EP2486575A1 - Aktuator für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Aktuator für eine verbrennungskraftmaschine

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EP2486575A1
EP2486575A1 EP10752788A EP10752788A EP2486575A1 EP 2486575 A1 EP2486575 A1 EP 2486575A1 EP 10752788 A EP10752788 A EP 10752788A EP 10752788 A EP10752788 A EP 10752788A EP 2486575 A1 EP2486575 A1 EP 2486575A1
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EP
European Patent Office
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armature
actuator
combustion engine
internal combustion
engine according
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EP10752788A
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EP2486575B1 (de
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Michael Sanders
Dieter Thönnessen
Frank Bürger
Albert Genster
Albert Denne
Janusz Zurke
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Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2486575B1 publication Critical patent/EP2486575B1/de
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    • H01F7/1607—Armatures entering the winding
    • H01F7/1615—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L13/0036—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction
    • F01L13/0042—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction with cams being profiled in axial and radial direction
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    • H01F7/1646—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet

Definitions

  • the invention relates to an actuator for an internal combustion engine with an actuator consisting of an electromagnetic circuit having a coil, a fixed core, a movable armature and a yoke, a plunger which is actuated via the electromagnetic circuit and which is connected to the armature and a permanent magnetic circuit consisting of the yoke, the core, the armature and a permanent magnet which holds the armature in a holding end position in the de-energized state of the electromagnetic circuit.
  • Such actuators are used for example for adjusting sliding cam contours on which different lifting profiles are formed and which are arranged displaceably on a camshaft.
  • the actuator engages in a groove of the sliding cam. After the axial adjustment resulting therefrom, the actuating element is normally passively returned to its starting position via a lifting contour of the groove.
  • Such an actuator is known for example from WO 03/021612 AI.
  • the actuator of the electromagnetic actuator described herein is formed by a plunger which is engageable with the sliding cam groove.
  • the adjusting device has a permanent magnet, which is firmly connected to the plunger and is held by its magnetic force, the plunger in its retracted position.
  • the field of the permanent magnet is so far weakened that the holding force is lower as a force which is exerted in the extension direction of the plunger via a spring element on the plunger, so that the plunger is moved into the groove.
  • a lifting contour of the plunger is moved back to its original position.
  • the permanent magnet is arranged axially between the core and the yoke, and the core and the permanent magnet are arranged radially spaced from the yoke. Due to the axial arrangement of the permanent magnet, a mechanical impact load is excluded. Due to the radial distance between the magnet or the core and the yoke, a violation of magnetic field lines in the radial direction in the permanent magnetic circuit is avoided. Thus, a bundling of axial magnetic field lines takes place, since the magnetic field can continue only in this direction. This leads to an increased magnetic force in the axial direction, ie in the direction of movement of the plunger with a constant large magnet.
  • the armature has a radially extending armature plate. This serves to close the magnetic circuits, wherein the permanent magnetic circuit can be closed only in the holding position.
  • the means for concentrating the magnetic field lines are formed by a yoke axially extending in the direction of the armature plate extension reduced thickness, which surrounds the armature plate at least partially radially in the Halteend ein.
  • the magnetic field lines are correspondingly bundled out of the yoke. Due to the small thickness of the extension, the field lines also mainly have an axial direction. Accordingly, this focused field acts on the anchor plate already when the anchor plate is still at a distance to its support point, since depending on the height of the extension and the magnetic force acts on the extension on the anchor plate, so that a corresponding distance to the support surface are overcome can.
  • the anchor has a cavity in its interior.
  • the weight of the armature is reduced so that inertial forces and thus required holding and adjusting forces decrease and faster actuation is possible.
  • the means for focusing the magnetic field lines are formed by an axially extending in the direction of the armature portion of the core, which projects into the holding end position in the cavity of the armature.
  • This arrangement has substantially the same effect as the axially extending projection on the yoke.
  • field lines are bundled in the axial direction and guided into areas that reduce an axial distance between the parts of the magnetic circuit to exert a force from the armature, even at an distance of about 1mm from the holding end position, in the direction of its holding end position emotional.
  • a spring element is arranged in the cavity of the armature, which rests against a stop formed in the interior of the armature and against the core. Compared In addition to known designs, not only the moving mass but also the required axial space can be reduced as a result.
  • the anchor plate is spaced apart from the yoke in the holding end position. Accordingly, a gap in the magnetic circuit is maintained in the retracted end position. Through this gap, the holding force of the permanent magnet is reduced so that a release of the armature plate with a conventional electromagnet remains possible. The otherwise very high magnetic forces are thus reduced to use smaller electromagnet or a lower amperage to release the holding power can.
  • the armature is arranged in the holding end position at a distance from the core. This also reduces the holding force of the permanent magnet in the same way.
  • the diameter of the permanent magnet is greater than the free diameter in the interior of the bobbin and the permanent magnet is arranged on the end facing away from the plunger of the coil.
  • strong relatively large-sized permanent magnets can be used with which sufficient attraction forces can be achieved even at spaced portions of the magnetic circuit.
  • a support surface for the armature plate is formed in the housing in its second end position, wherein in the support surface at least one additional permanent magnet is arranged.
  • an additional holding force can be generated in the second end position, the magnetic field is also available for bearing feedback.
  • a non-contact sensor is arranged in a housing of the actuator, via which a changing with movement of the armature plate magnetic field is detected.
  • This field change causes a different output signal of the sensor whose size is a measure of the position of the plunger.
  • both changing field line directions and strengths can be used for position measurement.
