DE10038575A1

DE10038575A1 - Electromagnetic actuator

Info

Publication number: DE10038575A1
Application number: DE10038575A
Authority: DE
Inventors: Gerd Hoermansdoerfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2002-02-14
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: WO2002012684A1; DE10038575B4; AU2001287659A1

Abstract

The invention relates to an actuator which works in a translational manner with an electromagnetic drive, which may essentially be switched back and forth between two axial positions. An advantageous embodiment comprises using a permanent magnet as armature and a stator of two electromagnets. The actuator is preferably used for driving freely operating gas exchange valves in internal combustion engines.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine translatorisch arbeitende Stelleinrichtung mit elektro magnetischem Antrieb, welche im wesentlichen zwischen zwei axialen Positionen hin-und- her geschaltet werden kann. Derartige Stelleinrichtungen sind für die unterschiedlichsten Anwendungen geeignet.The invention relates to a translatory actuator with electro magnetic drive, which essentially reciprocates between two axial positions can be switched here. Such actuators are for the most varied Suitable applications.

Eine der möglichen Anwendungen betrifft den Antrieb von Ventilen, bei denen lediglich von einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position und umgekehrt hin-und-her geschaltet werden muss. In diesem Falle ist das Anfahren bestimmter Zwischenpositionen nicht erforderlich oder sogar unerwünscht.One of the possible applications concerns the actuation of valves, in which only of a closed position to an open position and vice versa back and forth must be switched. In this case the move to certain intermediate positions not required or even undesirable.

Derartige Ventile in Gestalt von Tellerventilen finden z. B. im Zylinderkopf von Brennkraft maschinen Verwendung. Bislang werden sie üblicherweise von rotierenden Nockenwellen gesteuert, wobei ohne zusätzliche Massnahmen die entsprechenden Steuerzeiten unverän derlich sind. Man hat schon lange erkannt, dass eine variable Steuerung dieser Ventile in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehzahl und leistungsmässigen Belastung einen deutlich effizienteren Betrieb von Brennkraftmaschinen ermöglichen würde. In der Folge wurden unterschiedliche Konzepte zur mechanischen Beeinflussung der Steuerzeiten entwickelt und in die Praxis umgesetzt. Die entsprechenden baulichen Ausführungen sind jedoch auf wendig und teuer. Ausserdem sind sie in ihrer freien Wählbarkeit der Schaltpunkte beschränkt. Zum Beispiel ist eine Zylinderabschaltung mit konstant geschlossenen Ventilen nicht möglich.Such valves in the form of poppet valves find z. B. in the cylinder head of internal combustion machine use. So far, they are usually rotating camshafts controlled, the corresponding tax times unchanged without additional measures are such. It has long been recognized that variable control of these valves in Dependence on the respective speed and performance load one clearly would allow more efficient operation of internal combustion engines. As a result developed and developed different concepts for mechanically influencing the timing put into practice. The corresponding structural designs are, however, on agile and expensive. In addition, they are freely selectable for the switching points limited. For example, a cylinder shutdown with constantly closed valves not possible.

Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, Ventilsteuerungen zu entwickeln, welche in ihrem Antrieb völlig losgelöst von der übrigen Mechanik arbeiten sollten. Hier lag der Gedanke nahe, auf einen elektrischen Antrieb zurückzugreifen. Insbesondere waren dabei Ventile mit elektromagnetischem Antrieb ins Auge gefasst. Obwohl derartige Überlegungen nun schon seit über dreissig Jahren angestellt werden, hat bislang eine entsprechende Technologie im Bereich z. B. des Kraftfahrzeugs nicht Einzug gefunden. Die Gründe hierzu mögen teilweise in den Arbeitsbedingungen liegen, welche durch höhere Temperaturen und die extrem schnellen Schaltzeiten gekennzeichnet sind. Immerhin beträgt bei einer Motordrehzahl von 6000 Umin^-1 die Zeitspanne der Ansaugbewegung eines Kolbens nur 5 Millisekunden. Demgemäss sind für derartige Ventile Öffnungs- bzw. Schliesszeiten im Bereich von 2,5 Millisekunden oder kürzer erforderlich.There has been no shortage of attempts to develop valve controls which should operate completely independently of the rest of the mechanics. Here the idea was obvious to use an electric drive. In particular, valves with an electromagnetic drive were considered. Although such considerations have been made for over thirty years, a corresponding technology in the area of z. B. the motor vehicle not found. Part of the reason for this may be the working conditions, which are characterized by higher temperatures and extremely fast switching times. After all, at an engine speed of 6000 rpm ^-1, the time span of the suction movement of a piston is only 5 milliseconds. Accordingly, opening and closing times in the range of 2.5 milliseconds or less are required for such valves.

