DE10142670C1 - Electromechanical actuator for valve train - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator für ein Ventiltrieb zur Betätigung eines Gaswechselventils, bei dem der Abstand zwischen dem Anker und den Polen der Magneten in der Gleichgewichtslage größer oder gleich dem halben Hubweg ist, der Anker einen zwischen Weichmagneten angeordneten Permanentmagneten aufweist und der Rückschluss auf halber Höhe zwischen den Polen der Magnete einen sich senkrecht zur Ventilschaftachse in Richtung des Ankers erstreckenden Zahn aufweist.The invention relates to an electromechanical actuator for a valve train for actuating a gas exchange valve, in which the distance between the armature and the poles of the magnets in the equilibrium position is greater than or equal to half the stroke, the armature has a permanent magnet arranged between soft magnets, and the conclusion is for half Height between the poles of the magnets has a tooth extending perpendicular to the valve stem axis in the direction of the armature.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator für Ventiltrieb bzw. zum Betätigen eines Gaswechselventils nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to an electromechanical actuator for valve train or Operating a gas exchange valve according to the preamble of claim 1.

Bei Brennkraftmaschinen kann der Wirkungsgrad und das Emissionsverhalten von Schadstoffen durch eine variable Steuerung der Gaswechselventile verbessert werden. Dazu werden elektromagnetische Aktuatoren verwendet, die üblicherweise einen Elektromagneten als Öffnungsmagneten und einen Elektromagneten als Schließmagneten aufweisen. Am Ventilschaft des Gaswechselventils ist ein Anker vorgesehen, der sich zwischen den Polflächen der beiden Schaltmagnete befindet. Eine Ansteuerung der Elektromagnete bewegt den Anker in Achsrichtung des Ventilschaftes entweder in Richtung des Öffnungsmagneten oder in Richtung des Schließmagneten. Ferner sind zwei Federn vorgesehen, die bei stromlosen Magneten den Ventilschaft bzw. den Anker in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten halten. Diese Gleichgewichtslage ist in der Regel die Mittellage zwischen den Polflächen der Elektromagnete.In internal combustion engines, the efficiency and the emission behavior of Pollutants can be improved by variable control of the gas exchange valves. For this purpose, electromagnetic actuators are used, which are usually one Electromagnets as opening magnets and an electromagnet as Have locking magnets. There is an anchor on the valve stem of the gas exchange valve provided that is located between the pole faces of the two switching magnets. A control of the electromagnet moves the armature in the axial direction of the Valve stem either in the direction of the opening magnet or in the direction of the Closing magnet. Furthermore, two springs are provided, which are in the case of currentless magnets the valve stem or armature in an equilibrium position between the magnets hold. This equilibrium position is usually the middle position between the Pole surfaces of the electromagnets.

Beim Betrieb des Ventils wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet angesteuert, wodurch der Anker und damit der Ventilschaft/das Ventil in die entsprechende Richtung angezogen bzw. bewegt wird. Die Bewegung endet, sobald der Anker die Polfläche erreicht hat und auf dieser aufschlägt bzw. aufprallt. Dieses Problem des Aufpralls des Ankers auf der Polfläche und auch des Ventils auf dem Zylinderkopf wird als sog. "Softlanding"-Problem bezeichnet. Damit verbunden ist der Nachteil, dass der Aufprall des Ankers auf der Polfläche bzw. des Ventils auf dem Zylinderkopf einerseits zur Verringerung der Lebensdauer des Aktuators und andererseits zu einer starken Geräuschentwicklung führt.When the valve is operated, either the closing magnet or the opening magnet controlled, whereby the armature and thus the valve stem / valve in the corresponding direction is attracted or moved. The movement ends as soon as the anchor has reached the pole face and strikes or impacts on it. This Problem of the impact of the armature on the pole face and also of the valve on the Cylinder head is referred to as a so-called "soft landing" problem. Associated with that Disadvantage that the impact of the armature on the pole face or the valve on the Cylinder head on the one hand to reduce the life of the actuator and on the other hand leads to a strong noise.

