DE19922423A1 - Elektromechanischer Stellantrieb - Google Patents

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 S_maxS und einer Offenposition S_maxO. 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.