DE29620741U1

DE29620741U1 - Schmalbauender elektromagnetischer Aktuator

Info

Publication number: DE29620741U1
Application number: DE29620741U
Authority: DE
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2006-11-30
Also published as: DE19751609B4; DE19751609A1; US5903070A; JPH10220622A

Description

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"1 Bezeichnung: Schmalbauender elektromagnetischer Aktuator

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit wenigstens einem Elektromagneten, der einen mit einer Spulenwicklung versehenen Jochkörper aufweist, und mit
einem Anker, der mit einem Stellmittel verbunden ist und
der gegen die Kraft eines Rückstellmittels bei Bestromung der Spulenwicklung an einer Polfläche des Jochkörpers zur Anlage kommt.

Beim Einsatz elektromagnetischer Aktuatoren ergibt sich
vielfach das Problem, daß der die Spulenwicklung tragende Jochkörper unter Berücksichtigung der aufzubringenden Stellkräfte verhältnismäßig große Abmessungen aufweist. So ergeben sich beispielsweise Probleme bei der Verwendung derartiger elektromagnetischer Aktuatoren zur Betätigung von Gaswechselventilen an Hubkolbenmotoren. Insbesondere bei

modernen Vier-Ventil-Motoren stehen nur geringe Einbaubreiten zur Verfügung, da die Breite zweier benachbarter Aktuatoren maximal nur so groß sein darf, wie der kleinste Abstand zweier benachbarter Ventile eines Zylinders. Dieser Abstand wird bei den bisher verwendeten runden Aktuatoren deutlich überschritten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktuator zu schaffen, der einen Einbau
in beengten Raumverhältnissen ermöglicht und insbesondere zur Betätigung von Gaswechselventilen an Hubkolbenmotoren in Vier-Ventil-Bauweise eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß der Jochkörper einen im wesentlichen rechteckigen Grundriß mit wenigstens zwei parallelen Seitenflächen aufweist und daß die Polfläche am Jochkörper als Kreisfläche und
der Anker als Kreisscheibe ausgebildet sind. Da der Anker

als bewegtes Bauteil nicht frei von Verdrehmomenten um die Bewegungsachse ist, beispielsweise bei der Verwendung von Schraubendruckfedern als Rückstellmittel werden über die Federn Torsionskräfte eingeleitet, erlaubt die Ausbildung des Ankers als Kreisscheibe eine freie und ungehinderte Drehbewegung des Ankers um die Bewegungsachse, so daß hier Störeinflüsse ausgeschaltet sind. Die parallelen Seitenflächen begrenzen zweckmäßigerweise die langen Seiten des Jochkörpers und der die Schmalseiten definierende Abstand der langen Seiten zueinander entspricht mindestens dem Durchmesser des Ankers.

Während es grundsätzlich möglich ist, die Seitenflächen der Schmalseiten des Jochkörpers ebenfalls ebenflächig auszubilden, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn diese Seitenflächen der Schmalseiten gekrümmt, vorzugsweise zylindrisch ausgebildet sind. Diese Formgebung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn am Jochkörper im Bereich seiner beiden Schmalseiten jeweils ein Polschuh angeordnet ist, der die Polfläche überragt. Die die Polfläche überragenden Polschuhe, die den Anker bei Annäherung an den bestromten Elektromagneten auf seinem Außenumfang umgreifen, bewirken hierbei ausreichend hohe Fangkräfte.

^ In Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei ferner vorgesehen, daß die Polschuhe einen vom freien Ende her zunehmenden Querschnitt aufweisen. Hierdurch erhalten die Polschuhe jeweils auf ihrer außenliegenden Seite bei zylindrischer Ausbildung der Schmalseiten die Funktion eines sogenannten Steuerkonus, über dessen Formgebung eine Möglichkeit zur Beeinflussung und Optimierung des Verlaufs der auf den Anker bei seiner Annäherung an die Polfläche einwirkenden Magnetkräfte besteht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spulenwicklung in einer als Hohlzylinder

ausgebildeten Ausnehmung des Jochkörpers angeordnet ist.

