minimieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen elektromagnetischen Verstellantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine erste, vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstellantriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass der Außenstator aus zwei an den Enden ihrer beiden U-Schenkel zusammengesetzten U-förmigen Statorteilen besteht, dass die zusammengesetzten U-Schenkel die beiden Erregenwicklungen tragen und dass im Bereich der Verbindungsabschnitte der beiden U-förmigen Statorteile die Statorpole angeordnet sind. Diese Lösung kommt ohne besonderen Eisenrückschluß im Stator aus, was den Aufwand und Platzbedarf reduziert. Eine besonders vorteilhafte Variante hiervon besteht darin, dass die U-Schenkel der beiden U-förmigen Statorteile im Bereich der Teilungsebene nach innen gerichtete Wicklungsnuten aufweisen, in die die Erregerwicklungen eingelegt sind, und dass sich die Erregerwicklung jeweils eines jeden Statorteils in Form einer Sattelwicklung über den zugehörigen Statorpol hinweg schließt.

Bei der Ausführungsform mit Sattelwicklung sind die Erregerwicklungen vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie mit ersten Wicklungsabschnitten in den Wicklungsnuten axial zu der Achse des Innenrotors verlaufen und sich über zweite Wicklungsabschnitte an den Stirnseiten des Außenstators etwa halbkreisförmig schließen. Die Erregerwicklungen können dabei als rechteckförmige Spulen gewickelt und dann in die Form von Sattelspulen im ganzen verformt werden.

Jede der Erregerwicklungen ist vorzugsweise auf einem Spulenkörper angeordnet, der vor dem Zusammensetzen der beiden Statorteile in die Wicklungsnuten eingesetzt wird.

