DE10012439A1 - Actuator device for gas exchange valve for IC engines has magnet core with two core arms separate by air gap, and with armature moving in gap with contact with core arms - Google Patents

Abstract

The device has an actuator (2) with two separate magnets (6,7) acting on an armature (5) on the valve shaft (3). The armature moves contact-free in an air gap (12) of the magnet. The magnet core (8) has two core arms, which are separated by the air gap and enclose the armature. The gas exchange valve (1) is coupled to a spring mechanism with spring force directed approx. parallel to the movement direction (10) of the armature.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruches 1.The invention relates to a device for actuating a Gas exchange valve with the features of the preamble of the An saying 1.

Aus 197 18 038 C1 ist ein elektromagnetischer Aktuator mit ei­ nem Öffnungsmagneten und einem Schließmagneten bekannt, welche beide auf einen Anker einwirken. Der Anker ist an dem Ventil­ schaft eines Gaswechselventils befestigt. Am Ventilschaft greift ein Federmechanismus an, dessen Federkraft etwa parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers verläuft. Der Federmechanismus hält den Anker abwechselnd in einer stabilen Öffnungsposition, in der das Gaswechselventil geöffnet ist und in einer stabilen Schließposition, in der das Gaswechselventil geschlossen ist. Der Anker wird innerhalb einer zentralen Ausnehmung des Kerns der Magneten hin- und herbewegt. Um Aufschlaggeräusche des An­ kers am Kern und mechanischen Verschleiß des Ankers zu vermei­ den, ist der Aktuator derart aufgebaut, dass während der Anker­ bewegungen kein Kontakt zwischen diesem und dem Magnetenkern entsteht.From 197 18 038 C1 is an electromagnetic actuator with egg Nem opening magnet and a closing magnet known, which both act on an anchor. The anchor is on the valve shaft of a gas exchange valve attached. On the valve stem attacks a spring mechanism whose spring force is roughly parallel to the direction of movement of the armature. The spring mechanism alternately holds the anchor in a stable opening position, in which the gas exchange valve is open and in a stable one Closed position in which the gas exchange valve is closed. The anchor is inside a central recess of the core the magnet reciprocated. To the impact sounds of the An to avoid core at the core and mechanical wear of the anchor the actuator is constructed in such a way that during the armature movements no contact between this and the magnet core arises.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zum Magneten be­ rührungsfreie Bewegung des Ankers bei gleichzeitig konstruktiv einfachem Aufbau des Aktuators zu erzielen.The invention has for its object to be a magnet non-contact movement of the armature and at the same time constructive to achieve simple construction of the actuator.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspuches 1 gelöst.This object is achieved by the combination of features of claim 1 .

Erfindungsgemäß weist der Kern des mindestens einen Magneten zwei Kernschenkel auf, welche durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Innerhalb dieses Luftspalts kann der Anker be­ wegt werden, ohne dass ein Kontakt mit den Kernschenkeln ent­ steht. Im Gegensatz zu dem Aktuator gemäß DE 197 18 038 C1 mit einem im zentralen Bereich des Kerns angeordneten Luftspalt ist der Luftspalt erfindungsgemäß an einem Randbereich des Magnet­ kerns derart angeordnet, dass der Anker im Luftspalt einliegend gewissermaßen eine Verbindung zwischen beiden Kernschenkeln schafft. Durch diesen geometrisch einfachen Aufbau wird der Herstellungs- und Montageaufwand des mindestens einen Magneten reduziert. Außerdem kann die Spule des Magneten seitlich des Ankers angebracht direkt um den Kern herumgewickelt werden, so dass die Verlustwärme unaufwendig abgeführt werden kann. Eine Vorrichtung zur Kühlung der Spule kann ohne besonderen Montage- und Raumaufwand seitlich des Magnetkerns positioniert werden. Weiterhin ist mit diesem geometrischen Aufbau eine platzsparen­ de Anordnung zweier Aktuatoren mit jeweils einem Anker möglich, indem die beiden Aktuatoren gewissermaßen spiegelbildlich ange­ ordnet sind mit parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers ver­ laufender Spiegelebene, wobei die beiden Anker einander zuge­ wandt sind.According to the invention, the core of the at least one magnet two core legs, which are separated by an air gap  are separated. The anchor can be within this air gap be moved without contact with the core legs stands. In contrast to the actuator according to DE 197 18 038 C1 an air gap arranged in the central region of the core the air gap according to the invention at an edge region of the magnet core arranged such that the armature lies in the air gap a connection between the two core legs, so to speak creates. This geometrically simple structure means that Manufacturing and assembly effort of the at least one magnet reduced. In addition, the coil of the magnet on the side of the Anchor attached to be wrapped directly around the core, so that the heat loss can be easily removed. A Device for cooling the coil can be installed without special and space requirements can be positioned to the side of the magnetic core. Furthermore, this geometric structure saves space de arrangement of two actuators, each with one armature possible, by the two actuators, as it were, mirror images arranges with ver parallel to the direction of movement of the anchor running mirror plane, with the two anchors towards each other are turning.

