DE19922424A1 - Elektromagnetischer Stellantrieb - Google Patents
Elektromagnetischer StellantriebInfo
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Abstract
Um die Resonanzfrequenz eines elektromagnetischen Stellantriebes (1) und damit dessen Stellgeschwindigkeit zu erhöhen, wird der antreibende Anker (18) mit Eintiefungen (35) an den Stellen versehen, die dem Bereich (36) des den Elektromagneten bildenden Spulenkörpers (10) gegenüberliegen, in dem die Wicklung (14) in Schlitze (38) des Spulenkörpers (10) eingesetzt ist. Durch die Eintiefung (35) wird Material und damit Gewicht gespart, wodurch die Resonanzfrequenz steigt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb, insbesondere für
ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stellantriebe für Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen
sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwellenbetätigten Ventilen
werden elektromagnetisch betätigte Ventile zum Öffnen und
Schließen in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle
angesteuert. Dabei muß der Stellantrieb in der Lage sein, ho
he Kräfte aufzubringen, insbesondere beim Öffnen eines Aus
laßventils, und die jeweilige Endstellung des Gaswechselven
tils beim Öffnen und Schließen muß mit Sicherheit erreicht
werden.
Ein elektromagnetischer Stellantrieb gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruches ist aus der DE 197 35 375 C2 bekannt.
Ein solcher Stellantrieb weist einen Anker auf, der von zwei
Federn in einer Mittelstellung zwischen zwei Elektromagneten
gehalten wird. Durch Bestromung eines der Elektromagneten
kann der Anker in die jeweilige, dem Elektromagneten zugeord
nete Endstellung angezogen und dort gehalten werden. Um den
Stellantrieb von einer Endstellung in die andere zu überfüh
ren, wird die Bestromung der haltenden Spule beendet und die
andere Spule bestromt, wodurch der Anker unter der Kraft der
Federn sowie des eingeschalteten Elektromagneten in die ande
re Endstellung bewegt wird. Der Anker sowie der Ankerschaft
und das davon angetriebene Gaswechselventil sowie die Federn
stellen zusammen einen Feder-Masse-Schwinger dar. Dessen Ei
gen- oder Resonanzfrequenz ist entscheidend für die Geschwin
digkeit, mit der der Anker zwischen den Endstellungen bewegt
werden kann.
Da man beim gattungsgemäßen Stellantrieb naturgemäß minimale
Schaltzeiten von einer zur anderen Endstellung haben möchte,
was insbesondere bei Gaswechselventilen von Brennkraftmaschi
nen wichtig ist, muß man die Eigen- oder Resonanzfrequenz des
Federmasseschwingers so hoch wie möglich wählen.
Eine Möglichkeit dies zu erreichen, wäre die Verwendung har
ter Ventilfedern. Der Federhärte ist jedoch durch die vom
Elektromagneten aufbringbare Kraft eine Grenze gesetzt, da
bei einer zu harten Feder kein sicheres Anziehen in die End
stellung oder Halten in der Endstellung mehr gewährleistet
wäre.
Ein anderer Ansatzpunkt könnte darin gesehen werden, den An
ker möglichst leicht zu bauen. Die Fläche des Ankers ist je
doch durch die aufzubringende Kraft vorgegeben, und der Dicke
des plattenförmigen Ankers sind aus Stabilitätsgründen Gren
zen gesetzt, da ein zu dünner Anker sich im angezogenen Zu
stand verbiegen könnte. Dies hätte zur Folge, daß ein sanftes
Aufsetzen nicht mehr gewährleistet werden kann.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein elektro
magnetischer Stellantrieb zu schaffen, das gegenüber bekann
ten Stellantrieben eine höhere Resonanzfrequenz hat und damit
ein schnelleres Schalten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete
Erfindung gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Anker zwar
eine Mindestdicke haben muß, um in der Endstellung den Ma
gnetkreis "widerstandsfrei" schließen zu können und sich im
Betrieb nicht durchzubiegen, daß aber es Stellen am Anker
gibt, in denen kein Magnetfluß in den Anker eingekoppelt
wird. Insbesondere muß der Anker nur am Spulenkern des Elek
tromagneten großflächig anliegen, jedoch nicht dort, wo die
Wicklung in den Spulenkern eingesetzt ist. Somit kann in die
sem Bereich der Anker mit einer Ausnehmung bzw. Eintiefung
versehen werden, um Material und damit Gewicht zu sparen. Da
durch baut der Anker leichter und die Resonanzfrequenz des
Federmasseschwingers liegt höher.
Natürlich darf die Eintiefung nur so gewählt werden, daß die
im Bereich der Eintiefe verbleibende Dicke des Ankers noch so
groß ist, daß der Anker sich im Betrieb nicht durchbiegt.