Die Einzelteile des Außenstators, des Innenrotors usw. sind vorzugsweise in einem Gehäuse aus unmagnetischem Material, wie zum Beispiel Aludruckgruß, eingebaut, damit die magnetischen Eisenwege unabhängig von der Gehäuseform und den Eigenschaften des Gehäuses optimiert werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Verstellantrieb, der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, im Längsschnitt entlang der Schnittlinie I-I der 2;
2 einen Querschnitt des Verstellantriebes nach 1;
3 den Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt entlang der Schnittlinie III-III der 4;
4 einen Querschnitt durch den Verstellantrieb nach 3;
5 eine zweite Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt entsprechend der Schnittlinie V-V der 6;
6 einen Querschnitt, teilweise ohne Wicklung, der Ausführungsform nach 5;
7 eine Seitenansicht einer Erregerwicklung der Ausführungsform nach den 5 und 6; und
8 eine Draufsicht auf die Erregerwicklung nach 7.
Bei dem Verstellantrieb nach den 1 und 2 enthält dieser einen Außenstator 1, der aus zwei Statorteilen 21 und 22 sowie einem stirnseitigen Eisenrückschluß 19 zusammengesetzt ist. Diese Teile sind mittels Schrauben in einem Gehäuse 7 aus nichtmagnetischem Material, zum Beispiel Aludruckguß, befestigt. Die Statorteile 11 und 12 tragen einander gegenüberliegende Statorpole 2, die einen Innenrotor 4 über eine verhältnismäßig große Umfangsbreite umschließen. Auf den Statorpolen 2 sind je eine Erregerwicklung 13, 14 angeordnet. Polzähne 6 an den Statorpolen 2 werden von den Erregerwicklungen 13, 14 zum größten Teil umschlossen. Die Erregerwicklungen 13, 14 sind auf Wickelkörper 10 auf den Statorpolen 2 gewickelt.
Innerhalb des Gehäuses 7 bzw. an dem Außenstator 1 ist auf geeignete Weise eine Ausgangswelle 8 gelagert, die den Innenrotor 4 trägt. Der Innenrotor 4 trägt auf einem Eisenrückschluß 9 zwei Permanent-Rotormagnete 5, die über eine verhältnismäßig große umfangsbreite magnetisiert sind, wie die in 2 angedeutete Magnetisierungslücke andeutet. Diese große Umfangsbreite des Rotormagneten 5 in Verbindung mit einer verhältnismäßig großen Umfangsbreite der Statorpole 2 ergibt einen verhältnismäßig großen Arbeitsbereich des Verstellantriebes, über den das Drehmoment linear vom Erregerstrom abhängt. Da das Gehäuse 7 aus nichtmagnetischem Material besteht, können sich auch keine Streuflüsse zwischen den Polzähnen 6 und dem Gehäuse ausbilden, was der Fall wäre, wenn das Gehäuse 7 als magnetischer Eisenrückschluß dienen würde. Der Abstand zwischen den Polzähnen 6 bzw. den Statorteilen 11 und 12 gegenüber dem Eisenrückschluß 19 ist verhältnismäßig groß. Dieser Abstand wird jedoch durch die Erregerwicklungen 13, 14 benötigt, so dass kein Platz verschenkt wird. Da sich die Erregerwicklungen 13, 14 über einen großen Bereich der Polzähne 6 erstrecken, wird das Magnetfeld aus diesem Bereich weitgehend verdrängt. Es wäre auch möglich, die Erregerwicklungen 13 und 14 noch weiter über die Polzähne 6 zu erstrecken, wenn die Wicklungen bogenförmig entlang der kreisförmigen Innenfläche der Statorpole 2 verliefen.
Eine kürzere axiale Baulänge des Verstellantriebes ergibt sich bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verstellantriebes nach den 3 und 4, da hier kein stirnseitig vorhandener Eisenrückschluß 19 wie bei dem Verstellantrieb nach den 1 und 2 erforderlich ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Rotor 4 gleich ausgebildet, so dass er nicht näher beschrieben wird. Der Außenstator besteht aus zwei Statorteilen 21 und 22, wobei die Teilungsebene 28 (in der Zeichnung nach 4 gesehen) waagerecht verläuft. Jedes der beiden Statorteile 21, 22 ist etwa U-förmig ausgebildet, wobei der Verbindungsabschnitt 27 jedes Statorteils den Statorpol 2 trägt, während die beiderseitigen U-Schenkel 25, 26 sich mit ihren Enden an der Teilungsebene 28 treffen. Auf diesen U-Schenkeln 25, 26 befinden sich die Erregerwicklungen 23 und 24. Zwischen entsprechenden Polzähnen 6 und den U-Schenkeln 25, 26 befinden sich Wicklungsnuten 29, in die die Erregerwicklungen 23, 24 auf entsprechenden Wickelkörpern 10 eingesetzt werden, bevor die Statorteile 21, 22 zusammengesetzt werden.
Genauso wie bei dem Verstellantrieb nach den 1 und 2 ergeben sich bei der Ausführungsform nach den 3 und 4 symmetrisch gleich lange Eisenwege zwischen den Erregerwicklungen 13, 14 bzw. 23, 24 und den Statorpolen 2, so dass eine gute Linearität des Drehmoments über den Drehwinkel abhängig vom Erregerstrom erzielt wird. Die Erregenwicklungen 13, 14 bzw. 23, 24 werden so erregt, dass sie magnetisch gleichsinnig wirken.
Die zweite Ausführungsform nach den 5 und 6 unterscheidet sich von der ersten nach den 3 und 4 dadurch, dass die Erregerwicklungen 33, 34 in axialer Richtung des Innenrotors 4 durch innenliegende Wicklungsnuten 39 in den U-Schenkeln 35, 36 der Statorteile 31, 32 geführt sind und sich quer über die Breite der Statorteile 31, 32 etwa halbkreisförmig schließen. Die Erregerwicklungen 33, 34 sind also als sogenannte Sattelspulen ausgebildet. Die U-Schenkel 35, 36 der Statorteile 31, 32 sind ähnlich wie in der Ausführungsform nach den 3 und 4 durch Verbindungsabschnitte 37 miteinander verbunden, die gleichzeitig die Statorpole 2 unter Bildung von Polzähnen 6 tragen. In der Darstellung nach 6 sind im rechten Teil der Figur die Erregerwicklungen 33, 34 der Übersichtlichkeit halber fortgelassen, um besser die Form der Wicklungsnuten 39 zeigen zu können.
Die 7 und 8 zeigen im Detail die Form der auf einem Wickelkörper 10 angeordneten Erregerwicklungen 33, 34, Diese bestehen aus einem ersten Wicklungsabschnitt 41, der sich nach dem Einbau in axialer Richtung des Innenrotors 4 erstreckt, während der halbkreisförmige Wicklungsabschnitt 42 über dem Verbindungsabschnitt 37 der Statorteile 31, 32 verläuft. Die Spulen der Erregerwicklungen 33, 34 werden vorzugsweise derart hergestellt, dass zunächst eine etwa rechteckförmige Spule gewickelt wird, die anschließend in die in den 7 und 8 gezeigte Form im Ganzen gebogen wird. Eine solche Art der Spulenherstellung ist an sich bekannt.
Aus 6 ist auch zu sehen, dass die Polzähne 6 durch die Erregerwicklungen 33, 34 vollständig umfasst werden, so dass hier auch bei großen Feldstärken keine Sättigungserscheinungen auftreten können, weil das Magnetfeld aus diesem Bereich verdrängt wird. Hierdurch werden Sättigungserscheinungen sicher vermieden bzw. die Feldstärke in den Statorteilen 31, 32 kann zur Erzielung hoher Drehmomente weiter gesteigert werden.
Zur Rückmeldung der Drehwinkelposition der Ausgangswelle 8 bzw. des Innenrotors 4 kann mit der Ausgangswelle 8 ein geeigneter Winkelsensor gekuppelt sein, der vorzugsweise innerhalb des Gehäuses 7 angeordnet ist.
Von dem theoretisch möglichen Drehwinkel des Verstellantriebes von maximal 180° kann wegen der notwendigen Lücke zwischen den Polzähnen 6 bzw. den Statorpolen 2 und der Magnetisierungslücke zwischen den beiden Permanent-Rotormagneten 5 nur ein Teil ausgenutzt werden. Es ist bei den erfindungsgemäßen Konstruktionen des Verstellantriebes jedoch möglich, Drehbewegungen in einem Bereich von etwa 120° zu erzielen, in dem das Drehmoment praktisch linear vom Erregerstrom abhängt.
Die je zwei Erregenwicklungen können zum Beispiel auch zu einer „Spule" zusammengefasst sein. Die für die Erfindung vorteilhafte Symmetrie der magnetischen Flussverteilung kann dann durchaus noch gewahrt werden.