Vorteilhaft ist der Kern des Magneten aus aneinandergeschichte­ ten Blechen aufgebaut.The core of the magnet from one another's history is advantageous ten sheets built up.

Vorzugsweise ist der Anker im Bereich der Freienden der beiden korrespondierenden Kernschenkel angeordnet, wodurch der Anker besonders wirksam durch den oder die Magneten steuerbar ist. Außerdem wird hierdurch das Magnetfeld günstig beeinflußt.The anchor is preferably in the region of the free ends of the two corresponding core leg arranged, thereby creating the anchor can be controlled particularly effectively by the magnet or magnets. This also has a favorable influence on the magnetic field.

Vorzugsweise werden die Ankerbewegungen durch zwei separate Ma­ gneten erzielt, welche mit Abstand zueinander angeordnet sind und abwechselnd auf den Anker nach dem Reluktanzprinzip einwir­ ken.The armature movements are preferably determined by two separate measures gneten achieved, which are arranged at a distance from each other and act alternately on the anchor according to the reluctance principle ken.

Die erforderliche elektrische Energie zum Bewegungsantrieb des Ankers kann reduziert werden, indem das Gaswechselventil in ei­ ner bevorzugten Ausführungsform mit einem Federmechanismus, z. B. einer Tellerfeder, wirkungsmäßig derart verbunden ist, dass die erwünschte Ankerbewegung in Richtung einer Schließpo­ sition oder einer Öffnungsposition durch die Federkraft unter­ stützt wird. Hierbei verläuft die Federkraft etwa parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers. Mit Hilfe eines geeignet dimen­ sionierten und aufgebauten Federmechanismus (z. B. nach Art ei­ ner Rückholfeder) ist es möglich, dass der Federmechanismus selbst einen der beiden separaten Magneten ersetzt und hier­ durch einen besonders raumsparenden Aufbau des Aktuators unter­ stützt.The electrical energy required to drive the Anchor can be reduced by placing the gas exchange valve in egg ner preferred embodiment with a spring mechanism,  e.g. B. a disc spring is effectively connected in such a way that the desired anchor movement towards a closing po sition or an opening position under the spring force is supported. The spring force runs approximately parallel to Direction of movement of the armature. With the help of a suitable dimen sioned and constructed spring mechanism (e.g. type ei return spring) it is possible that the spring mechanism itself replaced one of the two separate magnets and here due to a particularly space-saving construction of the actuator supports.

Der kompakte Aufbau des Aktuators wird gefördert, indem der Kern mindestens eines Magneten vorzugsweise einen U-förmigen oder C-förmigen Querschnitt aufweist. Außerdem lassen sich der­ artige Kerne kostengünstig als Blechpakete aufbauen, da auf­ grund der Querschnittsform verhältnismäßig geringer Verschnitt beim Stanzen der Bleche entsteht.The compact structure of the actuator is promoted by the Core of at least one magnet, preferably a U-shaped one or has a C-shaped cross section. In addition, the Build like cores inexpensively as laminated cores, because on due to the cross-sectional shape, relatively little waste when punching the sheets.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Kerne der beiden Magneten in einer quer zur Bewegungsrichtung des Ankers verlaufenden Querschnittsebene denselben Querschnitt auf und sind in Bewegungsrichtung fluchtend zueinander angeordnet. Dies unterstützt einen kostengünstigen Aufbau des Aktuators mit we­ nigen Bauteilen, da immer nur derselbe Querschnitt für die Ma­ gnetkerne bzw. für die Bleche benötigt wird.In an advantageous embodiment, the cores have the two magnets in one transverse to the direction of movement of the armature extending cross-sectional plane the same cross-section on and are aligned with each other in the direction of movement. This supports an inexpensive construction of the actuator with we some components, since only the same cross-section for the dimensions net cores or for the sheets is required.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Aus­ führungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on the Aus shown in the figures examples of management explained in more detail. Show it:

Fig. 1 Eine schematische Seitenansicht des elektromagnetischen Aktuators und des Gaswechselventils in Pfeilrichtung I gemäß Fig. 2, Fig. 1 shows a schematic side view of the electromagnetic actuator and the gas exchange valve in the direction of arrow I in FIG. 2,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Aktuator und das Gaswechselven­ til in Pfeilrichtung II gemäß Fig. 1, Fig. 2 is a plan view of the actuator and the Gaswechselven til in the direction of arrow II of FIG. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Aktuators ohne Gaswechselventil in Pfeilrichtung III gemäß Fig. 2, Fig. 3 is a side view of the actuator without gas exchange valve in the direction of arrow III of FIG. 2,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des Magnetkerns und Fig. 4 shows a second embodiment of the magnetic core and

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform des Magnetkerns. Fig. 5 shows a third embodiment of the magnetic core.

Ein Gaswechselventil 1 für eine Brennkraftmaschine beherrscht einen hier nicht näher dargestellten Gaswechselkanal und wird von einem elektromagnetischen Aktuator 2 betätigt. An einem Axialende eines Ventilschaftes 3 ist der Ventilteller 4 des Ventils 2 befestigt, während an dem gegenüberliegenden Axialen­ de des Ventilschaftes 3 ein Anker 5 befestigt ist. Der Anker 5 ist vorzugsweise als Blechpaket aufgebaut und kann zur Erhöhung seiner Festigkeit an seinen quer zum Ventilschaft 3 verlaufen­ den Oberflächen mit Verstärkungsplatten aus nichtmagnetischem Werkstoff belegt sein.A gas exchange valve 1 for an internal combustion engine controls a gas exchange channel, not shown here, and is actuated by an electromagnetic actuator 2 . At one axial end of a valve stem 3 , the valve plate 4 of the valve 2 is attached, while an armature 5 is attached to the opposite axial de of the valve stem 3 . The armature 5 is preferably constructed as a laminated core and can be covered with reinforcing plates made of non-magnetic material in order to increase its strength on its surfaces which run transversely to the valve stem 3 .

Der Aktuator 2 weist zwei separate Elektromagneten auf, nämlich einen Schließmagneten 6 und einen Öffnungsmagneten 7 auf. Um die identischen Kerne 8 der beiden Magneten 6, 7 ist jeweils eine Spule 9 gewickelt. Die Spulen 9 bestehen vorzugsweise aus Kupferlackdraht. Nachdem die Spulendrähte auf die Kerne 8 auf­ gewickelt sind, werden die Spulendrähte vorteilhaft im Spritz­ guss- oder Druckgelierverfahren isoliert. Eine einfache Kühlung der Spulen 8 erfolgt vorzugsweise auf einer beiden Spulen 8 gleichmäßig zugewandten Kühlungsseite 11, an der eine geeignete Kühlungsvorrichtung angeordnet ist.The actuator 2 has two separate electromagnets, namely a closing magnet 6 and an opening magnet 7 . A coil 9 is wound around the identical cores 8 of the two magnets 6 , 7 . The coils 9 are preferably made of enamelled copper wire. After the coil wires are wound onto the cores 8 , the coil wires are advantageously insulated by injection molding or pressure gelation. A simple cooling of the coils 8 is preferably carried out on a cooling side 11 equally facing both coils 8 , on which a suitable cooling device is arranged.

