DE10003928A1 - Elektromagnetischer Aktuator - Google Patents
Elektromagnetischer AktuatorInfo
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mit einer elektromagnetischen Einheit, über die ein mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehender Anker zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist, und mit einem auf das Gaswechselventil wirkenden Federmechanismus, in dessen Gleichgewichtslage sich der Anker zwischen den Endstellungen befindet, und mit zumindest einem in wenigstens einem Bereich einer Endstellung auf das Gaswechselventil wirkenden Permanentmagneten. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß der Permanentmagnet im Bereich der Endstellung entgegen die den Anker in die Endstellung ziehende elektromagnetische Einheit wirkt.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen von Gaswechselven
tilen besitzen in der Regel eine elektromagnetische Einheit
mit zwei Elektromagneten, einem Öffnungsmagneten und einem
Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial
zu einer Ventilachse verschiebbar angeordnet ist. Der Anker
wirkt direkt oder über einen Ankerschaft auf einen Ventil
schaft des Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip
des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus
auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorge
spannte Ventilfedern, von denen eine obere Ventilfeder das
Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und eine untere Ventilfe
der das Gaswechselventil in Schließrichtung belastet. Bei
nicht erregten Elektromagneten wird der Anker durch die Ven
tilfedern in einer Gleichgewichtslage zwischen den Polflächen
gehalten. Die Ventilfedern können gemeinsam auf einer Seite
oder jeweils getrennt voneinander auf beiden Seiten der Elek
tromagnete angeordnet sein.
In geschlossener Stellung des Gaswechselventils liegt der An
ker an der Polfläche des bestromten Schließmagneten an und
wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die in Öff
nungsrichtung wirkende Ventilfeder weiter vor. Um das Gaswechselventil
zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und
der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wir
kende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichge
wichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten an
gezogen wird. Der Anker schlägt auf die Polfläche des Öff
nungsmagneten auf und wird von diesem gehalten. Um das Gas
wechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet
ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die in
Schließrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker
über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der
Anker wird vom Schließmagneten angezogen, schlägt auf die Pol
fläche des Schließmagneten auf und wird von diesem gehalten.
Um beim Start der Brennkraftmaschine den Anker aus der Gleich
gewichtslage anzuziehen, wird entweder der Schließmagnet oder
der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt oder der Anker mit
einer Anschwingroutine mit seiner Resonanzfrequenz in Schwin
gung versetzt.
Aus der DE 35 00 530 A1 ist ein gattungsbildender Aktuator be
kannt. Der Aktuator besitzt zwei Elektromagnete mit jeweils
einer Erregerspule. Jedem Elektromagnet ist ein Permanentma
gnet zugeordnet. Die Elektromagnete und die Permanentmagnete
wirken auf einen Anker, der zwischen Polflächen der Elektroma
gnete axial verschiebbar angeordnet und mit einem Ventilschaft
fest verbunden ist. Auf den Anker und damit auf das Gaswech
selventil drücken in entgegengesetzter Richtung zwei Ventilfe
dern. Die Permanentmagnete halten den Anker in den Endlagen
bzw. in einer Schließstellung und in einer Öffnungsstellung.
Die Haltekraft der Permanentmagnete wird zur Auslösung der
Ventilbewegung durch Erregung des zugeordneten Elektromagneten
aufgehoben, und zwar durch ein dem Magnetfeld des Permanentma
gneten entgegengerichtetes magnetisches Gleichfeld, so daß der
Anker und damit das Gaswechselventil unter der Wirkung der je
weils vorgespannten Feder sowie der Anzugskraft des jeweils
anderen Permanentmagneten in die andere Endlage überführt
wird.
Ferner ist aus der DE 197 12 293 A1 ein Aktuator mit zwei
Elektromagneten bekannt, wobei nur einem der Elektromagnete
ein Permanentmagnet zugeordnet ist. Die Elektromagnete sind in
Reihe oder parallel zueinander angeordnet. Bei unbestromten
Elektromagneten liegt ein Anker an dem Elektromagneten an, dem
der Permanentmagnet zugeordnet ist. Werden die Elektromagnete
bestromt, wird die Anziehungskraft des Permanentmagneten durch
den Elektromagneten neutralisiert, dem der Permanentmagnet zu
geordnet ist. Der zweite Elektromagnet zieht den Anker an sei
ne Polfläche an. Wird der Strom durch die Elektromagnete abge
schaltet, zieht der Permanentmagnet den Anker zurück in seine
Ausgangslage.