Ein "Softlanding" des Ankers bzw. des Ventils ist beispielsweise dadurch erreichbar, dass der Spulstrom der elektromagnetischen Aktuatoren abhängig vom Hubweg geregelt wird. Dies ist allerdings mit einem hohem regelungstechnischen Aufwand und somit nicht vertretbaren hohen Kosten verbunden. Ferner ist das damit erreichte "Softlanding" - regelungstechnisch betrachtet - instabil. Bei einer Störung kann es zu einer "Unterregelung" oder "Überregelung" kommen. Eine "Überregelung" hat einen Aufprall des Ankers auf der Polfläche zur Folge, während die "Unterregelung" dazu führt, dass das Ventil die Geschlossen- bzw. Offen-Position nicht erreichen kann.A "soft landing" of the armature or the valve can be achieved, for example, that the coil current of the electromagnetic actuators depends on the stroke is regulated. However, this involves a high level of control engineering and thus unacceptably high costs. Furthermore, this is achieved  "Softlanding" - from a control point of view - unstable. In the event of a malfunction, it can an "under-regulation" or "over-regulation". An "over-regulation" has one Impact of the armature on the pole face result, while the "under-regulation" leads to the valve not being able to reach the closed or open position.

Die DE 196 51 846 A1 zeigt einen Aktuator mit einem Anker, der nicht an die Polflächen der Magnete anstößt, jedoch benötigt dieser Aktuator relativ viel Energie.DE 196 51 846 A1 shows an actuator with an armature that is not connected to the Pole faces of the magnets but this actuator requires a relatively large amount of energy.

In der WO 99/19609 A1 wird ein elektromechanischer Aktuator vorgeschlagen, bei dem der Ventilschaft mit einer koaxial zu diesem angeordneten Tauchspule verbunden ist, die in einen radial magnetisierten Luftspalt eines ringförmigen, axial magnetisierten Permanentmagneten eintaucht. Dieser Tauchspulenantrieb ist jedoch ebenfalls mit einem erhöhten Regelungsaufwand verbunden.WO 99/19609 A1 proposes an electromechanical actuator in which the valve stem is connected to a plunger arranged coaxially with it, the in a radially magnetized air gap of an annular, axially magnetized Immersed permanent magnets. This voice coil drive is also included increased regulatory effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Aktuator bereitzustellen, der die sich im Stand der Technik ergebenden Probleme hinsichtlich des "Softlandings" löst. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.The invention has for its object an electromechanical actuator to provide, which with respect to the problems arising in the prior art of "soft landing" solves. This object is achieved with the features of the claims solved.

Die erfindungsgemäße Lösung gemäß Patentanspruch 1 besteht aus drei Teilaspekten. Zunächst ist erfindungsgemäß der Abstand zwischen dem Anker und den Polen der Elektromagnete in der Gleichgewichtslage größer als der halbe Hubweg des Ventils. Ferner weist der Anker einen zwischen zwei Weichmagneten angeordneten Permanentmagneten auf. Letztendlich weist der Rückschluss der Elektromagnete auf halber Höhe zwischen den Polen der Magnete einen sich senkrecht zur Ventilschaftachse in Richtung des Ankers erstreckenden Zahn auf. Dabei zeigt die GB 21 04 730 A bereits einen Aktuator mit einem Zahn bzw. ähnlich gestaltetem Joch, ohne jedoch hierauf näher einzugehen.The inventive solution according to claim 1 consists of three sub-aspects. According to the invention, the distance between the armature and the poles is first Electromagnets in the equilibrium position larger than half the stroke of the valve. Furthermore, the armature has one arranged between two soft magnets Permanent magnets. Ultimately, the electromagnets are inferred halfway between the poles of the magnets perpendicular to each other Valve shaft axis in the direction of the armature extending tooth. The shows GB 21 04 730 A already has an actuator with a tooth or a similar yoke, but without going into details.