  • the movable anchor plate generates a field change during their movement.
  • two adjusting elements are arranged side by side in the housing.
  • the first adjusting element to move the cam in a first direction and the second actuator to move the cam in the opposite direction. Accordingly, an actuation only one of the actuating elements is necessary and desired.
  • Their arrangement in a common housing simplifies assembly and reduces the required space.
  • the non-contact sensor is arranged on an axis of symmetry of the two control elements in the housing, which is operatively connected to two actuators, each actuator is associated with an additional permanent magnet, wherein the two permanent magnets are polarized opposite to the sensor operatively connected. Due to the position of the sensor, it is thus possible to detect the position of both control elements with only one sensor due to the different direction of the field lines. Accordingly, the number of components used is reduced compared to known designs.
  • an actuator which can apply a sufficient force to tighten the plunger from a distance of about 1mm to the end position. Nevertheless, the holding force in this end position remains such that a release by means of a normal electromagnet remains possible.
  • Several such control elements can be arranged in a common housing and their position by means of a common position sensor can be detected.
  • the actuator according to the invention requires only a small space due to its small size. It has a high durability due to the low mechanical load of the permanent magnet.
  • Figure 1 shows a side view of an actuating element of an actuator according to the invention in a sectional view.
  • Figure 2 shows a side view of an actuator according to the invention with two to Figure 1 alternatively executed actuators in a sectional view.
  • FIG. 3 schematically shows a top view of an arrangement of a sensor for an actuator according to the invention according to FIG. 2.
  • the actuator 2 shown in Figure 1 of an actuator according to the invention consists of an electromagnetic circuit 4, a plunger 6 which is actuated via the electromagnetic circuit 4 and a permanent magnetic circuit 8 for generating a holding force in a holding end position of the plunger. 6
  • the electromagnetic circuit 4 has a coil 10 which is surrounded by a yoke 12 and in the interior of which an axially movable armature 14 is arranged, which is fixedly connected to the plunger 6 so that it is moved with movement of the armature 14.
  • the armature 14 is designed as a hollow cylinder, from which an armature plate 16 extends radially outwardly and which has a recess 18 in which the plunger 6 is fixed by welding.
  • a spring element 22 is arranged in the form of a helical spring, which faces with its first end against a paragraph 24 shown only in Figure 2 the armature 14 or the plunger 6 is supported and supported with its second end against a core 26 which is arranged in the present embodiment in a bobbin 28.
  • the outer diameter of the armature 14 moves with play within a coil carrier 28.
  • the guide of the plunger 6 takes place in a again only in Figure 2 shown guide housing part 30 which radially surrounds the plunger 6 in the axial direction.
  • the permanent magnetic circuit 8 consists of a permanent magnet 32, which is arranged axially between the core 26 and a radially extending portion of the yoke 12 and radially inside of the coil carrier 28, and the yoke 12, the armature 14 and the core 26th
  • the core 26 has three sections axially one behind the other.
  • a first axially extending portion 34 has a cylindrical shape with a shoulder, so that two cylinders axially behind each other arise, and protrudes into the hollow cylindrical armature 14, wherein the outer diameter of the portion 34 in the region of the larger portion is slightly smaller than the inner diameter of the Cavity 20.
  • a second cylindrical portion 36 of larger diameter which has substantially the same diameter as the armature 14.
  • There follows a third portion 38 which has a diameter growing in the opposite direction to the plunger until this diameter corresponds to the diameter of the permanent magnet 32.
  • the entire core 26, the permanent magnet 32 and the armature 14 are surrounded by the bobbin 28 made of plastic.
  • the bobbin 28 thus extends in the opposite direction to the plunger axially over the coil 10 away until the axially delimiting portion of the yoke 12.
  • the coil support 28 by the coil support 28, the radial distance between the core 26th or the permanent magnet 32 and the axially extending yoke 12 held so large that a violation of magnetic field lines is avoided as completely as possible, whereby a bundling of the existing magnetic forces is achieved.
  • a radially inwardly extending portion is formed on the yoke 12 at the end facing the plunger, which serves as a conclusion. From this section extends axially in the direction of the anchor plate 16, an annular extension 40 which surrounds the armature plate 16 radially in the holding position.
  • the armature 14 In its initial position, which corresponds to the retracted position or the holding end position of the plunger 6, the armature 14 bears against the core 26 with its first axial end. In this position, the armature 14 and thus the plunger 6 is held by the permanent magnetic circuit 8 whose field lines from the permanent magnet 32 via the yoke 12 in the armature plate 16 and the armature 14 and back over the core 26 to the opposite pole of the permanent magnet 32. It is accordingly a closed magnetic field, which exerts a holding force on the armature 14 which is greater than a spring force acting in the opposite direction, which exerts the spring element 22 on the armature 14.
  • the existing holding force is particularly dependent on existing gaps in the permanent magnetic circuit 8.
  • the axially extending portion of the armature 14 is formed slightly longer than the distance between the support surface of the armature 14th at the core 26 and the lower edge of the yoke 12 without the annular extension 40. This results in a gap 42 between the radially inwardly extending portion the yoke 12 and the anchor plate 16 in the holding end position.
  • the plunger 6 must be moved to an extended state.
  • a magnetic field is generated by the electromagnetic circuit 4, which acts counter to the magnetic field 8 of the permanent magnet. This leads to a weakening of the force acting between the armature 14 and the core 26 holding force until finally the spring force is greater than the holding force, whereby the armature 14 is released from the core 26. It follows under the action of the spring force, a movement of the armature 14 and thus the plunger 6, in which they move from the core 26 in its second extended end position. For this purpose, no electromagnetic force is required in this embodiment.