Abhängig von der Bestromung der Spulen 9 wirken die Magneten 6, 7 auf den Anker 5 ein, um ihn in parallel zum Ventilschaft 3 verlaufender Bewegungsrichtung 10 anzutreiben. Dabei bewegt sich der Anker 5 innerhalb eines Luftspaltes 12 der Magneten 6, 7 berührungsfrei zu den Magnetkernen 8. Die Extrempositionen des Ankers 5 in Bewegungsrichtung 10 bilden eine das Ventil 2 schließende Schließposition und eine Öffnungsposition, in der das Ventil 2 geöffnet ist. Depending on the energization of the coils 9 , the magnets 6 , 7 act on the armature 5 in order to drive it in the direction of movement 10 running parallel to the valve stem 3 . The armature 5 moves within an air gap 12 of the magnets 6 , 7 without contact to the magnet cores 8 . The extreme positions of the armature 5 in the direction of movement 10 form a closing position closing the valve 2 and an opening position in which the valve 2 is open.

In Fig. 1 weist der Magnetkern 8 einen U-förmigen Querschnitt auf mit zwei Kernschenkeln 13, 13', welche die beiden U- Schenkel des Magnetkerns 8 bilden und mit Abstand den Anker 5 zwischen sich aufnehmen. Die beiden in einer Querrichtung 14 einander zugewandten Kerninnenflächen 15, 15' der Kernschenkel 13, 13' begrenzen in Querrichtung 14 den Luftspalt 12.In Fig. 1, the magnetic core 8 has a U-shaped cross section with two core legs 13 , 13 ', which form the two U-legs of the magnetic core 8 and receive the armature 5 between them at a distance. The two core inner surfaces 15 , 15 'of the core legs 13 , 13 ' facing one another in a transverse direction 14 delimit the air gap 12 in the transverse direction 14 .

Die beiden identisch ausgebildeten Magnetkerne 8 der beiden Ma­ gneten 6, 7 sind in Bewegungsrichtung 10 mit Parallelabstand zueinander angeordnet und fluchten in Bewegungsrichtung 10 mit­ einander.The two identically designed magnetic cores 8 of the two Ma gneten 6 , 7 are arranged in the direction of movement 10 with a parallel distance to each other and are aligned in the direction of movement 10 with each other.

Die Magnetkerne 8 können auch durch andere Querschnitte, z. B. etwa C-förmige Querschnitte der Magnetkerne 8' und 8", ersetzt werden (Fig. 4 und Fig. 5).The magnetic cores 8 can also have other cross sections, e.g. B. approximately C-shaped cross sections of the magnetic cores 8 'and 8 "can be replaced ( Fig. 4 and Fig. 5).

In Fig. 4 ist der Magnetkern 8' gegenüber der Ausführungsform in Fig. 2 insofern verändert, als die Kernschenkel 13, 13' jeweils ein in Querrichtung 14 verlaufendes Freiende 16, 16' tragen, welche die Kerninnenflächen 15, 15' aufweisen.In FIG. 4, the magnetic core 8 'has been modified compared to the embodiment in FIG. 2 in that the core legs 13 , 13 ' each have a free end 16 , 16 'which runs in the transverse direction 14 and which has the core inner surfaces 15 , 15 '.

Während in Fig. 2 und Fig. 4 die Magnetkerne 8 bzw. 8' abgewin­ kelt verlaufen, ist in Fig. 5 ein ellipsenartig gebogener Ver­ lauf des Magnetkerns 8" vorgesehen. An diesen Verlauf ist auch der Anker 5" angepaßt, indem er als Ellipsensegment ebenfalls gebogen verläuft. Entsprechend ist der Anker 5' querschnittsmä­ ßig an den Magnetkern 8' angepaßt (Fig. 4).While in Fig. 2 and Fig. 4 the magnetic cores 8 and 8 'are angled, in Fig. 5 an elliptically curved course of the magnetic core 8 "is provided. The armature 5 " is also adapted to this profile by being as Ellipse segment is also curved. Accordingly, the armature 5 'is cross-sectionally adapted to the magnetic core 8 ' ( FIG. 4).