Wenn entweder der Öffnungsmagnet oder der Schließmagnet mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, dann koppelt das elektromagnetische Feld des Elektromagneten mit dem permanentmagnetischen Feld des Ankers mit. Dabei entsteht eine magnetische Kraft, die auf den Anker wirkt und diesen bewegt. Dabei bildet sich der Hauptmagnetkreis vom Pol des Elektromagneten über den Luftspalt zwischen Elektromagnet und Anker, den Anker, den Zahn und den Rückschluss wieder zurück zum Pol aus. Der erfindungsgemäße Zahn schnürt dabei das aus dem Anker heraustretende magnetische Feld ein und verhindert dadurch, dass das magnetische Feld zum unteren Pol, d. h. zum Pol des gegenüberliegenden Elektromagneten streut. Dadurch tritt keine Schwächung der magnetischen Kraftwirkung auf. Der Zahn dient also dazu, das magnetische Feld in den gewünschten Weg einzulenken und dadurch die magnetische Kraftwirkung zu verstärken. Wenn sich der Anker in seiner Bewegung an die Geschlossen-Position annähert, befindet sich der untere Weichmagnet des Ankers etwa in der Höhenlage des Zahnes. In dieser Lage wird zwar der Zahn magnetisch gesättigt und seine Einlenkungsfunktion wird geschwächt, so dass ein Teil des aus dem unteren Weichmagneten austretenden magnetischen Feldes nun doch zum Pol des entgegengesetzten Elektromagneten und zum unteren Teil des Rückschlusses streuen kann. Die damit verbundene Schwächung des Hauptmagnetkreises und der magnetischen Kraftwirkung ist aufgrund der dann bereits vorhandenen Nähe des Ankers zum Pol aber von Vorteil, da dadurch auch der Aufprall auf dem Pol abgeschwächt wird.If either the opening magnet or the closing magnet with an electrical Current is applied, then couples the electromagnetic field of the Electromagnets with the permanent magnetic field of the armature. This creates a magnetic force that acts on and moves the anchor. It forms the main magnetic circuit from the pole of the electromagnet across the air gap between  Electromagnet and armature, the armature, the tooth and the inference back again to the pole. The tooth according to the invention ties it up from the anchor emerging magnetic field and thereby prevents the magnetic Field to the bottom pole, d. H. scattered to the pole of the opposite electromagnet. As a result, there is no weakening of the magnetic force effect. The tooth serves  So to steer the magnetic field in the desired way and thereby to increase the magnetic force effect. When the anchor moves the lower soft magnet of the Anchor approximately at the height of the tooth. The tooth is in this position magnetically saturated and its steering function is weakened, so that part of the magnetic field emerging from the lower soft magnet to the pole of the opposite electromagnet and to the lower part of the Can draw conclusions. The associated weakening of the Main magnetic circuit and the magnetic force effect is then due to that The existing proximity of the armature to the pole is advantageous, however, because it also causes the impact is weakened on the pole.

Die Geräuschentwicklung und der Verschleiß des Ankers wird ferner durch den erfindungsgemäß bereitgestellten Abstand zwischen Anker und Polfläche wesentlich verringert bzw. unterbunden.The noise and wear of the anchor is also affected by the distance between armature and pole face provided according to the invention is essential reduced or prevented.

Die beiden Weichmagneten des Ankers sind vorzugsweise viel dünner als der dazwischen angeordnete Permanentmagnet. Dies führt dazu, dass die Weichmagneten, unabhängig davon, ob der Spulenstrom der Elektromagnete ein- oder ausgeschaltet ist, bereits durch den Permanentmagneten magnetisiert und in tiefe Sättigung gebracht werden können. Eine Tiefsättigung des Weichmagneten ruft aufgrund der Proportionalität zu B² (magnetischer Fluss) eine größere Kraft auf den Anker hervor. Da die Weichmagneten bereits durch den Permanentmagneten in Sättigung gebracht sind, ist im Vergleich zu herkömmlichen elektromechanischen Aktuatoren ein geringerer Spulenstrom ausreichend.The two soft magnets of the armature are preferably much thinner than the permanent magnet arranged between them. This means that the soft magnets, regardless of whether the coil current of the electromagnet is switched on or off, can already be magnetized by the permanent magnet and brought into deep saturation. Deep saturation of the soft magnet causes a greater force on the armature due to the proportionality to B ² (magnetic flux). Since the soft magnets are already saturated by the permanent magnet, a lower coil current is sufficient in comparison to conventional electromechanical actuators.