Um ein sicheres Öffnen und Schließen des Gaswechselventils zu
erreichen, muß zum einen der Anker in seinen Endstellungen si
cher gefangen werden können. Hierfür sind die Ventilfedern und
die Magnete so aufeinander abzustimmen, daß die Anziehungs
kräfte der Magnete, die entgegenwirkenden Spannkräfte der Ven
tilfedern im Bereich der Endstellungen übersteigen. Um eine
große Auftreffgeschwindigkeit und ein Abprallen sicher zu ver
meiden und einen geringen Verschleiß und Energieaufwand zu er
reichen, sollten die Anziehungskräfte der Magnete die Spann
kräfte jedoch nur im begrenzten Maße übersteigen.
Zum anderen muß das Gaswechselventil sicher gegen einen Gas
druck in einem Zylinder geöffnet werden können. Hierfür ist
insbesondere zu Beginn des Öffnungshubs eine große Kraft er
forderlich, wodurch bei den gattungsbildenden Aktuatoren zumindest
eine in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder mit ei
ner hohen Federsteifigkeit verwendet werden muß. Die auf den
Anker wirkende Anziehungskraft des Magneten nimmt kurz vor der
Endstellung stark zu, im Gegensatz zur Federkraft, die bei ge
wöhnlich verwendeten Ventilfedern nahezu linear ansteigt. Auf
grund der gewünschten, gering größeren Anziehungskraft des Ma
gneten ergibt sich dadurch nur ein besonders kleiner Bereich
bzw. eine kleine Strecke vor der Endstellung, in der die An
ziehungskraft des Magneten die Spannkraft der Ventilfeder
übersteigt und der Anker sicher gefangen wird. Die Elektroma
gnete sind dadurch besonders exakt anzusteuern und durch den
sehr kleinen Bereich vor dem anziehenden Magneten, in dem die
Anziehungskraft die Spannkraft übersteigt, kann das Flugver
halten und insbesondere die Geschwindigkeit des Ankers über
den Elektromagneten nur begrenzt geregelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsbil
denden Aktuator weiterzuentwickeln und insbesondere die Regel
barkeit zu verbessern und den Energiebedarf zu reduzieren. Sie
wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1
gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetischen Aktuator
zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschi
ne mit einer elektromagnetischen Einheit, über die ein mit dem
Gaswechselventil in Wirkverbindung stehender Anker zwischen
zwei Endstellungen verstellbar ist, und mit einem auf das Gas
wechselventil und/oder den Aktuator wirkenden Federmechanis
mus, in dessen Gleichgewichtslage sich der Anker zwischen den
Endstellungen befindet. Ferner besitzt der Aktuator zumindest
einen in wenigstens einem Bereich einer Endstellung auf das
Gaswechselventil wirkenden Permanentmagneten.
Es wird vorgeschlagen, daß eine Permanentmagnetanordnung im
Bereich der Endstellung entgegen die den Anker in die Endstel
lung ziehende elektromagnetische Einheit wirkt. Die elektroma
gnetische Einheit besitzt in der Regel zwei Elektromagnete,
und zwar einen in Schließrichtung und einen in Öffnungsrich
tung mit einer Anziehungskraft auf den Anker wirkenden Elek
tromagneten, kann jedoch auch nur aus einem Elektromagneten
bestehen. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein
Permanentmagnet wie der entsprechende Elektromagnet kurz vor
der Endlage eine stark ansteigende Wirkung auf den Anker be
sitzt. Ist die Wirkung der Permanentmagnetanordnung der Wir
kung des entsprechenden Elektromagneten entgegengerichtet,
kann der starke Anstieg der Anziehungskraft des Elektromagne
ten im Bereich der Endstellung ausgeglichen werden. Der Be
reich bzw. eine Strecke vor dem anziehenden Elektromagneten,
in der die Anziehungskraft des Elektromagneten die Summe der
entgegenwirkenden Kräfte übersteigt und der Anker sicher ge
fangen wird, kann groß ausgeführt und dadurch die Regelbarkeit
verbessert werden, ohne daß in der Endstellung die Anziehungs
kraft im Verhältnis zur entgegenwirkenden Kraft vergrößert
werden muß.