  • the plunger 6 slides in this state with its pointing out of the actuator end in a groove of the sliding cam and moves it to the desired position.
  • These grooves are formed so that at the end of the rotation of the plunger 6 is actively raised by a survey of the groove, so that the plunger 6 and the armature 14 are moved in the direction of the holding end position.
  • the stroke of the groove is made slightly smaller than the stroke This is due to installation tolerances required, otherwise there would be a risk of jamming of the camshaft.
  • the existing gap in this position must be bridged in order to hold the armature 14 in its final position, if possible without having to activate the electromagnetic circuit 4. Accordingly, the magnetic force necessary for this purpose should be applied by the permanent magnetic circuit 8.
  • the permanent magnetic axially acting field lines is the axially extending portion 34 of the core 26.
  • the entire field lines of the permanent magnet 32 are formed by the narrowing in the direction of the armature 14 of the form Kerns 26 bundled, so that here too high axial magnetic forces between the core 26 and the armature 14 occur.
  • the actuator shown in Figure 2 differs from that shown in Figure 1 in particular in that two adjusting elements 2a, 2b are arranged side by side in a common housing 44, wherein the first actuator 2a is shown in its second end position and the second actuator 2b in his Holding end position is shown.
  • the core 26 extends over the entire axial length of the bobbin 28, so that the armature plate 16 serves to close the magnetic circuits 4, 8.
  • the armature plate 16 serves to close the magnetic circuits 4, 8.
  • a cylindrical portion 34 of the core 26 extends into the cavity 20 of the armature.
  • the gap 42 is formed in this embodiment between the armature plate 16 and the core 26 in the holding end position, while the armature plate rests against the yoke 12.
  • the described actuator has a low power consumption as well as a high service life due to the low mechanical load of the magnet.
  • a possible release without too large to be applied actuating forces is also ensured as a sufficient tightening force by the permanent magnetic circuit before reaching the holding end position.
  • a holding force and a bearing feedback even with two actuators in a housing is ensured with only one sensor and prevents unwanted loosening. Furthermore, there is good electromagnetic compatibility.

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Abstract

Bekannte elektromagnetische Aktuatoren mit Permanentmagneten weisen häufig den Nachteil auf, dass eine Rückführung des Stössels allein durch perrnanentmagnetische Kräfte häufig nicht möglich Ist, wenn noch eine Entfernung von über 1mm zwischen Anker und Kern zu überbrücken ist. Erfindungsgemäß wird daher ein Aktuator vorgeschlagen, bei dem der Permanentmagnet (32) ortsfest innerhalb des elektromagnetischen Kreises (4) angeordnet ist und Mittel (34, 40) zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien am permanentmagnetischen Kreis (8) ausgebildet sind.

Description

B E S C H R E I B U N G
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Stellelement bestehend aus einem elektromagnetischen Kreis, der eine Spule, einen feststehenden Kern, einen beweglichen Anker und ein Joch aufweist, einem Stößel, welcher über den elektromagnetischen Kreis betätigbar ist und der mit dem Anker verbunden ist und einem permanentmagnetischen Kreis, der aus dem Joch, dem Kern, dem Anker und einem Permanentmagneten besteht, der den Anker in einer Halteendstellung im unbestromten Zustand des elektromagnetischen Kreises hält.
Derartige Aktuatoren werden beispielsweise zur Verstellung von Schiebenockenkonturen, an denen unterschiedliche Hubprofile ausgebildet sind und die verschiebbar auf einer Nockenwelle angeordnet sind, verwendet. Dabei greift das Stellelement in eine Nut des Schiebenockens. Nach der hieraus folgenden axialen Verstellung wird das Stellelement normalerweise passiv über eine Hebekontur der Nut in seine Ausgangsstellung zurückgeführt.
Ein derartiger Aktuator ist beispielsweise aus der WO 03/021612 AI bekannt. Das Stellelement des hierin beschriebenen elektromagnetischen Aktuators wird durch einen Stößel gebildet, der in die Nut des Schiebenockens eingreifen kann. Die Stellvorrichtung weist einen Permanentmagneten auf, der mit dem Stößel fest verbunden ist und über dessen magnetische Kraft der Stößel in seiner eingefahrenen Stellung gehalten wird. Durch Ansteuern eines Elektromagneten wird das Feld des Permanentmagneten so weit geschwächt, dass die Haltekraft geringer ist als eine Kraft die in Ausfahrrichtung des Stößels über ein Federelement auf den Stößel ausgeübt wird, so dass der Stößel in die Nut bewegt wird. Durch eine Hebekontur wird der Stößel zurück in seine Ausgangsstellung bewegt.
Neben diesen Aktuatoren mit einem Elektromagneten und einem damit kommunizierenden Stößel ist es beispielsweise aus der DE 10 2007 028 600 AI auch bekannt, mehrere Stellelemente in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen.