Im Gegensatz zu herkömmlichen elektromechanischen Aktuatoren, bei denen zum Erreichen eines "Softlanding" der Strom abhängig vom Hubweg geregelt werden muß, wird erfindungsgemäß ein konstanter Spulenstrom verwendet. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil dar, da dadurch der hohe Regelungsaufwand bezüglich Sensorik und Elektronik entfällt. Die magnetische Kraft des Aktuators ist über den Hubweg in erster Näherung linear. Eine lineare Kraft wird besonders im Bereich der Geschlossen- und Offen-Position des Ventils erreicht. Durch die erfindungsgemäßen Merkmale überlagert sich die Federkraft mit der von den Elektromagneten erzeugten magnetischen Kraft derart, dass die sich ergebende positive Gesamtkraft quasi linear verläuft und dabei das Ventil in die Offen- bzw. Geschlossen-Position zwingt. Der Verlauf der Gesamtkraft ist dabei derart, dass die Gesamtkraft in der Offen- bzw. Geschlossen-Position ihren Nullpunkt erreicht und im weiteren Verlauf negativ wird. Dieser Kraftverlauf gewährleistet, dass das Ventil in der jeweiligen Endposition stabil stehen bleibt, da bei Überschreiten der Endposition eine Gegenkraft wirken würde. Regelungstechnisch betrachtet erweist sich jede Endposition des Ventils als stabiler Punkt, da jegliche Abweichung des Ankers von der Endposition immer eine Gegenkraft in entgegengesetzter Richtung hervorrufen würde, so dass der Anker in die Endposition zurückgetrieben würde. Dadurch wird verhindert, dass der Anker auf die Polfläche aufprallt. Das Ventil trifft zwar auf den Zylinderkopf auf, da jedoch die Gesamtkraft auf den Anker in dieser Position Null ist, geschieht dies mit einer sehr geringen Kraft und die Geräuschentwicklung und der Verschleiß ist im Vergleich zu herkömmlichen Aktuatoren wesentlich verringert.In contrast to conventional electromechanical actuators, in which the Achieving a "soft landing" the current must be regulated depending on the stroke, a constant coil current is used according to the invention. This represents one This is a major advantage, as it means that there is a lot of control work with regard to sensors and electronics is eliminated. The magnetic force of the actuator is in over the stroke first approximation linear. A linear force is particularly important in the area of closed and open position of the valve reached. By the features of the invention the spring force overlaps with that generated by the electromagnets  magnetic force such that the resulting positive total force is quasi linear runs and thereby forces the valve into the open or closed position. The The course of the total force is such that the total force in the open or Closed position reaches its zero point and becomes negative in the further course. This force curve ensures that the valve is stable in the respective end position stops because a counterforce would act if the end position were exceeded. From a control point of view, every end position of the valve proves to be more stable Point, since any deviation of the anchor from the end position is always a counterforce would cause in the opposite direction, so that the anchor in the end position would be driven back. This prevents the armature from hitting the pole face impacts. Although the valve hits the cylinder head, the total force is applied the anchor is zero in this position, this happens with a very low force and the noise and wear is compared to conventional Actuators significantly reduced.

Sobald das Ventil von der einen Endposition in die andere Endposition bewegt werden soll, wird der eine Elektromagnet aus- und der andere Elektromagnet eingeschaltet. Dies ergibt einen umgekehrten Gesamtkraftverlauf und das Ventil wird zur anderen Endposition bewegt.As soon as the valve is moved from one end position to the other end position one electromagnet is switched off and the other electromagnet is switched on. This results in a reversed total force curve and the valve becomes another End position moves.

Zum Halten des Ventils in der Geschlossen-Position bzw. in der Offen-Position wird diejenige Spule, die zur Bewegung des Ventils bereits eingeschaltet ist, weiterhin mit dem gleichen Strom versorgt.To hold the valve in the closed position or in the open position the coil that is already switched on to move the valve continues with supplied with the same electricity.

Somit kann mit dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuator ein "Softlanding" in der Geschlossen- bzw. Offen-Position des Ventils erreicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung findet kein Aufprall des Ankers auf der Polfläche statt, da der geometrische Abstand zwischen Pol und Anker größer ist als die Hälfte des Hubweges, und die sich aus magnetischer Kraft und mechanischer Federkraft ergebende Gesamtkraft zwingt den Anker und somit auch das Ventil in eine der beiden Endpositionen. Diese sind, wie bereits erläutert, stabile Punkte und jede Abweichung des Ankers von der Endposition verursacht eine Gegenkraft, die den Anker wiederum in die Endposition zwingt. Thus, with the electromechanical actuator according to the invention "Softlanding" can be achieved in the closed or open position of the valve. With the actuator arrangement according to the invention finds no impact of the armature on the Pole surface instead, since the geometric distance between the pole and anchor is larger than that Half of the stroke, and which is made up of magnetic force and mechanical Total spring force forces the armature and thus the valve into one of the two end positions. As already explained, these are stable points and each Deviation of the anchor from the end position causes a counterforce that the anchor in turn forces into the end position.  

Da der Ansteuerstrom zum Öffnen, Halten und Schließen des Ventils bei dem erfindungsgemäßen Aktuator konstant ist, kann der hohe regelungstechnische Aufwand des Ansteuerstroms über die Ankerposition und ein teurer Wegsensor entfallen.Since the drive current for opening, holding and closing the valve at the Actuator according to the invention is constant, the high control engineering effort the control current via the armature position and an expensive displacement sensor are eliminated.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described with reference to the accompanying drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuator; FIG. 1 is an electromechanical actuator according to the invention;

Fig. 2 den Verlauf der magnetischen Kraft, der Federkraft und der Gesamtkraft in einem Schließvorgang; und Fig. 2 shows the course of the magnetic force, the spring force and the total force in a closing process; and