Eine vorteilhafte Permanentmagnetanordnung wirkt im Bereich
der Endstellung auf die gleiche Weise und in dieselbe Richtung
wie der Federmechanismus als ein Umschwingmechanismus für das
Stellorgan bzw. für den Aktuator. Eine Kraft der Permanentma
gnetanordnung und eine Kraft des Federmechanismus addieren
sich zu einer resultierenden, dem Elektromagneten entgegenwir
kenden Kraft auf. Dadurch entsteht ein wirksamer Umschwingme
chanismus, der sich aus zwei gleichsinnig wirkenden Teilsyste
men, nämlich des Federmechanismus und der Permanentmagne
tanordnung zusammensetzt. Dadurch kann eine kostengünstige
Ventilfeder mit geringen Abmessungen, einer kleinen Federsteifigkeit
und einer geringen Nichtlinearität eingesetzt werden.
Bei einer geeigneten Auslegung von Ventilfeder, Permanentma
gnetanordnung und Elektromagnet kann insbesondere zu Beginn
eines Öffnungshubs eine große Kraft in Öffnungsrichtung und
damit ein besonders sicheres Öffnen des Gaswechselventils ge
gen einen Gasdruck in einem Zylinder erreicht werden. Durch
die Wahl und Abstimmung von Ventilfedern, Permanentmagne
tanordnung und Elektromagnet ergibt sich ein zusätzlicher Op
timierungsspielraum, insbesondere kann der erfindungsgemäße
Effekt mit einem Federmechanismus verstärkt werden, der zumin
dest in Schließrichtung ab seiner Gleichgewichtslage eine pro
gressiv ansteigende Federkennlinie aufweist. Ferner kann der
Energieaufwand des Aktuators reduziert werden. Eine mögliche
Ausführung einer solchen Permanentmagnetanordnung besteht aus
zwei abstoßend wirkenden Permanentmagneten, von denen einer an
einem ruhenden Teil des Aktuators (z. B. einem Elektromagne
ten) und einer an einem bewegten Teil des Aktuators (z. B. ei
nem Anker) angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil einer solchen
Permanentmagnetanordnung ist, daß ein Kleben bzw. Aneinander
haften der Permanentmagnete in jedem Fall vermieden werden
kann.
Ein oder mehrere einzelne Permanentmagnete einer Permanentma
gnetanordnung können an verschiedenen Stellen ruhend und/oder
an einem sich mit dem Gaswechselventil bewegenden Bauteil an
geordnet sein und auf verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll
erscheinende Bauteile wirken. In einer Ausgestaltung wird vor
geschlagen, daß eine Permanentmagnetanordnung nicht am Elek
tromagneten oder am Anker angeordnet ist und damit eine zu
sätzliche Komponente des Stellorgans bildet. Dabei ist minde
stens ein Permanentmagnet beweglich angeordnet und mit dem be
weglichen Stellmechanismus verbunden. Der Permanentmagnet
wirkt auf mindestens ein weiteres, vom Anker getrenntes, ruhendes
Bauteil. Die Permanentmagnetanordnung kann axial oder
radial versetzt vom Ankerelement auf verschiedene Weise kon
struktiv angeordnet und ausgeführt werden. Ein Anschlagen des
Permanentmagneten gegen ein weiteres Bauteil bzw. ein Auf
schlagen eines Bauteils auf dem Permanentmagneten kann durch
geeignete konstruktive Maßnamen vermieden und ein dadurch be
dingter Verschleiß des Permanentmagneten sicher verhindert
werden. Das Anschlagen und Kleben der Permanentmagnete kann
bei dieser Anordnung beispielsweise dadurch verhindert werden,
daß der Abstand zwischen Bauteil und bewegten Permanentmagne
ten größer als der Abstand zwischen Elektromagnet und Anker
gewählt wird. Das zusätzliche Bauteil kann von einem dem be
weglichen Permanentmagneten entgegengerichteten Permanentma
gneten oder von einem Bauteil gebildet sein, daß von einem
Elektromagneten entsprechend gepolt ist. Vorteilhafterweise
sind die Permanentmagnete bei dieser Anordnung mit geeigneten
Fassungen versehen oder an geeigneten Aufnahmeelementen befe
stigt.