Aus der DE-OS 30 24 109 ist eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung für Ventile bekannt, bei der ein weichmagnetischer Anker zwischen zwei Elektromagneten hin-und-her bewegbar ist. Der Anker hat die Form eines flachen Tellers, wobei dessen beidseitige Planflächen den jeweils ringförmigen Polflächen der Elektromagnete gegenüberstehen. Dabei ist der Anker zwischen zwei antiseriell angeordneten Schraubenfedern aufgehängt. Die zu Grunde liegende Idee beruht auf der Vorstellung, dass der Anker aus der Endlage nach Abschaltung des Erregerstroms der Spule des entsprechenden Elektromagneten aufgrund seiner Energie der Lage mittels der expandierenden Schraubenfeder beschleunigt wird und durch die sich aufbauende kinetische Energie bis in die Nähe des anderen Elektromagneten durchschwingt, so dass er mittels dieses Elektromagneten lediglich einge fangen werden muss. Aufbauend auf diesem grundlegenden Prinzip sind hunderte von Patentanmeldungen getätigt worden.From DE-OS 30 24 109 is an electromagnetic actuator for valves known in which a soft magnetic armature back and forth between two electromagnets is movable. The anchor has the shape of a flat plate, with its two-sided Flat surfaces face the respective annular pole faces of the electromagnets. The anchor is suspended between two antiserially arranged coil springs. The underlying idea is based on the idea that the anchor is out of the end position after switching off the excitation current of the coil of the corresponding electromagnet accelerated due to its location energy by means of the expanding coil spring and due to the kinetic energy that builds up close to the other Electromagnet swings through, so that it is only switched on by means of this electromagnet must be caught. Building on this basic principle are hundreds of Patent applications have been made.

Das oben vorgestellte Konzept ist mit einer Reihe von Problemen behaftet. Eines der Probleme betrifft die anschlagsmässige Überbestimmung des Systems in der geschlossenen Stellung des Ventils. Im Prinzip soll die Dichtfläche des Ventiltellers just in dem Moment auf der Dichtfläche des Sitzrings aufsitzen, in dem die obere Planfläche des Ankers an den Polschuhen des oberen Elektromagnets zur Anlage kommt. Dies ist jedoch technisch kaum realisierbar. Würde zum Beispiel der Anker zuerst anschlagen, so wäre eine total geschlos sene Position des Ventiltellers nicht erzielbar. Sitzt andererseits der Ventilteiler zuerst auf, verbleibt zwischen Anker und Elektromagnet ein Luftspalt, welcher einen höheren Erreger strom der Spule erfordert, um den Anker sicher zu halten. Die Situation ist deswegen schwer beherrschbar, weil aufgrund des breiten Arbeitstemperaturbereiches im Kraftfahr zeug z. B. zwischen -20 und +120°C die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bauteile ins Spiel kommen, so dass exakt definierte Spaltmasse schwer reali sierbar sind.The concept presented above has a number of problems. One of the Problems concern the predefined over-determination of the system in the closed Position of the valve. In principle, the sealing surface of the valve disk should open at that moment the sealing surface of the seat ring, in which the upper flat surface of the anchor rests on the Pole shoes of the upper electromagnet come to rest. However, this is hardly technical realizable. For example, if the anchor were to strike first, one would be totally closed position of the valve plate cannot be achieved. On the other hand, if the valve divider sits first, An air gap remains between the armature and the electromagnet, which is a higher exciter current of the coil is required to hold the armature securely. The situation is because of that difficult to control because of the wide working temperature range in motor vehicles stuff z. B. between -20 and + 120 ° C, the different expansion coefficients individual components come into play, so that precisely defined gap dimensions are difficult to achieve are sizable.