Bei den genannten Aktuatoren besteht jedoch das Problem, dass der Permanentmagnet Stößen und somit mechanischen Kräften ausgesetzt ist, die zu einer Entmagnetisierung und somit zum Verlust der Haltekraft führen können. Zusätzlich hat sich bei den bekannten Aktuatoren der Nachteil gezeigt, dass die passive Rückführung des Stößels nicht immer funktioniert, da keine ausreichende Kraft zur Überbrückung des Abstandes zwischen der Ankerplatte und dem übrigen permanentmagnetischen Kreis aufgebracht werden kann. Aufgrund der beim Einbau eines derartigen Aktuators zur Nockenwellenverstellung immer notwendigen Toleranzen, muss jedoch ein Anziehen des Stößels in seine Halteendposition bereits bei einem Abstand von ca. l mm sichergestellt werden. Des Weiteren muss bei den bekannten Aktuatoren eine relativ große Masse bei der Betätigung beschleunigt werden. Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Aktuator zu schaffen, bei dem ohne Betätigung des Elektromagneten bereits sichergestellt ist, dass die Ankerplatte und damit der Stößel bereits bei einem größeren Abstand vom übrigen permanentmagnetischen Kreis in ihre eingefahrene Stellung gezogen wird. Gleichzeitig muss eine zu große und somit über einen Elektromagneten normaler Größe nicht mehr lösbare Haftkraft in der Endstellung verhindert werden. Zusätzlich soll eine mechanische Belastung des Permanentmagneten möglichst vermieden werden. Eine lange Lebensdauer des Aktuators bei möglichst geringem Stromverbrauch soll erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass der Permanentmagnet ortsfest innerhalb des elektromagnetischen Kreises angeordnet ist und Mittel zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien am permanentmagnetischen Kreis ausgebildet sind, wird die in Bewegungsrichtung des Stößels wirkende Permanentmagnetkraft erhöht, wodurch der Stößel bereits bei größerem Abstand zum übrigen permanentmagnetischen Kreis angezogen wird. Zusätzlich entfällt eine mechanische Belastung des Permanentmagneten durch Stöße, so dass dessen Funktionalität über einen langen Zeitraum sichergestellt wird. Die zu bewegende Masse ist sehr klein, so dass keine hohen Stellkräfte aufgebracht werden müssen.
Vorzugsweise ist als Mittel zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien der Permanentmagnet axial zwischen dem Kern und dem Joch angeordnet und sind der Kern und der Permanentmagnet radial beabstandet vom Joch angeordnet. Durch die axiale Anordnung des Permanentmagneten wird eine mechanische Stoßbelastung dessen ausgeschlossen. Durch den radialen Abstand zwischen dem Magnet beziehungsweise dem Kern und dem Joch wird ein Übertreten magnetischer Feldlinien in radialer Richtung im permanentmagnetischen Kreis vermieden. Es findet somit eine Bündelung axialer magnetischer Feldlinien statt, da sich das Magnetfeld nur in diese Richtung fortsetzen kann. Dies führt zu einer erhöhten magnetischen Kraft in axialer Richtung, also in Bewegungsrichtung des Stößels bei gleichbleibend großem Magneten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Anker eine sich radial erstreckende Ankerplatte auf. Diese dient zum Schließen der magnetischen Kreise, wobei der permanentmagnetische Kreis nur in der Halteposition schließbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Bündelung der magnetischen Feldlinien durch einen am Joch sich axial in Richtung zur Ankerplatte erstreckenden Fortsatz verringerter Dicke gebildet, der in der Halteendstellung die Ankerplatte zumindest teilweise radial umgibt. In diesem Fortsatz werden entsprechend die magnetischen Feldlinien aus dem Joch gebündelt. Aufgrund der geringen Dicke des Fortsatzes weisen die Feldlinien auch vor allem eine axiale Richtung auf. Entsprechend wirkt dieses gebündelte Feld auf die Ankerplatte bereits, wenn die Ankerplatte sich noch in einem Abstand zu ihrem Auflagepunkt befindet, da je nach Höhe des Fortsatzes auch die magnetische Kraft über den Fortsatz auf die Ankerplatte wirkt, so dass ein entsprechender Abstand zur Auflagefläche überwunden werden kann.
Vorzugsweise weist der Anker in seinem Innern einen Hohlraum auf. Hierdurch wird das Gewicht des Ankers verringert, so dass Trägheitskräfte und somit benötigte Halte- und Verstellkräfte sinken und eine schnellere Betätigung möglich ist.
In einer weiterführenden Ausführung sind die Mittel zur Bündelung der magnetischen Feldlinien durch einen sich axial in Richtung zum Anker erstreckenden Abschnitt des Kerns gebildet, der in der Halteendstellung in den Hohlraum des Ankers hineinragt. Diese Anordnung besitzt im Wesentlichen die gleiche Wirkung, wie der sich axial erstreckende Fortsatz am Joch. Auch hier werden Feldlinien in axialer Richtung gebündelt und in Bereiche geführt, die einen axialen Abstand zwischen den Teilen des magnetischen Kreises verringern, um auch bei einer Enfernung von ca. 1mm von der Halteendstellung eine Kraft aus den Anker auszuüben, die diesen in Richtung seiner Halteendstellung bewegt. In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist im Hohlraum des Ankers ein Federelement angeordnet, welches gegen einen im Innern des Ankers ausgebildeten Anschlag und gegen den Kern anliegt. Im Vergleich zu bekannten Ausführungen kann hierdurch nicht nur die bewegte Masse sondern auch der benötigte axiale Bauraum verringert werden.
Vorzugsweise ist die Ankerplatte in der Halteendstellung beabstandet vom Joch angeordnet. Entsprechend wird in der eingefahrenen Endposition ein Spalt im magnetischen Kreis aufrecht erhalten. Durch diesen Spalt wird die Haltekraft des Permanentmagneten so verringert, dass ein Lösen der Ankerplatte mit einem üblichen Elektromagneten möglich bleibt. Die sonst sehr hohen magnetischen Kräfte werden somit reduziert um kleinere Elektromagneten oder eine geringere Stromstärke zum Lösen der Haltekraft verwenden zu können.