Um zusätzliche Bauteile und insbesondere zusätzlichen Bauraum
zu vermeiden bzw. möglichst gering zu halten, wirkt die Perma
nentmagnetanordnung vorteilhaft auf den Anker. Dabei kann ein
Permanentmagnet am Anker und/oder am Elektromagneten befestigt
sein. Vorteilhaft ist eine Anordnung mit einem Permanentmagne
ten am Elektromagneten und einem gegenüberliegenden Permanent
magneten am Anker, die abstoßend aufeinander wirken. Dabei
sind die Permanentmagnete so angeordnet, daß sie der Wirkung
des Elektromagneten während der Annäherung des Ankers entge
genwirken.
Es kann jeweils eine Permanentmagnetanordnung dem in Öffnungs
richtung wirkenden Aktuatorelement und/oder dem in Schließ
richtung wirkenden Aktuatorelement zugeordnet werden. Die in
Öffnungs- oder Schließrichtung wirkenden Permanentmagnetanord
nungen können gleich oder unterschiedlich ausgelegt werden.
Werden der Schließ- und Öffnungsrichtung jeweils eine Perma
nentmagnetanordnung zugeordnet, kann vorteilhaft eine weitge
hend symmetrische Einheit geschaffen werden. Der Einstellauf
wand kann klein gehalten und es können mehrere gleiche Bautei
le verwendet werden, beispielsweise zwei gleiche, entgegenge
setzt wirkende Ventilfedern usw.
In einer weiteren Anordnung ist jedoch der Permanentmagnet im
Bereich des Elektromagneten angeordnet und besitzt ein dem
Elektromagneten entgegengerichtetes Magnetfeld, das auf den
vom Elektromagneten gepolten Anker abstoßend wirkt. Der Perma
nentmagnet kann einstückig ausgeführt und Bauteile, Bauraum
und Montageaufwand können eingespart werden. Ferner ist ein
sich mit dem Gaswechselventil bewegender Permanentmagnet ver
meidbar.
Wird die erfindungsgemäße Wirkung des Permanentmagneten da
durch erreicht, daß dieser während der Annäherungsphase des
Ankers an den Elektromagneten ein dem Elektromagneten entge
gengerichtetes Magnetfeld besitzt, das auf den vom Elektroma
gneten gepolten Anker abstoßend wirkt, kann vorteilhaft er
reicht werden, daß der Permanentmagnet im Bereich der Endstel
lung bei aktiviertem Elektromagneten abstoßend auf den Anker
wirkt und bei unbestromtem Elektromagneten anziehend auf den
Anker wirkt.
Ist ausschließlich dem in Schließrichtung wirkenden Elektroma
gneten ein Permanentmagnet zugeordnet oder zumindest ein stär
kerer Permanentmagnet als dem in Öffnungsrichtung wirkenden
Elektromagneten, verschiebt der Permanentmagnet das Gaswech
selventil in Schließrichtung. Durch nur einen Permanentmagneten
können die zuvor ausgeführten erfindungsgemäßen Vorteile
erreicht werden, und zwar insbesondere eine große Öffnungs
kraft zu Beginn des Öffnungshubs, und zudem kann Energie beim
Start bzw. beim Anschwingen des Aktuators eingespart werden.
Ist die Anziehungskraft des Permanentmagneten stärker als die
Spannkraft der in Öffnungsrichtung wirkenden Ventilfeder, kann
vorteilhaft der Permanentmagnet dazu genutzt werden, das Gas
wechselventil bei unbestromten Elektromagneten in seiner
Schließstellung zu halten. Der Aktuator kann dadurch günstig
ohne Anschwingroutine gestartet werden. Ferner sind im ge
schlossenen Zustand des Gaswechselventils Ventilteller, Ven
tilsitz und Zylinder vorteilhaft vor äußeren Einflüssen ge
schützt, wie beispielsweise vor Kondenswasser. Die erfindungs
gemäßen Permanentmagnetanordnungen können sowohl für lineare
als auch für rotatorische Aktuatoranforderungen eingesetzt
werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe
schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er
findung dargestellt. Die Darstellungen in den Zeichnungen be
ziehen sich beispielhaft auf lineare Aktuatoren. Sie können
jedoch auf einfache Weise auf rotatorische Aktuatoren übertra
gen werden. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahl
reiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen
weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Aktuator im Längsschnitt,
Fig. 2 ein Diagramm, in dem über einem Hub eines Gaswechsel
ventils Kräfte aufgetragen sind, die auf einen Anker
des Aktuators aus Fig. 1 wirken,
Fig. 3 eine Variante eines Aktuators nach Fig. 1 mit nur einem
Permanentmagneten und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Variante nach Fig.