Die Funktionsweise des beschriebenen Systems stösst auch auf andere Art an ihre Grenzen, weil das herangezogene Masse-Feder-Kollektiv bestimmten Zwängen unterliegt. Wollte man z. B. die zu beschleunigenden Massen minimieren, um die Schaltzeit zu verkürzen, so sinkt auch die kinetische Energie und die Durchschwingung wird kleiner. Dann wird es schwierig, den Anker mittels des Elektromagneten in die Endlage zu ziehen. Mindestens müsste die Ansteuerleistung des Elektromagneten drastisch erhöht werden. Ähnliches gilt für den Fall der Verstärkung der Schraubenfedern. So oder so ist eine bestimmte Grenz frequenz des Systems nicht übersteigbar, so dass die Motordrehzahl dadurch beschränkt ist.The functioning of the system described also reaches its limits in other ways, because the mass-spring collective used is subject to certain constraints. Wanted to one z. B. minimize the masses to be accelerated to shorten the switching time, so the kinetic energy also decreases and the oscillation becomes smaller. Then it will difficult to pull the armature into the end position using the electromagnet. At least the drive power of the electromagnet would have to be increased drastically. The same applies in the case of reinforcement of the coil springs. Either way, there is a certain limit frequency of the system cannot be exceeded, so that the engine speed is limited is.

Ein anderer Nachteil des Systems ist das ständige Aufschlagen des Ankers auf die Pol flächen des Elektromagneten mindestens in der Endlage der Ventilöffnung. Hiermit ist Ver schleiss und eine unakzeptable Geräuschentwicklung verbunden.Another disadvantage of the system is the constant hitting of the anchor on the pole surfaces of the electromagnet at least in the end position of the valve opening. Herewith Ver wear and an unacceptable noise.

Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung einer elektromagnetisch arbeitenden Stell einrichtung ohne die oben beschriebenen Nachteile. Die verbesserte Stelleinrichtung sollte in ihrer Ansteuerung völlig frei programmierbar sein, extrem kurze Schaltzeiten bis in den Bereich von 2 Millisekunden und weniger bei kleinen Ansteuerleistungen erlauben, und daneben möglichst geräuscharm oder geräuschfrei arbeiten. Ausserdem war eine kom pakte Bauform gefordert, sowie eine Herstellbarkeit zu moderaten Kosten.There was therefore the task of creating an electromagnetic working position establishment without the disadvantages described above. The improved actuator should their control can be completely freely programmable, extremely short switching times down to Allow range of 2 milliseconds and less for small drive powers, and also work as quietly or as quietly as possible. In addition, there was a com compact design required, as well as manufacturability at moderate costs.

Die beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung durch Schaffung einer elektromag netisch arbeitenden Stelleinrichtung mit einem axial beweglichen Anker und mindestens einem ortsfesten Elektromagneten gelöst, deren jeweilige Polflächen in der Radialebene ausgerichtet sind und sich mit einem Luftspalt gegenüberstehen. Vorzugsweise ist dabei der Anker aus einem Permanentmagneten gebildet.The described object is achieved according to the invention by creating an electromag netisch working actuator with an axially movable armature and at least solved a fixed electromagnet, the respective pole faces in the radial plane are aligned and face each other with an air gap. Preferably, the Armature formed from a permanent magnet.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand der drei Zeichnungsfiguren näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with the aid of the three drawing figures become. Show it:

Fig. 1 Das schematische Ausführungsbeispiel einer integrierten Baueinheit aus einer erfin dungsgemässen Stelleinrichtung und einem Tellerventil. Fig. 1 The schematic embodiment of an integrated unit from an inventive device and a poppet valve.