Fig. 3 das Öffnen, Halten und Schließen des Ventils und die zugehörigen Ansteuerströme der Elektromagnete. Fig. 3, the opening, holding and closing of the valve and the associated control currents of the electromagnets.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte elektromechanische Aktuator weist einen an einem Ventilschaft 1 ₀ angeordneten Anker auf. Der Anker weist einen zwischen zwei Weichmagneten 2 angeordneten Permanentmagneten 1 auf. Die drei Magneten sind beispielsweise miteinander verklebt. Auf den in axialer Richtung gesehenen beiden Seiten des Aktuators befinden sich Elektromagnete, nämlich der Öffnungsmagnet 4 und der Schließmagnet 3. Zum Führen des magnetischen Feldes sind jeweils Pole 6 und ein Rückschluss 7 vorgesehen. Ferner weist der elektromechanische Aktuator zwei Ventilfedern 8 und 9 auf, die den Aktuator im stromlosen Zustand der Elektromagneten in einer Gleichgewichtslage halten. Die mechanische Federkraft ist also in der Mitte des Hubs gleich null, d. h. die Mitte des Hubweges ist die neutrale Lage, die in Fig. 1 als Ursprung 0 definiert ist. Der Einfachhalt halber ist die mechanische Einrichtung zur Einspannung der beiden Federn 8 und 9 in Fig. 1 nicht gezeigt.The schematically illustrated in Fig. 1 electromechanical actuator comprises an arranged on a valve stem 1 ₀ armature. The armature includes a soft magnets arranged between two permanent magnets 2. 1 The three magnets are glued together, for example. Electromagnets, namely the opening magnet 4 and the closing magnet 3, are located on the two sides of the actuator seen in the axial direction. Poles 6 and a yoke 7 are provided for guiding the magnetic field. Furthermore, the electromechanical actuator has two valve springs 8 and 9 , which keep the actuator in an equilibrium position when the electromagnets are in the currentless state. The mechanical spring force is therefore zero in the middle of the stroke, ie the middle of the stroke is the neutral position, which is defined as origin 0 in FIG. 1. For the sake of simplicity, the mechanical device for clamping the two springs 8 and 9 is not shown in FIG. 1.

Der Anker wird mit dem Ventilstößel 1 ₀ und dem Ventilteller 1 ₁ mechanisch fest verbunden.The armature is mechanically firmly connected to the valve lifter 1 ₀ and the valve plate 1 ₁ .

Ferner zeigt Fig. 1 einen Zahn 5, der sich vom Rückschluss 7 aus in Richtung des Ankers erstreckt. Die Dicke des Zahnes wird vorzugsweise zum Ende des Zahnes hin, d. h. in Richtung des Ankers, geringer. Vorzugsweise ist der Zahn trapezförmig, halbrund oder in Form eines Rechteckes mit gerundeten Ecken ausgebildet. Der Zahn ist entweder als umlaufende Rippe oder aber in der Form mehrerer einzelner in Umfangsrichtung angeordneter Zähne ausgebildet.Further, FIG. 1 shows a tooth 5, which extends from the rear end 7 in the direction of the armature. The thickness of the tooth preferably decreases towards the end of the tooth, ie towards the anchor. The tooth is preferably trapezoidal, semicircular or in the form of a rectangle with rounded corners. The tooth is designed either as a circumferential rib or in the form of several individual teeth arranged in the circumferential direction.

Der Abstand zwischen den Polen 6 und die gesamte Höhe des Ankers sind derart, dass der Abstand zwischen dem Pol und der Oberfläche des Ankers in der Gleichgewichtslage größer ist als die Hälfte des Hubweges (1/2 Δx in Fig. 1). Ferner ist die Höhe des Permanentmagneten 1 des Ankers größer als die Dicke des Zahnes in Hubrichtung, wodurch die lineare magnetische Kraft insbesondere im Bereich der Geschlossen- und Offen-Position erreicht wird. Der Querschnitt des Zahnes wird erfindungsgemäß entsprechend klein gehalten. Bei einer sich in Richtung Aktuator verringernden Dicke bzw. Höhe des Zahnes (beispielsweise durch die in Fig. 1 angedeuteten gerundeten Rechteckkanten) wird die Linearität der magnetischen Kraft und auch deren Größe im Bereich der Geschlossen- und Offen-Position im Vergleich zu einer konstanten Höhe des Zahnes verfeinert.The distance between the poles 6 and the entire height of the armature are such that the distance between the pole and the surface of the armature in the equilibrium position is greater than half the stroke (1/2 Δx in Fig. 1). Furthermore, the height of the permanent magnet 1 of the armature is greater than the thickness of the tooth in the stroke direction, as a result of which the linear magnetic force is achieved in particular in the closed and open position. The cross section of the tooth is kept correspondingly small according to the invention. With a decreasing thickness or height of the tooth in the direction of the actuator (for example due to the rounded rectangular edges indicated in FIG. 1), the linearity of the magnetic force and also its magnitude in the area of the closed and open position compared to a constant height of the tooth refined.