1 mit axial versetzt angeordneten Permanentmagneten.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs mit einem in einem Kurbelgehäuse 1 geführten
Hubkolben 2 und einem am Kurbelgehäuse 1 abschließenden Zylin
derkopf 3. Im Zylinderkopf 3 ist in einem Arbeitsraum 4 ein
Ventiltrieb mit einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Aktuator zum Betätigen eines Gaswechselventils 5 angeordnet.
Der Aktuator besitzt eine elektromagnetische Einheit mit einem
ersten, in Öffnungsrichtung 14 mit einer Zugkraft wirkenden
Elektromagneten 6 und einem zweiten, in Schließrichtung 16 mit
einer Zugkraft wirkenden Elektromagneten 7, zwischen denen ein
Anker 8 koaxial verschiebbar angeordnet ist. Der Anker 8 wirkt
über einen in einer Ankerschaftführung 9 geführten Ankerschaft
10 und über ein hydraulisches Spielausgleichselement 11 auf
einen Ventilschaft 12, der in einer Schaftführung 13 im Zylin
derkopf 3 geführt ist. Ferner wirkt auf den Ventilschaft 12
ein Federmechanismus mit einer oberen, in Öffnungsrichtung 14
wirkenden Ventilfeder 15 und einer unteren, in Schließrichtung
16 wirkenden Ventilfeder 17. Die in Öffnungsrichtung 14 wir
kende Ventilfeder 15 ist auf der dem Gaswechselventil 5 abge
wandten Seite des in Schließrichtung 16 wirkenden Elektroma
gneten 7 angeordnet, stützt sich an einem Deckel 18 ab und
wirkt über eine Federauflage 19 auf einen Federschaft 20, der
über eine Schaftführung 21 im Elektromagneten 7 geführt ist
und mit einer Stirnseite 22 auf eine Stirnseite 23 des Anker
schafts 10 wirkt. Die in Schließrichtung 16 wirkende Ventilfe
der 17 ist in einem Federraum 24 auf der dem Gaswechselventil
5 zugewandten Seite des in Öffnungsrichtung 14 wirkenden Elek
tromagneten 6 angeordnet, stützt sich über einen Ring 25 am
Zylinderkopf 3 ab und wirkt über eine Federauflage 26 in
Schließrichtung 16 auf den Ventilschaft 12.
Jedem Elektromagnet 6, 7 ist ein Permanentmagnet 27a, 28a und
jeder einem Elektromagneten gegenüberliegenden Seite des An
kers 8 ist ein Permanentmagnet 27b, 28b zugeordnet. Die Perma
nentmagnete 27a und 27b stoßen sich ab. Gleiches gilt für die
Permanentmagnete 28a und 28b. Die Permanentmagnete 27a, 27b,
28a, 28b sind beispielsweise ringförmig und konzentrisch zur
Längsachse des Aktuators angeordnet. Bei nicht erregten Elek
tromagneten 6, 7 wird der Anker 8 durch die Ventilfedern 15,
17 in einer Gleichgewichtslage 47 zwischen den Polflächen der
Elektromagnete 6, 7 gehalten (Fig. 2). Die Permanentmagne
tanordnungen 27a, 27b und 28a, 28b wirken jeweils mit einer
gleichen Kraft auf den Anker 8, wodurch deren Wirkungen sich
gegenseitig aufheben. Um beim Start der Brennkraftmaschine den
Anker 8 aus der Gleichgewichtslage 47 anzuziehen, wird entwe
der der in Schließrichtung 16 oder der in Öffnungsrichtung 14
wirkende Elektromagnet 6, 7 kurzzeitig übererregt oder der An
ker 8 mit einer Anschwingroutine mit seiner Resonanzfrequenz
in Schwingung versetzt.
In geschlossener Stellung liegt der Anker 8 an der Polfläche
des mit einer Zugkraft in Schließrichtung 16 wirkenden Elek
tromagneten 7 an und wird von diesem gehalten. Der Elektroma
gnet 7 spannt die in Öffnungsrichtung 14 wirkende Ventilfeder
15 weiter vor. Gleichzeitig wird dadurch die maximale, abstoßende
Kraft zwischen den Permantmagneten 27a und 27b erreicht.