In einer alternativen oder weiterführenden Ausgestaltung ist der Anker in der Halteendstellung beabstandet vom Kern angeordnet. Auch dies verringert die Haltekraft des Permanentmagneten in gleicher Weise.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchmesser des Permanentmagneten größer als der freie Durchmesser im Innern des Spulenträgers und ist der Permanentmagnet am zum Stößel abgewandten Ende der Spule angeordnet. Somit können starke relativ groß bauende Permanentmagneten verwendet werden, mit denen ausreichende Anziehungskräfte auch bei beabstandeten Teilen des magnetischen Kreises erzielt werden können. Vorzugsweise ist im Gehäuse eine Auflagefläche für die Ankerplatte in ihrer zweiten Endstellung ausgebildet, wobei in der Auflagefläche zumindest ein zusätzlicher Permanentmagnet angeordnet ist. So kann in der zweiten Endstellung eine zusätzliche Haltekraft erzeugt werden, deren Magnetfeld auch zur Lagerückmeldung nutzbar ist.
Vorzugsweise ist in einem Gehäuse des Aktuators ein berührungsloser Sensor angeordnet, über den ein sich mit Bewegung der Ankerplatte veränderndes magnetisches Feld detektierbar ist. Diese Feldänderung bewirkt ein unterschiedliches Ausgangssignal des Sensors dessen Größe ein Maß für die Position des Stößels ist. Somit wird eine genaue Lagerückmeldung möglich. Dabei können je nach verwendetem Sensor sowohl sich ändernde Feldlinienrichtungen als auch -stärken zur Lagemessung benutzt werden. Die bewegliche Ankerplatte erzeugt dabei eine Feldänderung bei ihrer Bewegung.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind zwei Stellelemente nebeneinander im Gehäuse angeordnet. Dabei kann zur Verstellung eines Schiebenockens das erste Stellelement den Nocken in eine erste Richtung verschieben und das zweite Stellelement den Nocken in die entgegengesetzte Richtung verschieben. Entsprechend ist eine Betätigung jeweils nur eines der Stellelemente notwendig und gewünscht. Deren Anordnung in einem gemeinsamen Gehäuse vereinfacht die Montage und verringert den benötigten Bauraum.
In einer weiterführenden Ausführung ist auf einer Symmetrieachse der beiden Stellelemente im Gehäuse der berührungslose Sensor angeordnet, der mit beiden Stellelementen wirkverbunden ist, wobei jedem Stellelement je ein zusätzlicher Permanentmagnet zugeordnet ist, wobei die beiden Permanentmagnete entgegengesetzt polarisiert mit dem Sensor wirkverbunden sind. Aufgrund der Lage des Sensors ist es somit möglich, mit nur einem Sensor die Lage beider Stellelemente aufgrund der unterschiedlichen Richtung der Feldlinien zu detektieren. Entsprechend wird die Anzahl der verwendeten Bauelemente im Vergleich zu bekannten Ausführungen verringert.
Es wird somit ein Aktuator geschaffen, der eine ausreichende Kraft zum Anziehen des Stößels auch aus einer Entfernung von über 1mm zur Endlagenposition aufbringen kann. Dennoch bleibt die Haltekraft in dieser Endlage derart, dass ein Lösen mittels eines normalen Elektromagneten möglich bleibt. Mehrere derartiger Stellelemente können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und deren Stellung mittels eines gemeinsamen Stellungssensors detektiert werden. Der erfindungsgemäße Aktuator benötigt aufgrund seiner geringen Ausdehnung nur einen kleinen Bauraum. Er weist durch die geringe mechanische Belastung des Permanentmagneten eine hohe Lebensdauer auf.
Zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Aktuatoren sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Stellelementes eines erfindungsgemäßen Aktuators in geschnittener Darstellung.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Aktuators mit zwei zu Figur 1 alternativ ausgeführten Stellelementen in geschnittener Darstellung.
Figur 3 zeigt schematisch eine Kopfansicht einer Anordnung eines Sensors für einen erfindungsgemäßen Aktuator gemäß der Figur 2.
Das in Figur 1 dargestellte Stellelement 2 eines erfindungsgemäßen Aktuators besteht aus einem elektromagnetischen Kreis 4, einem Stößel 6, welcher über den elektromagnetischen Kreis 4 betätigbar ist und einem permanentmagnetischen Kreis 8 zur Erzeugung einer Haltekraft in einer Halteendposition des Stößels 6.
Der elektromagnetische Kreis 4 weist eine Spule 10 auf, die von einem Joch 12 umgeben ist und in deren Innern ein axial beweglicher Anker 14 angeordnet ist, der mit dem Stößel 6 fest verbunden ist, so dass dieser bei Bewegung des Ankers 14 mit bewegt wird. Der Anker 14 ist als Hohlzylinder ausgeführt, von dem aus sich eine Ankerplatte 16 radial nach außen erstreckt und die eine Ausnehmung 18 aufweist, in der der Stößel 6 durch Schweißen befestigt ist. Im Hohlraum 20 des Ankers 14 ist ein Federelement 22 in Form einer Schraubenfeder angeordnet, die sich mit ihrem ersten Ende gegen einen lediglich in Figur 2 dargestellten Absatz 24 des Ankers 14 oder des Stößels 6 abstützt und mit ihrem zweiten Ende gegen einen Kern 26 abstützt, der in vorliegender Ausführung in einem Spulenträger 28 angeordnet ist.