Die beiden Weichmagneten 2 des Ankers sind wesentlich dünner als der Permanentmagnet 1. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Permanentmagneten 5 bis 7 mm, mehr bevorzugt 6 mm, und die Dicke jedes Weichmagneten 2 bis 3 mm, mehr bevorzugt 2,5 mm.The two soft magnets 2 of the armature are much thinner than the permanent magnet 1 . The thickness of the permanent magnet is preferably 5 to 7 mm, more preferably 6 mm, and the thickness of each soft magnet is 2 to 3 mm, more preferably 2.5 mm.

Wenn die Spule des in Fig. 1 gezeigten Schließmagneten 3 mit einem Strom in der in Fig. 1 gekennzeichneten Richtung beaufschlagt wird, koppelt das elektromagnetische Feld mit dem permanentmagnetischen Feld des Ankers mit. Wie in Fig. 1 gezeigt, bildet sich der magnetische Kreis von dem oberen Pol 6 aus über den Luftspalt zwischen Pol und Anker hin zum Anker, von dort über den Weichmagneten 2, den Permanentmagneten 1, den weiteren Permanentmagneten 2 über den Zahn 5, den Rückschluss 7 wieder zurück zum Pol 6. Der Zahn 5 schnürt dabei das magnetische Feld, das den unteren Weichmagneten 2 verlässt, ein und verhindert dadurch, dass das magnetische Feld an der Austrittsstelle aus dem unteren Weichmagneten 2 hin zum unteren Pol 6 streut. Durch die Bereitstellung des Zahnes 5 ist die Kraftwirkung wesentlich größer als bei einem elektromagnetischen Aktuator ohne Zahn. Wenn sich der Anker der Geschlossen-Position des Ventils annähert, befindet sich der untere Weichmagnet 2 etwa auf Höhe des Zahnes 5. Wegen des kleinen Querschnittes des Zahnes 5 wird dieser gesättigt und die Einlenkungsfunktion geht, wie beschrieben, teilweise verloren. Ein Teil des aus dem unteren Weichmagneten 2 austretenden magnetischen Feldes streut nun nach unten zum unteren Pol 6 und teilweise auch zum unteren Bereich des Rückschlusses 7. Die damit verbundene Schwächung des Hauptmagnetkreises ist in dieser Position des Ventils und des Ankers jedoch, wie beschrieben, gerade erwünscht und von Vorteil.When the coil of the closing magnet 3 shown in Fig. 1 with a current in the direction indicated in Fig. 1 direction is applied, the electromagnetic field coupled with the permanent magnetic field of the armature. As shown in Fig. 1, the magnetic circuit is formed from the upper pole 6 from the air gap between the pole and armature to the armature, from there via the soft magnet 2 , the permanent magnet 1 , the other permanent magnet 2 via the tooth 5 , the Inference 7 back to pole 6 . The tooth 5 constricts the magnetic field that leaves the lower soft magnet 2 , thereby preventing the magnetic field from scattering at the point of exit from the lower soft magnet 2 to the lower pole 6 . By providing the tooth 5 , the force effect is significantly greater than in the case of an electromagnetic actuator without a tooth. When the armature approaches the closed position of the valve, the lower soft magnet 2 is located approximately at the level of the tooth 5 . Because of the small cross section of the tooth 5 , it is saturated and the deflection function is partially lost, as described. Part of the magnetic field emerging from the lower soft magnet 2 now scatters down to the lower pole 6 and partly also to the lower region of the yoke 7 . The associated weakening of the main magnetic circuit in this position of the valve and of the armature, however, is, as described, just desirable and advantageous.