Aufgrund des großen Luftspalts ist in dieser Stellung die Wir
kung der Permanentmagnetanordnung 28a, 28b gering. Das Gas
wechselventil 5 verschließt mit seinem Ventilteller 33 einen
Auslaßkanal 34 an einem Ventilsitzring 35. Um das Gaswechsel
ventil 5 zu öffnen, wird der in Schließrichtung 16 wirkende
Elektromagnet 7 ausgeschaltet und der in Öffnungsrichtung 14
wirkende Elektromagnet 6 eingeschaltet. Die in Öffnungsrich
tung 14 wirkende Ventilfeder 15 und die ebenfalls in Öffnungs
richtung wirkende Permanentmagnetanordnung 27a, 27b beschleu
nigen den Anker 8 über die Gleichgewichtslage 47 hinaus, so
daß dieser von dem in Öffnungsrichtung 14 wirkenden Elektroma
gneten 6 angezogen wird. Der Anker 8 schlägt auf die Polfläche
des Elektromagneten 6 auf und wird von diesem gehalten. Das
Gaswechselventil 5 ist geöffnet und in einem Auslaßtakt kann
Abgas über den Kolben 2 in den Auslaßkanal 34 ausgeschoben
werden. Um das Gaswechselventil 5 wieder zu schließen, wird
der Elektromagnet 6 ausgeschaltet und der in Schließrichtung
16 wirkende Elektromagnet 7 eingeschaltet. Die in Schließrich
tung 16 wirkende Ventilfeder 17 und die ebenfalls in Schließ
richtung wirkende Permanentmagnetanordnung 28a, 28b beschleu
nigen den Anker 8 über die Gleichgewichtslage 47 hinaus zum
Elektromagneten 7. Der Anker 8 wird vom in Schließrichtung 16
wirkenden Elektromagneten 7 angezogen, schlägt auf die Polflä
che des Elektromagneten 7 auf und wird von diesem gehalten.
Erfindungsgemäß wirkt die Permanentmagnetanordnung 27a, 27b im
Bereich der Schließstellung 48 entgegen dem anziehenden Elek
tromagneten 7 und die Permanentmagnetanordnung 28a, 28b im Be
reich der Öffnungsstellung 49 entgegen dem anziehenden Elek
tromagneten 6 jeweils abstoßend auf den Anker 8. Die Perma
nentmagnete 27, 28 besitzt jeweils ein den Elektromagneten 6,
7 entgegengerichtetes Magnetfeld, das auf den von den Elektro
magneten 7 gepolten Anker 8 abstoßend wirkt.
Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Permanentmagnete 27, 28
wie die Elektromagnete 6, 7 kurz vor den Endstellungen 48, 49
jeweils eine stark ansteigende Wirkung auf den Anker 8 besit
zen. Durch die entgegengesetzten Wirkungen bzw. Kräfte 43, 44
der Permanentmagnete 27, 28 wird ein starker Anstieg der An
ziehungskräfte 37, 38 der Elektromagnete 6, 7 ausgeglichen.
Die Kräfte 43, 44 der Permanentmagnetanordnungen 27a, 27b bzw.
28a, 28b wirken jeweils im Bereich der Endstellungen 48, 49 in
dieselbe Richtung wie der Federmechanismus und addieren sich
mit diesen zu resultierenden, den Elektromagneten 6, 7 entge
genwirkenden Kräften 39, 40 auf. Bereiche bzw. Strecken 36 vor
den jeweiligen Endstellungen 48, 49, in denen die Anziehungs
kräfte 37, 38 der Elektromagnete 6, 7 die entgegenwirkenden
Kräfte 39, 40 übersteigen und der Anker 8 sicher gefangen
wird, können groß ausgeführt und es kann die Regelbarkeit ver
bessert werden, ohne daß die Anziehungskräfte 37, 38 im Ver
hältnis zu den entgegenwirkenden Kräften 39, 40 in den End
stellungen 48, 49 vergrößert werden müssen. Mit kostengünsti
gen Ventilfedern 15, 17 mit jeweils kleinen Federsteifigkeiten
und nahezu linearen Federkennlinien 41, 42 wird insbesondere
zu Beginn des Öffnungshubs eine große Kraft 39 in Öffnungs
richtung 14 und damit ein besonders sicheres Öffnen des Gas
wechselventils 5 erreicht. Zum Vergleich sind Federkennlinien
45, 46 in Fig. 2 gestrichelt dargestellt, mit denen eine
gleich große Öffnungskraft in der Endstellungen 48 erreicht
werden kann. Um zu vermeiden, daß die Permanentmagnete 27a,
27b, 28a, 28b durch das Aufschlagen des Ankers 8 auf den Pol
flächen der Elektromagnete 6, 7 verschlissen werden, sind die
se mit einem axialen Abstand zu den Polflächen in Nuten angeordnet.