Der Außendurchmesser des Ankers 14 bewegt sich mit Spiel innerhalb eines Spulenträgers 28. Die Führung des Stößels 6 erfolgt in einem wiederum nur in Figur 2 dargestellten Führungsgehäuseteil 30, welches den Stößel 6 in axialer Erstreckungsrichtung radial umschließt.
Der permanentmagnetische Kreis 8 besteht aus einem Permanentmagneten 32, welcher axial zwischen dem Kern 26 und einem sich radial erstreckenden Abschnitt des Jochs 12 und radial innerhalb des Spulenträgers 28 angeordnet ist, sowie dem Joch 12, dem Anker 14 und dem Kern 26.
Der Kern 26 weist drei axial hintereinanderliegende Abschnitte auf. Ein erster sich axial erstreckender Abschnitt 34 besitzt eine zylindrische Form mit einem Absatz, so dass zwei axial hintereinanderliegende Zylinder entstehen, und ragt in den hohlzylindrischen Anker 14 hinein, wobei der Außendurchmesser des Abschnitts 34 im Bereich des größeren Abschnitts geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Hohlraums 20. An diesen zylindrischen Abschnitt 34 schließt sich ein zweiter zylindrischer Abschnitt 36 größeren Durchmessers an, der im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist, wie der Anker 14. Es folgt ein dritter Abschnitt 38, der einen sich in entgegengesetzter Richtung zum Stößel wachsenden Durchmesser aufweist bis dieser Durchmesser dem Durchmesser des Permanentmagneten 32 entspricht. Der gesamte Kern 26, der Permanentmagnet 32 und der Anker 14 sind vom Spulenträger 28 aus Kunststoff umgeben. Der Spulenträger 28 erstreckt sich somit in entgegengesetzter Richtung zum Stößel axial über die Spule 10 hinweg bis vor den axial begrenzenden Abschnitt des Jochs 12. Dabei wird durch den Spulenträger 28 der radiale Abstand zwischen dem Kern 26 beziehungsweise dem Permanentmagneten 32 und dem sich axial erstreckenden Joch 12 so groß gehalten, dass ein Übertreten magnetischer Feldlinien möglichst vollständig vermieden wird, wodurch eine Bündelung der vorhandenen Magnetkräfte erreicht wird.
Des Weiteren ist am Joch 12 am zum Stößel weisenden Ende ein sich radial nach innen erstreckender Abschnitt ausgebildet, der als Rückschluss dient. Von diesem Abschnitt aus erstreckt sich axial in Richtung zur Ankerplatte 16 ein ringförmiger Fortsatz 40, der in der Haltestellung die Ankerplatte 16 radial umgibt.
Die Funktionsweise des konstruktiv im Vorangegangen beschriebenen Aktuator wird im Folgenden anhand einer Anwendung des Aktuators zur Schiebenockenverstellung beschrieben.
In seiner Ausgangsstellung, welches der eingefahrenen Position oder der Halteendstellung des Stößels 6 entspricht, liegt der Anker 14 mit seinem ersten axialen Ende gegen den Kern 26 an. In dieser Position wird der Anker 14 und somit der Stößel 6 durch den permanentmagnetischen Kreis 8 gehalten, dessen Feldlinien vom Permanentmagneten 32 über das Joch 12 in die Ankerplatte 16 und den Anker 14 und zurück über den Kern 26 zum entgegengesetzten Pol des Permanentmagneten 32 verlaufen. Es handelt sich entsprechend um ein geschlossenes magnetisches Feld, welches eine Haltekraft auf den Anker 14 ausübt, die größer ist als eine in entgegengesetzter Richtung wirkende Federkraft, die das Federelement 22 auf den Anker 14 ausübt. Die vorhandene Haltekraft ist dabei insbesondere abhängig von vorhandenen Spalten im permanentmagnetischen Kreis 8. Da die Haltekraft in einem derartigen Aktuator ohne Spalte sehr groß ist, wird der sich axial erstreckende Abschnitt des Ankers 14 geringfügig länger ausgebildet, als der Abstand zwischen der Auflagefläche des Ankers 14 am Kern 26 und der Unterkante des Joches 12 ohne den ringförmigen Fortsatz 40. Hierdurch ergibt sich ein Spalt 42 zwischen dem sich nach radial innen erstreckenden Abschnitt des Jochs 12 und der Ankerplatte 16 in der Halteendstellung. Alternativ wäre es möglich, einen Abstand zwischen dem Kern 26 und dem Anker 14 in der Halteendstellung zu belassen, indem die Ankerplatte 16 am Joch 12 anliegt bevor der Anker 14 den Kern 26 erreicht.
Soll nun einer der Schiebenocken auf einer Nockenwelle betätigt werden, muss der Stößel 6 in einen ausgefahrenen Zustand verschoben werden. Hierzu wird durch den elektromagnetischen Kreis 4 ein Magnetfeld erzeugt, welches dem Magnetfeld 8 des Permanentmagneten entgegen gerichtet wirkt. Dies führt zu einer Schwächung der zwischen dem Anker 14 und dem Kern 26 wirkenden Haltekraft bis schließlich die Federkraft größer ist als die Haltekraft, wodurch der Anker 14 sich vom Kern 26 löst. Es folgt unter Einwirkung der Federkraft eine Bewegung des Ankers 14 und somit des Stößels 6, bei der diese sich vom Kern 26 in seine zweite ausgefahrene Endstellung bewegen. Hierzu ist bei dieser Ausführung keine elektromagnetische Kraft erforderlich. In dieser zweiten Endstellung wird der Stößel 6 durch die Federkraft und eine permanentmagnetische Kraft gehalten, die durch einen oder mehrere zusätzliche Permanentmagnete 45 erzeugt wird, die im Bereich einer Auflagefläche 48 des Gehäuses 44 beziehungsweise im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 im Führungsgehäuseteil 30 angeordnet sind, auf dem die Ankerplatte 16 in ihrer ausgefahrenen Position aufliegt, wie lediglich in Figur 3 dargestellt ist. Diese wirken mit einem berührungslosen Sensor 46 zusammen, mittels dessen das Aufliegen der Ankerplatte 16 in bekannter Weise erkennbar ist.