Vorteilhafterweise kann der Anker nach außen verjüngt ausge
bildet werden. Dieser Fortbildung liegt die Erkenntnis zu
grunde, daß der plattenförmige Anker an seinem Randbereich
eine einer Durchbiegung entgegenwirkende Stabilität aufweisen
muß. Bildet man den Spulenkern so aus, daß er das entspre
chende Negativprofil aufweist, ist auch bei einem Anker, des
sen Dicke nach außen hin abnimmt, sichergestellt, daß der An
ker an der Polfläche des Spulenkerns flächig anliegt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An
sprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Schnitt durch einen elektromagnetischen
Stellantrieb,
Fig. 2 ein Detaildarstellung des Ankers,
Fig. 3 eine Darstellung des Spulenkörpers mit einge
setzter Wicklung,
Fig. 4 eine Explosionsdarstellung von Spulenkörper
und Wicklung,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines weite
ren Ankers und
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung dieses Ankers
mit dem entsprechenden Spulenkern zeigt.
Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Stellantrieb 1 für ein
Tellerventil, das aus einem Ventilteller 2 mit einem Ventil
sitz 3 und einem Ventilschaft 4 besteht, der in einer gehäu
seseitigen Führung 5 gelagert ist und am oberen Ende mit ei
nem Kegelstück 6 versehen ist. Der Ventilteller 2 ist zwi
schen zwei Endstellungen bewegbar: In einer oberen Endstel
lung ist das Ventil geschlossen und in einer unteren Endstel
lung geöffnet. Eine zwischen der gehäuseseitigen Führung 5
und dem Ventilkegel 6 angeordnete Feder 8 beaufschlagt den
Ventilteller 2 in die Schließstellung.
Der elektromagnetische Stellantrieb 1 weist einen oberen fer
romagnetischen Spulenkörper 10 und einen unteren ferromagne
tischen Spulenkörper 12 auf, in die jeweils eine Wicklung 14
und 16 eingesetzt ist.
Innerhalb des oberen Spulenkörpers 10 ist ein Ankerschaft 17
verschieblich gelagert, der einen plattenförmigen Anker 18
aufweist, der zwischen den beiden Wicklungen 14 und 16 liegt.
Die der Ankerscheibe 18 zugeordneten Stirnseiten sind die
Polflächen 19 und 20 der beiden Spulenkörper 10 und 12. Sie
bilden die Anschläge für den Anker 18 und definieren damit
die obere und untere Endstellung des elektromagnetischen
Stellantriebes 1 in der das angetriebene Ventil geöffnet bzw.
geschlossen ist.
Eine weitere Feder 22 ist zwischen einem auf dem Ankerschaft
17 befestigten Federteller und einem gehäuseseitigen Anschlag
24 angeordnet und beaufschlagt den Anker 18 in Richtung der
Öffnungsstellung des Ventiltellers 2. Der Anker 18 liegt in
Fig. 1 auf dem Ventilschaft 4 auf, es sind aber auch andere
Konstruktionen möglich. So kann der Ankerschaft 17 zylin
drisch sein und sich von beiden Seiten des Ankers 18 weg er
strecken und durch die Spulenkörper 10, 12 laufen.
Solange die Wicklungen 14 und 16 stromlos sind, wird der An
ker 18 von den beiden Federn 8 und 22 in der Mittelstellung
zwischen den beiden Polflächen 19 und 20 gehalten, wie dies
in Fig. 1 dargestellt ist.
Die beiden Wicklungen 14 und 16 werden jeweils von einer
Treiberschaltung 26, 27 bestromt, die von einer Regelschal
tung 28 angesteuert werden.
Um die Position des Ankers 18 und damit des Ventiltellers 2
messen zu können, ist zwischen der gehäuseseitigen Abstützung
24 und der Feder 22 ein Piezoelement 30 angeordnet, das die
Kraft der Feder 22 mißt.
In den Fig. 3 und 4 sind der obere Spulenkörper 10 und die
Wicklung 14 genauer dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung und
Fig. 3 den Spulenkörper 10 mit eingesetzter Wicklung 14. Der
Spulenkörper 10 besteht aus einem ferromagnetischen Material,
beispielsweise "Vacoflux 17". Er weist Schlitze 38 auf, in
die die Wicklung 14 so eingesetzt werden kann, daß ihre An
schlüsse 37 aus dem Spulenkörper 10 herausragen. Durch ein
Loch im Spulenkörper 10 läuft der Ankerschaft 17. Die Polflä
che 19 wird durch die Flächen 19a, 19b und 19c gebildet. An
dieser Polfläche 19 liegt der Anker 18 an, wenn er in der
entsprechenden Endstellung ist. Wie in Fig. 3 zu sehen ist,
entsteht an den Stellen, an denen sich im Spulenkörper die
Schlitze 38 befinden ein Bereich 36, wenn die Wicklung 14 in
den Spulenkörper 10 eingesetzt ist. In diesem Bereich 36 ist
die Polfläche 19 unterbrochen und wird so in die Flächen 19a,
19b und 19c geteilt.
Der Spulenkörper 12 mit der Wicklung 20 ist ähnlich aufgebaut
wie der Spulenkörper 10 mit der Wicklung 14. Zwischen diesen
beiden Spulenkörpern liegt der Anker 18, der in Fig. 2 genau
er dargestellt ist.
