DE19922423A1 - Elektromechanischer Stellantrieb - Google Patents
Elektromechanischer StellantriebInfo
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Abstract
Ein elektromechanischer Stellantrieb (1) hat mindestens einen Elektromagneten und einen Anker, der einen Schaft (17) aufweist. Der Anker ist mit mindestens einem Rückstellmittel mechanisch gekoppelt und ist zwischen einer ersten Anlagefläche (15a) an dem Elektromagneten und einer weiteren Anlagefläche (15b) beweglich. Der Schaft (17) ist als Hohlkörper ausgebildet.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellan
trieb, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brenn
kraftmaschine.
Ein bekannter elektromechanischer Stellantrieb
(DE 297 12 502 U1) hat zwei Elektromagnete und einen Anker,
der mit zwei Federn mechanisch gekoppelt ist. Der Anker ist
zwischen einer ersten Anlagefläche an dem ersten Elektroma
gneten und einer zweiten Anlagefläche an den zweiten Elektro
magneten beweglich. Ferner hat das Gehäuse Aufnehmungen zur
Aufnahme der Elektromagnete. Für einen zuverlässigen und si
cheren Betrieb einer Brennkraftmaschine, deren Gaswechselven
tile von einem derartigen elektromechanischen Stellantrieb
angetrieben werden, muß sichergestellt sein, daß der Anker
sehr schnell von der einen Anlagefläche hin zu der anderen
Anlagefläche und umgekehrt bewegbar ist. Nur so kann ein
schnelles und präzises Öffnen und Schließen der Gaswechsel
ventile der Brennkraftmaschine sichergestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, den bekannten elektromecha
nischen Stellantrieb so weiterzubilden, daß ein schnelles
Öffnen und Schließen von Gaswechselventilen einer Brennkraft
maschine ermöglicht ist, wobei gleichzeitig der dafür benö
tigte Energiebedarf gering gehalten ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er
findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der als Hohlkör
per ausgebildete Schaft des Ankers eine wesentlich geringere
Masse hat als ein massiv ausgebildeter Schaft. Dadurch ist
die zu bewegende Masse des Ankers reduziert und somit müssen
nur geringe Stellkräfte zum Bewegen der Ankerplatte von einer
Ankerfläche zur anderen aufgebracht werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati
schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung eines Stellantriebs und einer Steuer
einrichtung in einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Anker gemäß einer ersten
Ausführungsform des Ankers,
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Anker gemäß einer zweiten
Ausführungsform des Ankers.
Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenüber
greifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Brennkraftmaschine (Fig. 1) umfaßt einen Stellantrieb,
der auf ein Gaswechselventil einwirkt und der in einem Zylin
derkopf 31 der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das Gas
wechselventil 2 ist entweder als Auslaßventil oder als Ein
laßventil ausgebildet. Das Gaswechselventil 2 hat einen Ven
tilschaft 21 und einen Teller 22. Der Stellantrieb 1 hat ein
Gehäuse 11, in dem ein erster und ein zweiter Elektromagnet
angeordnet sind. Der erste Elektromagnet hat einen ersten
Kern 12, der mit einer ersten Spule 13 versehen ist. Der
zweite Elektromagnet hat einen zweiten Kern 14, der mit einer
zweiten Spule 15 versehen ist. Ein Anker ist vorgesehen, des
sen Ankerplatte in dem Gehäuse 11 beweglich zwischen einer
ersten Anlagefläche 15a des ersten Elektromagneten und einer
zweiten Anlagefläche 15b des zweiten Elektromagneten angeord
net ist. Die Ankerplatte 16 ist somit beweglich zwischen ei
ner Schließposition SmaxS und einer Offenposition SmaxO. Der
Anker umfaßt desweiteren einen Schaft 17, der durch Ausneh
mungen des ersten und des zweiten Kerns 12, 14 geführt ist
und der mit dem Ventilschaft 21 des Gaswechselventils 2 me
chanisch koppelbar ist. Ein erstes Rückstellmittel 18a und
ein zweites Rückstellmittel 18b, die vorzugsweise als Federn
ausgebildet sind, spannen die Ankerplatte 16 in die vorgege
bene Ruheposition S0 vor. Vorzugsweise ist ein Aufnehmer 19b
eines Positionssensors so an oder in dem Stellantrieb 1 ange
ordnet, daß er mittelbar oder unmittelbar die Position der
Ankerplatte 16 und des Ankerschafts 17 erfaßt.
Der Stellantrieb 1 ist mit dem Zylinderkopf 31 der Brenn
kraftmaschine starr verbunden. Der Ansaugkanal 32 und ein Zy
linder 33 mit einem Kolben 34 sind in der Brennkraftmaschine
vorgesehen. Der Kolben 34 ist über eine Pleuelstange mit ei
ner Kurbelwelle 36 gekoppelt.
Eine Steuereinrichtung 4 ist vorgesehen, die die Signale von
Sensoren erfaßt, die beispielsweise ausgebildet sind als der
Positionssensor, und/oder ein Drehzahlgeber und/oder ein
Lasterfassungssensor. Die Steuereinrichtung 4 steuert abhän
gig von den Signalen der Sensoren die erste und zweite Spule
13, 15 des Stellantriebs 1 an.