Claims

Elektromagnetischer Verstellantrieb zum Erzeugen einer Drehbewegung von maximal 180°, insbesondere zur Drosselklappenverstellung eines Verbrennungsmotors, mit einem geteilten Weicheisen-Außenstator (1) in Blockbauweise mit etwa rechteckförmiger Außenkontur, der zwei sich gegenüberliegende ausgeprägte Statorpole (2) verhältnismäßig großer Umfangsbreite zwischen den Polzähnen (6) sowie mindestens eine Erregerwicklung (13, 14) aufweist, und mit einem zwischen den Statorpolen (2) drehbar angeordneten, mindestens zweipoligen Permanentmagnet-Innenrotor (4), durch gekennzeichnet, dass der Außenstator (1) aus zwei gleichen Statorteilen (21, 22; 31, 32) zusammengesetzt ist, die je einen der beiden Statorpole (2) aufweisen, die den Innenrotor (4) unter Bildung symmetrischer Eisenwege umschließen, wobei zwei Erregerwicklungen (23, 24; 33, 34) vorgesehen sind, die bei Erregung im Rotorkern magnetisch gleichsinnig zusammenwirken; und wobei der Außenstator (1) aus zwei an den Enden ihrer beiden U-Schenkel (25, 26; 35, 36) zusammengesetzten U-förmigen Statorteilen (21, 22; 31, 32) besteht, wobei die zusammengesetzten U-Schenkel (25, 26; 35, 36) die beiden Erregerwicklungen (23, 24; 33, 34) tragen und wobei im Bereich der Verbindungsabschnitte (27; 37) der beiden U-förmigen Statorteile (21, 22; 31, 32) die Statorpole (2) angeordnet sind.
Elektromagnetischer Verstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die U-Schenkel (35, 36) der beiden U-förmigen Statorteile (31, 32) im Bereich der Teilungsebene (38) nach innen gerichtete Wicklungsnuten (39) aufweisen, in die die Erregerwicklungen (33, 34) eingelegt sind, und wobei sich die Erregerwicklungen (33, 34) jeweils eines jeden Statorteils in Form einer Sattelwicklung über den zugehörigen Statorpol (2) hinweg schließen.
Elektromagnetischer Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklungen (33, 34) mit ersten Wicklungsabschnitten (41) in den Wicklungsnuten (39) axial zu der Achse des Innenrotors (4) verlaufen und sich über zweite Wicklungsabschnitte (42) an den Stirnseiten des Außenstators (1) etwa halbkreisförmig schließen.
Elektromagnetischer Verstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Erregerwicklungen (23, 24; 33, 34) auf einem Spulenkörper (10) angeordnet ist, der vor dem Zusammensetzen der beiden Statorteile (21, 22; 31, 32) in die Wicklungsnuten (29; 39) eingesetzt wird.
Elektromagnetischer Verstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklungen (33, 34) als rechteckförmige Spulen gewickelt und dann in die Form von Sattelspulen im Ganzen geformt sind.
Elektromagnetischer Verstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausgangswelle (8) ein Winkelsensor zum Rückmelden der jeweiligen Winkelposition angeordnet ist.
Elektromagnetischer Verstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seine Einzelteile, wie Außenstator (1), Innenrotor (4) usw., in ein Gehäuse (7) aus unmagnetischem Material, insbesondere Aludruckguß, eingebaut sind.