Befindet sich der Anker 5 in seiner Öffnungsposition und soll das Gaswechselventil 1 geschlossen werden, wird die Spule 9 des Schließmagneten 6 bestromt. Der Anker 5 wird dann in Richtung des Luftspaltes 12 des Schließmagneten 6 beschleunigt (Fig. 1). Bei Erreichen der Schließposition des Ankers 5 trifft der Ven­ tilteller 4 auf den Ventilsitzring 17 auf und das Gaswechsel­ ventil 1 ist geschlossen. Soll das Gaswechselventil 1 wieder geöffnet werden, wird die Spule 9 des Öffnungsmagneten 7 bestromt, so dass der Anker 5 in Richtung des Luftspaltes 12 des Öffnungsmagneten 7 gezogen und in seine Öffnungsposition über­ führt wird. Nach demselben Funktionsprinzip arbeitet der Aktua­ tor 2 auch bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und Fig. 5.If the armature 5 is in its open position and the gas exchange valve 1 is to be closed, the coil 9 of the closing magnet 6 is energized. The armature 5 is then accelerated in the direction of the air gap 12 of the closing magnet 6 ( FIG. 1). When the closing position of the armature 5 is reached , the Ven tilteller 4 hits the valve seat ring 17 and the gas exchange valve 1 is closed. If the gas exchange valve 1 are opened again, the coil 9 is energized the opening magnet 7, so that the armature 5 in the direction of the air gap 12 of the opening magnet 7 and pulled in its opening position is transferred. According to the same functional principle of Aktua 2 5 operates gate also in the embodiments according to FIG. 4 and FIG..

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils (1) für Brennkraftmaschinen, mit einem elektromagnetischen Aktuator (2), welcher mindestens einen Magneten (6, 7) zum Einwirken auf einen an einem Ventilschaft (3) des Gaswechselventils (1) befe­ stigten Anker (5, 5', 5") aufweist, wobei der Anker (5, 5', 5") in einem Luftspalt (12) des Magneten (6, 7) berührungsfrei zu die­ sem zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (8, 8', 8") des Magneten (6, 7) zwei durch den Luftspalt (12) voneinander getrennte Kernschenkel (13, 13') auf­ weist, welche zwischen sich den Anker (5, 5', 5") aufnehmen.1. A device for actuating a gas exchange valve (1) for internal combustion engines, having an electromagnetic actuator (2) comprising at least one magnet (6, 7) for acting stigten a BEFE to a valve stem (3) of the gas exchange valve (1) armature (5 , 5 ', 5 "), the armature ( 5 , 5 ', 5 ") being movable in an air gap ( 12 ) of the magnet ( 6 , 7 ) without contact to the sem between an open position and a closed position, characterized in that that the core ( 8 , 8 ', 8 ") of the magnet ( 6 , 7 ) has two core legs ( 13 , 13 ') which are separated from one another by the air gap ( 12 ) and which have the armature ( 5 , 5 ', 5 ") take up. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Bewegungsrichtung (10) des Ankers (5, 5', 5") zwei sepa­ rate Magneten (6, 7) mit Abstand zueinander angeordnet auf den Anker (5, 5', 5") einwirken.2. Device according to claim 1, characterized in that in the direction of movement ( 10 ) of the armature ( 5 , 5 ', 5 ") two separate magnets ( 6 , 7 ) arranged at a distance from each other on the armature ( 5 , 5 ', 5th ") act. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federmechanismus mit dem Gaswechselventil (1) gekop­ pelt ist mit etwa parallel zur Bewegungsrichtung (10) des An­ kers (5, 5', 5") verlaufender Federkraft.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a spring mechanism with the gas exchange valve ( 1 ) is coupled with approximately parallel to the direction of movement ( 10 ) of the core ( 5 , 5 ', 5 ") spring force. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (8, 8', 8") mindestens eines Magneten (6, 7) in ei­ ner quer zur Bewegungsrichtung (10) des Ankers (5, 5', 5") ver­ laufenden Querschnittsebene einen U-förmigen oder C-förmigen Querschnitt aufweist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the core ( 8 , 8 ', 8 ") of at least one magnet ( 6 , 7 ) in egg ner transverse to the direction of movement ( 10 ) of the armature ( 5 , 5 ', 5th ") ver current cross-sectional plane has a U-shaped or C-shaped cross section. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (8, 8', 8") der beiden Magneten (6, 7) in einer quer zur Bewegungsrichtung des Ankers (5, 5', 5") verlaufenden Querschnittsebene denselben Querschnitt aufweisen und in Bewe­ gungsrichtung (10) fluchtend zueinander angeordnet sind.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cores ( 8 , 8 ', 8 ") of the two magnets ( 6 , 7 ) in a cross-sectional plane transverse to the direction of movement of the armature ( 5 , 5 ', 5 ") have the same cross-section and are aligned with each other in the direction of movement ( 10 ).