Der Schaft 17 (Fig. 2) des Ankers ist als Hohlkörper ausge
bildet. Dazu weist er eine zylinderförmige Bohrung auf, die
einen Hohlraum 17a bildet. Der Schaft 17 hat somit eine ge
ringe Masse, hat aber dennoch eine hohe Steifigkeit um eine
stabile Führung der Ankerplatte zu gewährleisten. Im Bereich
eines freien Endes des Schafts 17 ist ein Geber 19a angeord
net. Der Geber 19a ist vorzugsweise ein Permanentmagnet, der
dem Positionssensor zugeordnet ist. Der Aufnehmer 19b ist
vorzugsweise ein magnetoresistives Element, bevorzugt als
Giant-magnetoresistives Element ausgebildet. Eine besonders
einfache und sichere Fixierung des Gebers 19a ist gewährlei
stet durch das Bördeln des freien Endes in einem Bereich 19c.
In einer zweiten Ausführungsform des Ankerschafts 17 (Fig. 3)
ist der Geber 19a deutlich beabstandet zu dem freien Ende
des Schafts 17 hin zu der Ankerplatte 16 angeordnet. Dadurch
ist auf einfache Weise gewährleistet, daß das von dem Geber
19a erzeugte Magnetfeld nur unwesentlich durch ein magneti
sches Streufeld gestört wird, das an dem freien Ende des An
kerschafts besonders stark ausgeprägt ist und hervorgerufen
wird durch den Magnetkreis, der durch den ersten oder den
zweiten Elektromagneten und den Anker gebildet wird. Zur ex
akten Fixierung des Gebers 19a ist vorzugsweise eine Verguß
masse 19c in den Hohlraum 17a im Bereich des freien Endes und
hin zu dem Geber 19a eingebracht. Die exakte Fixierung des
Gebers 19a ist wesentlich für eine exakte Positionserfassung
durch den Aufnehmer 19b während einer langen Betriebsdauer
des Stellantriebs.
Alternativ kann der Hohlraum 17a des Ankerschafts 17 auch nur
in einem Teilbereich entlang der Längsachse des Schafts aus
gebildet sein, so z. B. nur in dem Bereich, in dem der Geber
19a aufgenommen ist.
Eine weitere Reduzierung der bewegten Massen des Stellan
triebs 1 wird erreicht durch die Ausbildung der Ankerplatte
16 aus einer Kobalt-Eisen-Legierung. Bevorzugt bestehen dann
auch die Kerne 12, 14 der Elektromagnete aus der Kobalt-
Eisen-Legierung. Die Legierung weist beispielsweise zwischen
17% und 50% Gewichtsanteile Kobalt auf. Die Kobalt-Eisen-
Legierung hat einen wesentlich höheren elektrischen Wider
stand als beispielsweise Eisen (der elektrische Widerstand
ist in etwa viermal so hoch). Dadurch sind die Wirbelstrom
verluste im Anker geringer. Im Gegensatz zu den üblicherweise
bei Elektromagneten verwendeten Silizium-Eisen-Legierungen
hat die Kobalt-Eisen-Legierung den Vorteil, daß bei einer ma
gnetischen Induktion von etwa 2,3 Tesla die Sättigung er
reicht wird, die etwa ca. 15% höher liegt als die der Silizi
um-Eisen-Legierungen. So kann insbesondere bei einem Stellan
trieb, der für ein Gaseinlaßventil vorgesehen ist, der Anker
und der Kern verkleinert werden, da in diesem Fall die Dimen
sionierung des Kerns und des Ankers wesentlich beeinflußt
wird durch die während der Anlage des Ankers an einer der An
lageflächen 15a, 15b aufzubringenden Haltekraft.
Claims (8)
1. Elektromechanischer Stellantrieb, insbesondere für ein
Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit mindestens
einem Elektromagneten und einem Anker, der einen Schaft
(17) aufweist und der mit mindestens einem Rückstellmittel
mechanisch gekoppelt ist und der zwischen einer ersten An
lagefläche (15a) an dem Elektromagneten und einer weiteren
Anlagefläche (15b) beweglich ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schaft (17) als Hohlkörper ausgebildet ist.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schaft (17) rohrförmig ausgebildet ist.
3. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß in den Hohlraum (17a) des
Schafts (17) ein Geber (19a) eines Sensors eingebracht
ist.
4. Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Geber (19a) ein Permanentmagnet ist.
5. Stellantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich
net, daß der Sensor ein Positionssensor ist.
6. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Geber (19a) an einem freien Ende des Schafts (17) in
den Hohlraum (17a) eingebracht ist und der Schaft (17) in
einem Bereich (19c) des freien Endes gebördelt ist.
7. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der Anker eine Ankerplatte (16)
hat, die aus einer Kobalt-Eisen Legierung besteht.
8. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet einen Kern
(12, 14) hat, der aus einer Kobalt-Eisen Legierung be
steht.
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