In Fig. 2 ist ein Anker 18 dargestellt, der auf einem Anker
schaft 17 befestigt ist, welcher von einem Rundzylinderstab
gebildet wird. Dieser Rundzylinderstab läuft durch ein Loch
im Spulenkörper 10 und im ähnlich aufgebauten Spulenkörper
12. Der Anker 18 besteht aus einem hochferromagnetischen Ma
terial, beispielsweise "Vacoflux 17" und hat an den Stellen,
die dem Bereich 36 gegenüberliegen Eintiefungen 35. Diese
Eintiefungen vermindern die Kraft des Elektromagneten nicht,
da der Anker 18 dennoch den Flächen 19a, 19b, 19c der Polflä
che 19 flächig anliegt, an denen der magnetische Fluß in den
Anker 18 einkoppelt. Die Eintiefung 35 mindert die durch den
Elektromagneten des elektromagnetischen Stellantriebes ausüb
bare Kraft deshalb nicht, da im Bereich 36 über der in den
Schlitz 38 eingesetzten Wicklung 14 kein Magnetfluß in den
Anker eingekoppelt wird.
Die Eintiefung 35 beträgt bei einem 5 mm dicken Anker 18 zwi
schen 0,5 und 1 mm. Bei einem elektromagnetischen Stellan
trieb, das nur einen Elektromagneten aufweist, kann sie auch
tiefer, beispielsweise 2 mm sein. Vorzugsweise beträgt die
Dicke der Eintiefung zwischen 0,6 und 1 mm, besonders bevor
zugt sind etwa 0,8 mm Tiefe. Dann ist gewährleistet, daß der
Anker 18 ausreichende mechanische Stabilität hat, bzw. daß
die Restdicke im Bereich der Eintiefung ausreichend ist, um
zu verhindern, daß der Anker sich im Betrieb durchbiegt.
Durch die Eintiefung werden die mechanischen und die elektro
magnetischen Eigenschaften des Ankers 18 nicht verändert, und
er ist dennoch leichter.
Da der Anker 18 an seinem Randbereich keine einer Durchbie
gung entgegenwirkende Stabilität aufweisen muß, kann er nach
außen, d. h. zu den Flächen 19a und 19c hin verjüngt ausgebil
det werden. Dann muß die Polfläche 19 des Spulenkerns 10 das
entsprechende Negativprofil aufweisen, um sicherzustellen,
daß in der Endstellung der Anker flächig an der Polfläche 19
anliegt. Durch diese Bauweise kann der Anker weiter gewichts
reduziert werden, wodurch die Eigenfrequenz des Feder-Masse-
Schwingers weiter steigt.
Eine alternative Bauweise des Ankers zeigen die Fig. 5 und
6. Der Anker 18 hat versteifende Rippen 40, 41, die seine
Biegesteifigkeit beispielsweise in Längsrichtung bei einem
Anker mit nicht-quadratischer Grundform erhöht. Da der Anker
18 flächig an der Polfläche 19 des Spulenkerns 12 anliegen
können muß, weist der Spulenkern eine entsprechende Negativ
profilierung mit entsprechenden Ausnehmungen 42, 43 auf.
Claims (7)
1. Elektromagnetischer Stellantrieb, insbesondere für ein
Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit
- 1. mindestens einem ferromagnetischen Spulenkörper (10, 13), in den eine Wicklung (14, 16) eingesetzt ist, und
- 2. einem Anker (18), der mit einem Ankerschaft (17) im Spulen
körper (10, 12) verschieblich ist, und
wobei der Anker (18) in mindestens einer Endstellung nahe der Polfläche (19, 20) des Spulenkörpers (10, 12) anliegt,
2. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke des Ankers (18) im Bereich der
Eintiefung (35) so groß ist, daß der Anker (18) ausreichende
Biegesteifigkeit hat.
3. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintiefung (35)
zwei Längsnuten auf jeder Seite des Ankers (18) aufweist, die
einer Polfläche (19, 20) zugewandt ist.
4. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintiefung (35)
bei einem 5 mm dicken Anker (18) zwischen 0,5 und 2 mm tief
ist.
5. Elektromagnetischer Stellantrieb, insbesondere für ein
Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit
- 1. mindestens einem ferromagnetischen Spulenkörper (10, 13), in den eine Wicklung (14, 16) eingesetzt ist, und
- 2. einem Anker (18), der mit einem Ankerschaft (17) im Spulen
körper (10, 12) verschieblich ist, und
wobei der Anker (18) in mindestens einer Endstellung nahe der Polfläche (19, 20) des Spulenkörpers (10, 12) anliegt,
6. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Profil
strukturen Stege (40, 41) sind.
7. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Ankers
(18) zum Rand hin abnimmt und die Polfläche (19, 20) des Spu
lenkörpers (10, 12) die entsprechende Negativprofilierung
aufweist.
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