Fig. 2 Das Schnittbild eines schematischen Ausführungsbeispiels eines Zylinderkopfes mit einer integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung und einem geschlossenen Tellerventil. Fig. 2 The sectional view of a schematic embodiment of a cylinder head with an integrated unit from an actuator according to the invention and a closed poppet valve.

Fig. 3 Das Schnittbild eines schematischen Ausführungsbeispiels eines Zylinderkopfes mit einer abgewandelten integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stell einrichtung und einem geöffneten Tellerventil. Fig. 3 The sectional view of a schematic embodiment of a cylinder head with a modified integrated unit from an inventive adjusting device and an open poppet.

Die Fig. 1 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel einer integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung und einem Tellerventil in einer teilweise geschnitten gezeichneten Darstellung. Zum besseren Verständnis wurde die Darstellung auf die wesentlichen Komponenten reduziert. Dabei wurden die Komponenten in jeweiligen Grössen gezeichnet, wie sie zum Beispiel für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs anwendbar wären. Für das eigentliche Tellerventil 1 wurden die Abmessungen auf einen Durchmesser des Tellers 2 von 34 mm, einen Durchmesser des Schaftes 3 von 7 mm und eine Gesamtlänge von 100 mm festgelegt. Auch die Länge der Ventilführung 5 entspricht mit 36 mm den in der Praxis vorkommenden Werten. Am oberen Ende des Ventilschaftes ist eine übliche Ringnut 4 angebracht. Das geschlossene Tellerventil liegt auf einem Sitzring 6 auf. Dem Tellerventil ist eine erfindungsgemässe Stelleinrichtung zugeordnet, welche durch einen doppelten Elektromagneten aus einem ortsfesten Stator 11 mit zwei Erreger spulen 15, 16, sowie einem mit dem Ventil verbundenen Aktuator aus einem Anker 7 und einem Ankerträger 10 gebildet ist. Der Ankerträger 10 ist im Bereich der Ringnut 4 mit dem Ventilschaft 3 fest verbunden, wobei die gezeigte Ausführung mehr schematisch zu verstehen ist. Hier sind verschiedene der bekannten Verbindungstechniken anwendbar, wie sie aus dem allgemeinen Motorenbau bekannt sind. Auf jeden Fall ist es günstig, den Ankerträger 10 aus einem möglichst leichten Werkstoff bzw. Kunststoff (z. B. einem tempe raturfesten Polyarylätherketon) herzustellen, um die zu beschleunigenden Massen klein zu halten. Der in dem Beispiel in U-Form vorgeschlagene Anker 7 ist aus magnetisierbarem Werkstoff gefertigt. Vorzugsweise ist er jedoch ein Permanentmagnet, dessen Polflächen 8, 9 entsprechend polarisiert sind. Demgemäss ist eine der Polflächen als Nord- und die andere als Südpol magnetisiert. Die beiden Polflächen des Ankers bestehen aus äusseren Zylinderflächen, welche radial nach aussen gegen die aus inneren Zylinderflächen bestehenden Polflächen 12, 13, 14 des Stators zeigen. Dabei sind die Polflächen des Ankers von den Polflächen des Stators durch einen Luftspalt getrennt. Fig. 1 shows a schematic exemplary embodiment of an integrated assembly of an inventive actuating device and a poppet valve in a partially cut-drawn representation. For better understanding, the presentation has been reduced to the essential components. The components were drawn in respective sizes, as would be applicable, for example, to the internal combustion engine of a motor vehicle. For the actual poppet valve 1 , the dimensions were set to a diameter of the plate 2 of 34 mm, a diameter of the stem 3 of 7 mm and a total length of 100 mm. At 36 mm, the length of the valve guide 5 also corresponds to the values that occur in practice. At the upper end of the valve stem, a conventional annular groove 4 is attached. The closed poppet valve rests on a seat ring 6 . The poppet valve is assigned an actuating device according to the invention, which coils 15 , 16 , and an actuator connected to the valve from an armature 7 and an armature carrier 10 are formed by a double electromagnet from a stationary stator 11 with two exciter. The armature carrier 10 is fixedly connected to the valve stem 3 in the region of the annular groove 4 , the embodiment shown being understood more schematically. Various of the known connection techniques can be used here, as are known from general engine construction. In any case, it is favorable to produce the anchor carrier 10 from the lightest possible material or plastic (e.g. a temperature-resistant polyaryl ether ketone) in order to keep the masses to be accelerated small. The anchor 7 proposed in the example in a U-shape is made of magnetizable material. However, it is preferably a permanent magnet, the pole faces 8 , 9 of which are appropriately polarized. Accordingly, one of the pole faces is magnetized as the north and the other as the south pole. The two pole faces of the armature consist of outer cylinder faces, which point radially outward against the pole faces 12 , 13 , 14 of the stator consisting of inner cylindrical faces. The pole faces of the armature are separated from the pole faces of the stator by an air gap.