Da die Spulenwicklung ausschließlich innerhalb des Magnetkerns liegt, ergibt sich gegenüber Aktuatoren mit teilweise außenliegenden Bereichen der Magnetspule eine Reduzierung des Ohmschen Widerstandes um etwa 20%.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Verikalschnitt durch einen elektro

magnetischen Aktuator,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt gem. der Linie

II-II in Fig. 1,
15

Fig. 3 eine Anordnung, teilweise im Schnitt,

zur Betätigung eines Gaswechselventils

an einem Hubkolbenmotor,

Fig. 4 den Verlauf der auf den Anker einwirken

den Magnetkräfte bei einem herkömmlichen Aktuator und bei einem erfindungsgemäßen Aktuator.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte:, elektromagnetische Aktuator besteht im wesentlichen aus einem Jochkörper 1 mit einem im wesentlichen rechteckigen Grundriß. Die Rechteckform des Grundrisses wird durch die unterschiedliche Länge der beiden Querachsen 2 und 3 in der Weise definiert, daß die beiden parallel zur Querachse 2 verlaufenden Seitenflächen 4 die Langseiten des Rechtecks bilden und die beiden anderen, der Querachse 3 zugeordneten Seitenflächen 5 die Schmalseiten der Rechteckform bilden. Entscheidend ist jedoch, daß zumindest die beiden, die Langseiten bildenden Seitenflächen 4 des Jochkörpers 1 parallel zueinander verlaufen.

Der Jochkörper 1 weist eine hohlzylindrische Ausnehmung auf, in der eine entsprechende Spulenwicklung 6 angeordnet ist, die über eine hier nicht dargestellte Steuereinrichtung bestromt werden kann.

Der Jochkörper 1 weist ferner eine zentrale Ausnehmung 7 auf, in der über eine Lagerung 8 eine Führungsstange 9 axial hin- und herbewegbar geführt ist, die mit dem zu betätigenden Stellmittel in Verbindung steht. An der Führungsstange 9 ist ein Anker 10 angeordnet, der entsprechend der durch die Spulenwicklung 6 vorgegebenen Form als Kreisscheibe ausgebildet ist. Der Führungsstange 9 ist ein Rückstellmittel 11, beispielsweise in Form einer Druckfeder zugeordnet, die so angeordnet ist, daß bei einer Bestromung der Spulenwicklung 6 der Anker 10 gegen die Kraft des Rückstellmittels 11 bewegt werden muß. Wird die Spulenwicklung 6 stromlos gesetzt, wird der Anker 10 durch die Kraft der Rückstellfeder 11 wieder in seine hier nicht dargestellte Ruhelage zurückgeführt.

In Fig. 1 ist der Anker 10 in einer Position bei Bestromung der Spulenwicklung 6 in der Annaherungsphase dargestellt. Die Stirnfläche 12.1 der Spulenwicklung 6 sowie die hieran angrenzenden Bereiche des Jochkörpers 1 bilden die PoI-fläche 12 des Elektromagneten. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die der Polfläche 12 zugekehrte Fläche 13 des Ankers 10 zumindest im Randbereich nach außen konisch abfallend geformt und der zugeordnete Bereich der Polfläche 12 entsprechend konisch ansteigend geformt, so daß bei einer Bestromung des Elektromagneten der Anker 10 an der Polfläche 12 dicht anliegend gehalten wird, sich hierbei aber auf den jeweils die Stirnfläche 12.1 der Spulenwicklung 6 seitlich begrenzenden Bereiche des Jochkörpers 1 abstützt.

Die andere Stirnseite 12.2 der Spulenwicklung 6 ist entsprechend zur Stirnfläche 12.1 geformt, und der Jochkörper 1 weist unterhalb der hohlzylindrischen Ausnehmung einen

ebenfalls konischen Querschnitt auf. Somit sind sowohl

im Anker 10 als auch im Jochkörper 1 für den radial durchtretenden Magnetfluß annähernd gleichbleibende Durchtrittsflächen gegeben.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Schmalseiten 5 des Jochkörpers 1 gekrümmt, vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und als Polschuhe 14 gestaltet, die die Polfläche 12 überragen. Durch die Anordnung der Polschuhe 14 ergibt sich eine Erhöhung der Fangkraft auf den sich annähernden Anker 10, der in Fig. 1 bereits in seiner Annäherungsphase an die Polfläche 12 dargestellt ist. Je nach Formgebung des Steuerkonus 15 an den Polschuhen 14 ist es möglich, den Verlauf der auf den Anker 10 wirkenden Magnetkraft an den Verlauf der Kraft der Rückstellfeder 11 anzupassen.