Der Stößel 6 gleitet in diesem Zustand mit seinem aus dem Aktuator weisenden Ende in einer Nut des Schiebenockens und verschiebt diesen in die gewünschte Position. Diese Nuten sind so ausgebildet, dass am Ende der Drehung der Stößel 6 aktiv durch eine Erhebung der Nut angehoben wird, so dass der Stößel 6 und der Anker 14 in Richtung der Halteendstellung verschoben werden. Bei dieser Verwendung des Aktuators wird der Hub der Nut geringfügig kleiner ausgeführt als der Hub des Ankers 14. Dies ist aufgrund von Einbautoleranzen erforderlich, da sonst die Gefahr eines Verklemmens der Nockenwelle bestehen würde. Der in dieser Position vorhandene Spalt muss jedoch überbrückt werden, um den Anker 14 in seiner Endstellung halten zu können und zwar möglichst ohne den elektromagnetischen Kreis 4 aktivieren zu müssen. Entsprechend soll die hierzu notwendige magnetische Kraft durch den permanentmagnetischen Kreis 8 aufgebracht werden. Hierzu ist es notwendig, permanentmagnetische in axialer Richtung wirkende Magnetlinien bereits in einem Abstand von ca. 1mm zwischen dem Anker 14 und dem Kern 26 zu erzeugen.
Hierzu dient der sich axial erstreckende Fortsatz, von dem aus sich permanentmagnetische Feldlinien in Richtung zu Ankerplatte 16 erstrecken, die eine große axial wirkende Komponente aufweisen und der sich in den Anker 16 erstreckende Absatz 34, von dem aus sich permanentmagnetische Feldlinien in Richtung des Ankers 16 erstrecken. Dabei besteht insbesondere im Bereich des Fortsatzes 40 eine hohe Magnetkraft, da die permanentmagnetischen sich axial erstreckenden Feldlinien im dünnen Fortsatz 40 gebündelt werden. Entsprechend wird eine hohe Anziehungskraft erzeugt, mittels derer die Federkraft bereits ca. 1 mm vor Erreichen des Endanschlags überwunden werden kann. Somit besteht ein extrem geringer Stromverbrauch, da ein Strom nur zum Auslösen der Verstellung aus der Halteendstellung erforderlich ist. Zusätzlich wird ersichtlich, dass keine mechanische Belastung des Permanentmagneten 32 vorliegt, da die Bewegung des Ankers 14 nicht auf den feststehenden Magneten 32 wirkt.
Als zusätzliche Maßnahme zur Bündelung der permanentmagnetischen axial wirkenden Feldlinien dient der sich axial erstreckende Abschnitt 34 des Kerns 26. Die gesamten Feldlinien des Permanentmagneten 32 werden durch die sich in Richtung des Ankers 14 verengende Form des Kerns 26 gebündelt, so dass auch hier hohe axiale Magnetkräfte zwischen dem Kern 26 und dem Anker 14 auftreten.
Der in Figur 2 dargestellte Aktuator unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten insbesondere dadurch, dass zwei Stellelemente 2a, 2b in einem gemeinsamen Gehäuse 44 nebeneinander angeordnet sind, wobei das erste Stellelement 2a in seiner zweiten Endstellung dargestellt ist und das zweite Stellelement 2b in seiner Halteendstellung dargestellt ist. Des Weiteren erstreckt sich der Kern 26 über die gesamte axiale Länge des Spulenträgers 28, so dass die Ankerplatte 16 zum Schließen der magnetischen Kreise 4, 8 dient. Bei dieser Ausführung erstreckt sich ebenfalls ein Fortsatz 40 vom Joch 12 in Richtung zur Ankerplatte 16. Zusätzlich erstreckt sich ein zylindrischer Abschnitt 34 des Kerns 26 in den Hohlraum 20 des Ankers. Der Spalt 42 wird in dieser Ausführung zwischen der Ankerplatte 16 und dem Kern 26 in der Halteendstellung ausgebildet, während die Ankerplatte am Joch 12 anliegt.
Als weiterer Unterschied ergibt sich lediglich die Anordnung des Federelementes im Stößel 6 anstatt im Anker 14. Die Funktionsweise ist identisch zu der oben Beschriebenen.
Aus Figur 3 ist zusätzlich eine Möglichkeit zur Anordnung des berührungslosen Magnetsensors 46 ersichtlich. Dieser ist auf einer Symmetrieachse 50 zwischen den beiden Stellelementen 2a, 2b angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass beide Stellelemente 2a, 2b über den Magnetsensor 46 überwacht bzw. deren Position detektiert werden kann. Zum Halten in der Endposition dienen hier jeweils vier kleine Stabmagnete 45 im Führungsgehäuseteil 30, im Bereich des Anschlags der Ankerplatte 16, wobei darauf zu achten ist, dass der jeweils zum Sensor 46 nächstgelegene Permanentmagnet 45a des ersten Stellelementes 2a eine entgegengesetzte Polarität zum nächstgelegenen Permanentmagnet 45b des zweiten Stellelementes 2b aufweist. Hierdurch ist aufgrund des Ausgangssignals des Sensors 46 eine Unterscheidung zwischen den beiden Stellelementen 2a, 2b möglich. Durch diese Anordnung entstehen vier unterschiedliche Signale für die vier anfahrbaren Stellungen des Aktuators, so dass eine eindeutige Zuordnung des Signals zur Stellung des Aktuators möglich ist.