Dadurch wird zusätzlich die mögliche Klebwirkung bei
abgeschalteten Elektromagneten vermindert.
In Fig. 3 ist ein alternativer Aktuator mit nur einem Perma
nentmagneten 29 dargestellt, der dem in Schließrichtung 16
wirkenden Elektromagneten 7 zugeordnet ist. Im wesentlichen
gleichbleibende Bauteile sind in den dargestellten Ausfüh
rungsbeispielen grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen
beziffert. Bezüglich der grundlegenden Funktionsweise kann auf
die Beschreibung zu dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 verwie
sen werden. Der Permanentmagnet 27 besitzt ein dem in Schließ
richtung 16 wirkenden Elektromagneten 7 entgegengerichtetes
Magnetfeld und wirkt bei aktiviertem Elektromagneten 7 absto
ßend auf den vom Elektromagneten 7 entsprechend gepolten Anker
8 und bei unbestromten Elektromagneten 6, 7 anziehend auf den
Anker 8. Bei unbestromten Elektromagneten 6, 7 wird der Anker
8 bzw. das Gaswechselventil 5 durch den Permanentmagneten 29
in seiner Schließstellung 48 gehalten.
In Fig. 4 ist schematisch ein Aktuator dargestellt, bei dem
ein Permanentmagnet 30 auf Bauteile 31, 32 wirkt, die getrennt
vom Anker 8 ausgeführt sind. Dargestellt ist das Beispiel ei
ner axial zum Ankerelement versetzten Permanentmagnetanord
nung. Die Bauteile 31, 32 werden von Permanentmagneten gebil
det, die ortsfest, axial versetzt zu den Elektromagneten 6, 7
angeordnet sind. Der Permanentmagnet 30 ist auf dem Feder
schaft 20 befestigt und folgt bzw. unterstützt die axiale Be
wegung des Gaswechselventils 5 und wirkt auf die Bauteile 31
32 abstoßend. Die Bauteile 31, 32 besitzen einen größeren
axialen Abstand als die Elektromagnete 6, 7, wodurch ein Auf
schlagen und Kleben des Permanentmagneten 30 auf den Bauteilen
31, 32 und ein dadurch bedingter Verschleiß des Permanentma
gneten 30 und der Bauteile 31, 32 vermieden wird.
Claims (7)
1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswech
selventils einer Brennkraftmaschine mit einer elektromagneti
schen Einheit, über die ein mit dem Gaswechselventil in Wirk
verbindung stehender Anker zwischen zwei Endstellungen ver
stellbar ist, und mit einem auf das Gaswechselventil wirkenden
Federmechanismus, in dessen Gleichgewichtslage sich der Anker
zwischen den Endstellungen befindet, und mit zumindest einem
in wenigstens einem Bereich einer Endstellung auf das Gaswech
selventil wirkenden Permanentmagneten,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (27a, 27b, 28a, 28b, 29, 30) im Be
reich der Endstellung (48, 49) entgegen die den Anker (8) in
die Endstellung (48, 49) ziehende elektromagnetische Einheit
(6, 7) wirkt.
2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (30) auf zumindest ein vom Anker (8)
getrenntes Bauteil (31, 32) wirkt.
3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (27a, 28a, 29) auf den Anker (8)
wirkt.
4. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (27a, 28a, 29) bei unbestromter elek
tromagnetischer Einheit (6, 7) anziehend auf den Anker (8)
wirkt.
5. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (29) bei unbestromter elektromagneti
scher Einheit (6, 7) das Gaswechselventil (5) in Schließrich
tung (16) verschiebt.
6. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (29) bei unbestromter elektromagneti
scher Einheit (6, 7) das Gaswechselventil (5) in seiner
Schließstellung (48) hält.
7. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Federmechanismus zumindest in Schließrichtung (16) ab
seiner Gleichgewichtslage eine progressiv ansteigende Feder
kennlinie aufweist.
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