Da bei dieser Aktuatorbauform der die Schmalseiten 5 defi-_t nierende Abstand der Langseiten 4 zueinander in etwa dem Durchmesser des Ankers 10 entspricht, besteht die Möglichkeit, die Geometrie des Aktuators über eine entsprechende Bemessung des Ankerdurchmessers auf den vorhandenen Bauraum abzustimmen. Die durch die vorgegebene maximal zulässige, durch den Abstand der beiden Seitenflächen 4 vorgegebene Baubreite bedingt einen Polflächenverlust infolge einer entsprechenden Zurücknahme des Ankerdurchmessers. Dies wird durch die Möglichkeit der Anordnung der erhöhten Polschuhe 14 jeweils an den Schmalseiten ausgeglichen. Damit wird erreicht, daß im Vergleich zu herkömmlichen elektromag-0 netischen Aktuatoren eine in etwa gleich große Magnetkraft auf den Anker einwirkt, wenn dieser sich im Abstand zur Polfläche 12 befindet, daß aber bei einer Annäherung des Ankers an die Polfläche, insbesondere unmittelbar vor dem Auftreffen, eine deutlich reduzierte Spitzenkraft vorhanden ist. Hierdurch wird die Auftreffgeschwindigkeit und damit die Schallentwicklung reduziert und ein sogenanntes Prellen praktisch vermieden.

Die Polschuhe 14 können nun einen vom freien Ende her zunehmenden Querschnitt aufweisen. Bei dem hier dargestellen Ausführungsbeispiel wird dies dadurch bewerkstelligt, daß die Polschuhe auf der Außenseite im Bereich ihres freien Endes mit einer Anfasung 15 versehen werden. Durch die Anordnung eines derartigen "Steuerkonus" ergibt sich die Möglichkeit, die während der Bewegung auf den Anker einwirkende Magnetkraft zu beeinflussen, wie dies nachfolgend in Fig. 4 anhand der Kraftverlaufskurven näher dargestellt werden wird.

In Fig. 3 ist ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einem Hubkolbenmotor dargestellt. Dieser besteht im wesentlichen aus zwei Elektromagneten 16 und 17, die jeweils der anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Bauform entsprechen, so daß gleiche Bauteile auch mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und dementsprechend auf die Beschreibung zu Fig. 1 und 2 verwiesen werden kann.

Die beiden Elektromagneten 16 und 17 sind mit Abstand zueinander angeordnet, wobei ihre Polflächen einander zugekehrt sind. Zwischen den beiden Elektromagneten ist der Anker 10 über die Führungsstange 9 hin- und herbewegbar 5 geführt. Die Führungsstange 9 steht mit dem Schaft 18 eines hier nicht näher dargestellten Gaswechselventils 19 in Verbindung, das bei einer Bewegung des Ankers 10 in Richtung des Pfeiles 20 geöffnet und für die Dauer der Bestromung der Spulenwicklung 6 des Elektromagneten 17, der hier die Funktion des Öffnermagneten besitzt, in Öffnungsstellung gehalten wird. Bei einer Bestromung der Spulenwicklung 6 des Elektromagneten 16 wird der Anker 10 in Richtung des Pfeiles 21 bewegt und das Ventil 19 geschlossen und für die Dauer der Bestromung der Spule 6 des Elektromagnet ten 16, der hier die Funktion des Schließmagneten besitzt, in Schließstellung gehalten. Die Rückstellfeder 11.1 dient als Schließfeder für das Gaswechselventil 19 und bildet zugleich das Rückstellmittel für den Öffnermagneten 17.

Dem Schließmagneten 16 ist als Rückstellmittel die in Öffnungsrichtung wirkende Feder 11.2 zugeordnet. Der Anker 10 wird bei stromlos gesetzem Aktuator über die beiden Federn 11.1 und 11.2 in einer Ruhelage zwischen den beiden Magneten 16 und 17 gehalten. Bei einer Ansteuerung mit abwechselnder Bestromung der beiden Elektromagneten 16 und 17 kann dann der Anker 10 zwischen den beiden Elekromagneten hin- und herbewegt werden, so daß das Gaswechselventil periodisch öffnet und schließt, wobei über die Ansteuerung Öffnungszeit und Schließzeit sowie Öffnungsdauer und Schließdauer des Gaswechselventils beeinflußt werden können.