Die dargestellte Stelleinrichtung ist für einen theoretischen Hub von 8 mm ausgelegt. Dem gegenüber ist der eigentliche Arbeitshub zwischen der geschlossenen bzw. offenen Stellung des Tellerventils reduziert, zum Beispiel auf 7 mm. Dadurch befindet sich bei Anliegen des Ventiltellers 2 am Sitzring 6 der Anker 7 gegenüber dem Stator 11 in einer geringfügig ausgelenkten Position, wodurch bei entsprechend erregter Spule 15 eine axiale Kraft auf das Ventil ausgeübt wird, welche als Schliesskraft des Tellerventils ausreichend ist.The actuating device shown is designed for a theoretical stroke of 8 mm. In contrast, the actual working stroke between the closed or open position of the poppet valve is reduced, for example to 7 mm. As a result, when the valve plate 2 is in contact with the seat ring 6, the armature 7 is in a slightly deflected position relative to the stator 11, as a result of which an axial force is exerted on the valve when the coil 15 is excited, which is sufficient as the closing force of the poppet valve.

Für den Fall, dass der Anker 7 aus einem weichmagnetischen Material besteht, wird das Ventil geschlossen gehalten, so lange die Spule 15 erregt wird. Zum Umschalten des Ventils in die geöffnete Stellung wird die Spule 15 ab- und die Spule 16 eingeschaltet. Der Anker 7 mitsamt dem Ventil 1 wird dann so weit nach unten gezogen, bis sich die Polflächen 8, 9 des Ankers mit den Polflächen 13, 14 des Stators gegenüber stehen. Bei senkrechter Anordnung des Systems wird es auf Grund der Schwerkraft dazu kommen, dass der Anker gegenüber den Polflächen des Stators geringfügig nach unten durchhängt. Dies ist jedoch kein prinzipieller Nachteil des Systems. Allerdings muss beachtet werden, dass bei einem Überschwingen des Ventils während seiner Bewegung oder bei einem Aus fall des Erregerstroms für die Spule ein dadurch verursachtes Durchsacken des Ventils unter Umständen zu einer Kollision mit dem Kolben der Brennkraftmaschine führen könnte.In the event that the armature 7 is made of a soft magnetic material, the valve is kept closed as long as the coil 15 is excited. To switch the valve into the open position, the coil 15 is switched off and the coil 16 is switched on. The armature 7 together with the valve 1 is then pulled down until the pole faces 8 , 9 of the armature face each other with the pole faces 13 , 14 of the stator. If the system is arranged vertically, gravity will cause the armature to sag slightly downward from the pole faces of the stator. However, this is not a fundamental disadvantage of the system. However, it must be noted that if the valve overshoots while it is moving or if the excitation current for the coil fails, a sagging of the valve caused thereby could possibly lead to a collision with the piston of the internal combustion engine.