Es wird deutlich, dass der beschriebene Aktuator einen geringen Stromverbrauch sowie durch die geringe mechanische Belastung des Magneten eine hohe Lebensdauer aufweist. Ein mögliches Lösen ohne zu große aufzubringende Stellkräfte wird ebenso sichergestellt wie eine ausreichende Anzugskraft durch den permanentmagnetischen Kreis vor Erreichen der Halteendstellung. Eine Haltekraft und eine Lagerückmeldung auch bei zwei Stellelementen in einem Gehäuse wird mit nur einem Sensor sichergestellt und ein ungewolltes Lösen verhindert. Des Weiteren besteht eine gute elektromagnetische Verträglichkeit.
Es sollte deutlich sein, dass konstruktive Änderungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Schutzbereich des Hauptanspruchs denkbar sind und eine Verwendung eines derartigen Aktuators auch in anderen Bereichen möglich ist. So wäre es beispielsweise möglich, eine Anziehungskraft zum Erreichen der Halteendstellung durch Bestromen der Spule zu erzeugen. Hierzu wäre die Stromrichtung im Vergleich zum Lösen des Stellelementes aus der Halteendstellung umzukehren. Dies würde zu einem das Permanentmagnetfeld verstärkenden Feld führen und somit ebenfalls ein Rückführen des Ankers in die Ausgangsposition unterstützen. Des Weiteren lassen sich unterschiedliche konstruktive Formen zur Verstärkung oder Schwächung der vorhandenen permanent- und elektromagnetischen Felder entwickeln.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Stellelement bestehend aus:
einem elektromagnetischen Kreis, der eine Spule, einen feststehenden Kern, einen beweglichen Anker und ein Joch aufweist, einem Stößel, welcher über den elektromagnetischen Kreis betätigbar ist und der mit dem Anker verbunden ist,
und einem permanentmagnetischem Kreis, der aus dem Joch, dem Kern, dem Anker und einem Permanentmagneten besteht, der den Anker in einer Halteendstellung im unbestromten Zustand des elektromagnetischen Kreises hält,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Permanentmagnet (32) ortsfest innerhalb des elektromagnetischen Kreises (4) angeordnet ist und Mittel (34, 40) zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien am permanentmagnetischen Kreis (8) ausgebildet sind.
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
als Mittel zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien der Permanentmagnet (32) axial zwischen dem Kern (26) und dem Joch (12) angeordnet ist und der Kern (26) und der Permanentmagnet (32) radial beabstandet vom Joch (12) angeordnet sind.
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anker (14) eine sich radial ersteckende Ankerplatte (16) aufweist.
4. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Bündelung der magnetischen Feldlinien durch einen am Joch (12) sich axial in Richtung zur Ankerplatte (16) erstreckenden Fortsatz (40) verringerter Dicke gebildet sind, der in der Halteendstellung die Ankerplatte (16) zumindest teilweise radial umgibt.
5. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anker (14) in seinem Innern einen Hohlraum (20) aufweist.
6. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Bündelung der magnetischen Feldlinien durch einen sich axial in Richtung zum Anker (14) erstreckenden Abschnitt (34) des Kerns (26) gebildet sind, der in der Halteendstellung in den Hohlraum (20) des Ankers (14) hineinragt.
7. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Hohlraum (20) des Ankers (14) ein Federelement (22) angeordnet ist, welches gegen einen im Innern des Ankers (14) oder des Stößels (6) ausgebildeten Absatz (24) und gegen den Kern (26) anliegt.
8. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ankerplatte (16) in der Halteendstellung beabstandet vom Joch (12) angeordnet ist.
9. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anker (14) in der Halteendstellung beabstandet vom Kern (26) angeordnet ist.
10. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Durchmesser des Permanentmagneten (32) größer ist als der freie Durchmesser im Innern des Spulenträgers (28) und der Permanentmagnet (32) am zum Stößel (6) abgewandten Ende der Spule (10) angeordnet ist.
11. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Gehäuse (44) eine Auflagefläche (48) für die Ankerplatte (16) in ihrer zweiten Endstellung ausgebildet ist, wobei in der Auflagefläche (48) zumindest ein zusätzlicher Permanentmagnet (45) ausgebildet ist.
12. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Gehäuse (44) des Aktuators ein berührungsloser Sensor (46) angeordnet ist, über den ein sich mit Bewegung des Ankers (14) veränderndes magnetisches Feld detektierbar ist.
13. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei Stellelemente (2a, 2b) nebeneinander im Gehäuse (44) angeordnet sind.
14. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf einer Symmetrieachse (50) der beiden Stellelemente (2a, 2b) im Gehäuse (44) der berührungslose Sensor (46) angeordnet ist, der mit beiden Stellelementen (2a, 2b) wirkverbunden ist, wobei jedem Stellelement (2a, 2b) je ein zusätzlicher Permanentmagnet (45a, 45b) zugeordnet ist, wobei die beiden Permanentmagnete (45a, 45b) entgegengesetzt polarisiert mit dem Sensor (46) wirkverbunden sind.
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