Bei dieser Bewegung durchläuft der Anker 10 jeweils die Ruhelage zwischen den beiden Polflächen, so daß bei einer Annäherung an die Polfläche durch die Magnetkraft jeweils die Kraft der entgegenwirkenden Rückstellfeder überwunden, werden muß.

In Fig. 4 sind unterschiedliche Verläufe der auf den Anker 10 einwirkenden Magnetkraft in Abhängigkeit vom Abstand des Ankers zu einer Polfläche eines bestromten Elektromagneten, beginnend beim Durchgang durch die Ruhelage, dargestellt. Die Kurve 22 zeigt hier den Verlauf der Federkraft der zugehörigen Rückstellfeder.

Die Kurven 23 und 24 zeigen den Verlauf der auf den Anker 10 einwirkenden Magnetkraft bei einem Elektromagneten herkömmlicher Bauart, wobei die Kurve 23 den Kraftverlauf bei einer Bestromung mit 2 Ampere und die Kurve 24 den Kraftverlauf bei. einer Bestromung mit 4 Ampere zeigt. Die "negative Kraftbilanz" zwischen dem Verlauf der Federkraft 22 und dem Verlauf der Magnetkräfte 23 und 24 im Abstandsbereich zwischen 0,5 und 4 wird durch die kinetische Energie ausgeglichen, die dem Anker beim Durchgang durch die Ruhelage

halten. Die Rückstellfeder 11.1 dient als Schließfeder für das Gaswechselventil 19 und bildet zugleich das Rückstellmittel für den Öffnermagneten 17. Dem Schließmagneten 16 ist als Rückstellmittel die in Öffnungsrichtung wirkende Feder 11.2 zugeordnet. Der Anker 10 wird bei stromlos gesetzem Aktuator über die beiden Federn 11.1 und 11.2 in einer Ruhelage zwischen den beiden Magneten 16 und 17 gehalten. Bei einer Ansteuerung mit abwechselnder Bestromung der beiden Elektromagneten 16 und 17 kann dann der Anker 10 zwischen den beiden Elekromagneten hin- und herbewegt werden, so daß das Gaswechselventil periodisch öffnet und schließt, wobei über die Ansteuerung Öffnungszeit und Schließzeit sowie Öffnungsdauer und Schließdauer des Gaswechselventils beeinflußt werden kann.

Bei dieser Bewegung durchläuft der Anker 10 jeweils die in Fig. 3 dargestellte Ruhelage zwischen den beiden Polflächen, so daß bei einer Annäherung an die Polfläche durch die Magnetkraft jeweils die Kraft der entgegenwirkenden Rückstellfeder überwunden werden muß.

Die Kurven 23 und 24 zeigen den Verlauf der auf den Anker einwirkenden Magnetkraft bei einem Elektromagneten herkömmlicher Bauart, wobei die Kurve 23 den Kraftverlauf bei einer Bestromung mit 2 Ampere und die Kurve 24 den Kraftverlauf bei einer Bestromung mit 4 Ampere zeigt. Die "negative Kraftbilanz" zwischen dem Verlauf der Federkraft 22 und dem Verlauf der Magnetkräfte 23 und 24 im Abstandsbereich zwischen 0,5 und 4 wird durch die kinetische Energie.ausgeglichen, die dem Anker beim Durchgang durch die Ruhelage

nach dem Ablösen vom jeweils zuvor stromlose gesetzten anderen Magneten innewohnt.