Fig. 2 zeigt die auf den Aktuator wirkende magnetische Kraft, die Federkraft und die sich ergebende Gesamtkraft in einem Schließvorgang. Der jeweilige Ansteuerstrom für die Elektromagneten ist ebenfalls dargestellt (Strom I₃) für den Elektromagneten 3 und Strom I₄ (für den Elektromagneten 4). Im Schließvorgang ist der Elektromagnet 3 aktiviert, während Elektromagnet 4 über den gesamten Schließvorgang ausgeschaltet bleibt. In der ersten Hälfte des Hubweges, d. h. von -1/2 Δx bis 0 ist die Federkraft gegenüber der magnetischen Kraft dominierend und die magnetische Kraft kann erst in der Nähe des Nulldurchganges und in der zweiten Hälfte des Hubes, d. h. von etwa 0 bis +1/2 Δx die Federkraft übertreffen, die im Nulldurchgang des Hubweges negativ wird. Wie Fig. 1 zeigt, ist die magnetische Kraft im ersten Viertel des Hubweges negativ. Der Grund dafür ist, dass die Anziehungskraft zwischen dem Permanentmagneten 1 und dem unteren Pol 6 nach unten wirkt und in diesem Bereich noch größer ist als die Kraft, die das magnetische Feld, ausgehend vom oberen Pol 6 und der Spule 3 auf den Anker ausübt. Fig. 2 shows the magnetic force acting on the actuator, the spring force and the resulting total force in a closing process. The respective control current for the electromagnet is also shown (current I ₃ ) for the electromagnet 3 and current I ₄ (for the electromagnet 4 ). The electromagnet 3 is activated in the closing process, while the electromagnet 4 remains switched off over the entire closing process. In the first half of the stroke, ie from -1/2 Δx to 0, the spring force dominates over the magnetic force and the magnetic force can only be close to the zero crossing and in the second half of the stroke, ie from about 0 to +1 / 2 Δx exceed the spring force, which becomes negative at the zero crossing of the stroke. As shown in Fig. 1, the magnetic force is negative in the first quarter of the stroke. The reason for this is that the attractive force between the permanent magnet 1 and the lower pole 6 acts downwards and is even greater in this area than the force that the magnetic field exerts on the armature starting from the upper pole 6 and the coil 3 .

Die sich ergebende positive Gesamtkraft treibt das Ventil auf die Geschlossen-Position zu. Am Ende des Hubweges (1/2 Δx) geht die sich ergebende positive Gesamtkraft über Null ins Negative über. Dieser Gesamtkraftverlauf gewährleistet, dass das Ventil in der Geschlossen-Position stehen bleibt und sich nicht mehr weiter bewegen will, da dies durch die sich ergebende negative Gegenkraft verhindert wird. Somit ist die Geschlossen-Position ein stabiler Betriebspunkt.The resulting positive total force drives the valve to the closed position to. At the end of the stroke (1/2 Δx), the resulting positive total force is transferred Zero over negative. This total force curve ensures that the valve in the The closed position remains and does not want to move any further as this is prevented by the resulting negative counterforce. So that is Closed position a stable operating point.

Zum Öffnen des Ventils wird die Spule 3 ausgeschaltet und die Spule 4 aktiviert. Dadurch ergibt sich ein umgekehrter Kraftverlauf.To open the valve, coil 3 is switched off and coil 4 is activated. This results in a reverse force curve.

Zum Halten des Ventils in der Geschlossen-Position bzw. in der Offen-Position bleibt diejenige Spule, die zur Bewegung des Ventils bereits eingeschaltet ist, weiterhin eingeschaltet, und zwar mit demselben Strom wie zur Bewegung des Ventils. Fig. 3 zeigt das Öffnen, das Halten und das Schließen des Ventils sowie die zugehörigen Ansteuerströme der Spulen 3 (I₃) und 4 (I₄) über die Zeit. Zum Öffnen des Ventils wird die Spule 4 eingeschaltet. Zum Haften des Ventils in der Offen-Position bleibt weiterhin die Spule 4 mit demselben konstanten Strom eingeschaltet. Während dieser Zeit ist die Spule 3 ausgeschaltet. Zum Schließen des Ventils wird nun die Spule 3 eingeschaltet und gleichzeitig die Spule 4 deaktiviert. Zum Halten des Ventils in der Geschlossen- Position bleibt die Spule entsprechend eingeschaltet, bis der nächste Öffnungsvorgang erfolgen soll.To hold the valve in the closed position or in the open position, the coil that is already switched on for moving the valve remains switched on, with the same current as for moving the valve. Fig. 3 shows the opening, holding and closing of the valve and the associated drive currents of the coils 3 (I ₃ ) and 4 (I ₄ ) over time. The coil 4 is switched on to open the valve. To stick the valve in the open position, the coil 4 remains switched on with the same constant current. During this time, the coil 3 is switched off. To close the valve, coil 3 is now switched on and coil 4 is deactivated at the same time. To hold the valve in the closed position, the coil remains switched on until the next opening process is to take place.

Die Verwendung dieses ungeregelten konstanten Stromes zum Öffnen, Schließen und Halten des Ventils erlaubt einen wesentlich geringeren Regelungsaufwand in der Sensorik und in der Ansteuerelektronik (beispielsweise ist kein teurer Induktivwegsensor erforderlich). Somit ist der erfindungsgemäße elektromechanische Aktuator wesentlich kostengünstiger als herkömmliche Aktuatoren.The use of this unregulated constant current for opening, closing and Holding the valve allows a much lower regulation effort in the Sensors and in the control electronics (for example, is not expensive Inductive travel sensor required). Thus, the electromechanical according to the invention Actuator much cheaper than conventional actuators.