Die Kurven 25 und 26 zeigen den Verlauf der Magnetkraft bei der Annäherung des Ankers 10 für einen Elektromagneten der erfindungsgemäßen Bauform. Die Kurve 25 zeigt wiederum den Kraftverlauf bei einer Bestromung mit 2 Ampere und die Kurve 2 6 den Kraftverlauf bei einer Bestromung mit 4 Ampere. Bei einem Vergleich der Kurve 23 mit der Kurve 25,

d. h. also bei gleicher Bestromung, ist zu erkennen, daß im Abstandsbereich zwischen 4 und 0,5 in etwa gleiche Kraftverläufe gegeben sind. Hierbei ist zu erkennen, daß trotz der gegenüber dem konventionellen Elektromagneten reduzierten Polfläche des erfindungsgemäßen Elektromagneten durch die Anordnung der Polschuhe ein in etwa gleicher Kraftverlauf bewirkt werden kann. Ein ganz wesentlicher Unterschied ergibt sich jedoch im Nahbereich ab 0,5 bis zum Auftreffen auf der Polfläche. Hier ist durch die Anordnung der Polschuhe in Verbindung mit dem sogenannten Steuerkonus eine deutliche Reduzierung der maximalen Magnetkraft und damit eine entsprechende Reduzierung auch der Auftreffcfeschwindigkeit des Ankers auf der Polfläche gegenüber einem konventionellen System zu erkennen. Es ist ferner zu erkennen, daß die auf den Anker einwirkende Magnetkraft beim Auftreffen nur geringfügig über der maximalen Rückstellkraft der Feder liegt, so daß die Auftreffgeschwindigkeit reduziert ist, die Magnetkraft jedoch so groß ist, daß der Anker mit Sicherheit vom Elektromagneten gegen die Kraft der Rückstellfeder gehalten wird.

Die Kurve 26 zeigt dann das erfindungsgemäße System bei einer Bestromung mit 4 Ampere, wobei der Einfluß des Steuerkonus auf den Kraftverlauf sehr deutlich wird. Während im Abstandsbereich zwischen 4 und 1 der Verlauf der Kurve für das konventionelle System und der Verlauf der Kurve für das erfindungsgemäße System noch in etwa gleich sind, ergibt sich im Abstandsbereich zwischen 1 und 0 durch den

Einfluß der Polschuhe und des Steuerkonus eine deutliche Absenkung der Magnetkraft, so daß diese nahezu parallel oberhalb zur Kurve 22 der Federkraft verläuft.

Claims

&iacgr;&ogr; Ansprüche

1. Elektromagnetischer Aktuator mit wenigstens einem Elektromagneten, der einen mit einer Spulenwicklung (6) versehenen Jochkörper (1) aufweist, und mit einem Anker (10), der mit einem Stellmittel verbunden ist und der gegen die Kraft eines Rückstellmittels (11) bei Bestromung der Spulenwicklung (6) an einer Polfläche (12) des Jochkörpers (1) zur Anlage kommt, dadurch gekennzeichnet, daß der Jochkörper (1) einen im wesentlichen rechteckigen Grundriß mit wenigstens zwei parallelen Seitenflächen (4) aufweist und daß die Polfläche (12) am Jochkörper (1) als Kreisfläche und der Anker (10) als Kreisscheibe ausgebildet sind.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Seitenflächen (4) die Langseiten des Jochkörpers (1) begrenzen.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schmalseiten (5) definierende Abstand der Langseiten (4) zueinander mindestens dem Durchmesser des Ankers (10) entspricht.

4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen der Schmalseiten (5) des Jochkörpers (1) gekrümmt, vorzugsweise zylindrisch ausgebildet sind.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Jochkörper (1) im Bereich seiner beiden Schmalseiten (4) jeweils ein Polschuh (14) angeordnet ist, der die Polfläche (12) überragt.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (14) einen vom freien Ende her zunehmenden Querschnitt aufweisen.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwicklung (6) in einer als Hohlzylinder ausgebildeten Ausnehmung des Jochkörpers (1) angeordnet ist.

8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (12.1) der Spulenwicklung (6) zumindest einen Teil der Polfläche (12) bildet.

9. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die der Polfläche (12) zugekehrte Fläche des Ankers (10) zumindest im Randbereich nach außen konisch abfallend geformt ist, daß der zugeordnete Bereich der Polfläche (12) entsprechend konisch ansteigend geformt ist und daß der Jochkörper (1) unterhalb der hohlzylindrischen Ausnehmung für die Spulenwicklung (6) einen spiegelbildlich hierzu konischen Querschnitt aufweist.

10. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (12.1) der Spulenwicklung (6) im konisch ansteigenden Bereich der Polfläche (12) liegt.