Claims (12)

1. Elektromechanischer Aktuator für Ventiltrieb mit
einem Öffnungsmagneten (4) und einem Schließmagneten (3);
einem verschiebbaren Ventilschaft (10) mit einem Anker (1, 2), auf dem die Magneten (3, 4) wirken; und
einer oberen und einer unteren Ventilfeder (8, 9), die den Ventilschaft (10) mit Anker im stromlosen Zustand der Magnete (3, 4) in einer Gleichgewichtslage halten,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand zwischen Anker (1, 2) und den Polen (6) der Magneten (3, 4) in der Gleichgewichtslage größer als der halbe Hubweg des Ventils ist;
der Anker einen zwischen zwei Weichmagneten (2) angeordneten Permanentmagneten (1) aufweist; und
der Rückschluss (7) auf halber Höhe zwischen den Polen (6) der Magnete (3, 4) einen sich senkrecht zur Ventilschaftachse in Richtung des Ankers erstreckenden Zahn (5) aufweist.1. Electromechanical actuator for valve train with
an opening magnet ( 4 ) and a closing magnet ( 3 );
a displaceable valve stem ( 10 ) with an armature ( 1 , 2 ) on which the magnets ( 3 , 4 ) act; and
an upper and a lower valve spring ( 8 , 9 ), which hold the valve stem ( 10 ) with armature in the de-energized state of the magnets ( 3 , 4 ) in an equilibrium position,
characterized in that
the distance between armature ( 1 , 2 ) and the poles ( 6 ) of the magnets ( 3 , 4 ) in the equilibrium position is greater than half the stroke of the valve;
having a armature is arranged between two soft magnet (2) permanent magnets (1); and
the inference ( 7 ) halfway between the poles ( 6 ) of the magnets ( 3 , 4 ) has a tooth ( 5 ) extending perpendicular to the valve stem axis in the direction of the armature. 2. Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Zahn (5) umlaufend ist.2. Actuator according to claim 1, wherein the tooth ( 5 ) is rotating. 3. Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Zahn (5) in Umfangsrichtung mindestens eine Unterbrechung aufweist, so dass mehrere Teilzähne ausgebildet werden.3. Actuator according to claim 1, wherein the tooth ( 5 ) has at least one interruption in the circumferential direction, so that a plurality of partial teeth are formed. 4. Aktuator nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Dicke des Zahnes (5) zu dem dem Anker zugewendeten Ende hin abnimmt.4. Actuator according to claim 1, 2 or 3, wherein the thickness of the tooth ( 5 ) decreases towards the end facing the armature. 5. Aktuator nach Anspruch 4, wobei der Zahn im wesentlichen trapezförmig, halbrund oder in Form eines Rechteckes mit abgerundeten Ecken ist. 5. The actuator of claim 4, wherein the tooth is substantially trapezoidal, is semicircular or in the form of a rectangle with rounded corners.   6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Höhe des Ankers größer ist als die Höhe des Zahnes (5).6. Actuator according to one of claims 1 to 4, wherein the height of the armature is greater than the height of the tooth ( 5 ). 7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Permanentmagnet (1) eine wesentlich größere Dicke aufweist als die Weichmagneten (2).7. Actuator according to one of claims 1 to 6, wherein the permanent magnet ( 1 ) has a substantially greater thickness than the soft magnets ( 2 ). 8. Aktuator nach Anspruch 7, wobei die Dicke des Permanentmagneten etwa 5 bis 7 mm beträgt.8. The actuator of claim 7, wherein the thickness of the permanent magnet is about 5 to 7 mm is. 9. Aktuator nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Dicke eines jeden Weichmagneten (2) etwa 2 bis 3 mm beträgt.9. Actuator according to claim 7 or 8, wherein the thickness of each soft magnet ( 2 ) is about 2 to 3 mm. 10. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Weichmagneten (2) mit dem Permanentmagneten (1) verklebt sind.10. Actuator according to one of claims 1 to 9, wherein the soft magnets ( 2 ) with the permanent magnet ( 1 ) are glued. 11. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Verläufe der Federkraft und der magnetischen Kraft derart sind, dass die sich ergebende Gesamtkraft in den jeweiligen Endstellungen des Ventils null ist.11. Actuator according to one of claims 1 to 10, wherein the courses of the spring force and the magnetic force are such that the resulting total force in the respective end positions of the valve is zero. 12. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die auf den Anker wirkende Gesamtkraft im wesentlichen linear verläuft.12. Actuator according to one of claims 1 to 11, wherein the acting on the armature Total force is essentially linear.