Diese Gefahr kann z. B. durch die Integration eines Anschlags beseitigt werden, welcher während der normalen Funktion des Stellgliedes ohne Wirkung ist, oder durch den Einbau einer kleineren Stützfeder. Eine elegante Realisierung der Endlagendämpfung besteht in der Integration von Kavitäten (z. B. zylinderförmigen Ausnehmungen), welche in Form und Position so angeordnet sind, dass ein eintauchender Körper z. B. in Gestalt des Anker trägers 10 ein dort vorhandenes Fluid oder Gas verdrängt bzw. komprimiert. Eine derartige Ausführung arbeitet geräuscharm und verschleissfrei, und ist ausserdem zu gün stigen Kosten zu verwirklichen.This danger can e.g. B. can be eliminated by integrating a stop which has no effect during the normal operation of the actuator, or by installing a smaller support spring. An elegant realization of the end position damping consists in the integration of cavities (e.g. cylindrical recesses), which are arranged in shape and position in such a way that an immersing body, e.g. B. in the form of the anchor carrier 10 displaces or compresses an existing fluid or gas. Such an embodiment works quietly and wear-free, and can also be realized at reasonable costs.

Besonders vorteilhaft arbeitet die erfindungsgemässe Stelleinrichtung unter Verwendung eines Permanentmagneten (z. B. aus einer Eisen-Neodym-Bor-Legierung) als Anker. Dies ergibt sich aus der doppelten Nutzung des Stators durch Umpolung des Erregerstroms für die Spulen, weil dann von den Polflächen des Stators auch abstossend auf den Anker wirkende Kräfte mobilisiert werden können. Im konkreten Fall wird z. B. die obere Spule 15 mit einer geeigneten Polarität bestromt, um den Anker in der oberen Position zu halten. Zum Umschalten des Ventils wird die Polarität der Erregerspannung der oberen Spule umgepolt und wahlweise gleichzeitig oder zeitlich verzögert die untere Spule 16 polari tätsrichtig erregt. Vor Erreichen der unteren Endlage des Ventils kann der Erregerstrom der oberen Spule 15 abgeschaltet werden. Ein Bremseffekt z. B. zur Unterbindung des Über schwingens des Ventils kann dann auf elektrischem Wege entweder durch kurzzeitiges Beaufschlagen mit einem elektrischen Impuls umgekehrter Polarität bzw. durch eine Gene rator-Schaltung, oder durch Kurzschliessen der unteren Erregerspule 16 bewirkt werden. Im den beiden letzteren Fällen werden dabei durch die Bewegung des Ankers in der Spule Spannungen induziert, welche bei Anlegen einer externen Last zu entsprechenden Strömen führen und durch die aufzubringende elektrische Leistung die Ankerbewegung hemmen. Nach Erreichen der unteren Endlage des Ankers kann die untere Spule 16 wiederum eingeschaltet werden, um den Anker in dieser Position zu fixieren.The actuating device according to the invention works particularly advantageously using a permanent magnet (eg made of an iron-neodymium-boron alloy) as an anchor. This results from the double use of the stator by reversing the polarity of the excitation current for the coils, because then forces which act repulsively on the armature can also be mobilized by the pole faces of the stator. In the specific case z. B. the upper coil 15 is energized with a suitable polarity to hold the armature in the upper position. To switch the valve, the polarity of the excitation voltage of the upper coil is reversed and, optionally, at the same time or with a time delay, the lower coil 16 is energized correctly. Before the valve reaches the lower end position, the excitation current of the upper coil 15 can be switched off. A braking effect z. B. to prevent over-swinging of the valve can then be effected electrically either by briefly applying an electrical pulse of reversed polarity or by a generator circuit, or by short-circuiting the lower excitation coil 16 . In the latter two cases, voltages are induced by the movement of the armature in the coil, which lead to corresponding currents when an external load is applied and which inhibit the armature movement due to the electrical power to be applied. After reaching the lower end position of the armature, the lower coil 16 can be switched on again in order to fix the armature in this position.

Bei Verwendung eines Permanentmagneten als Anker muss sichergestellt sein, dass sich in der jeweiligen Endlage die Polflächen des Ankers relativ zu den Polflächen des Stators in einer geringfügig zur Mitte des Stators hin versetzten Position befinden, weil es im umgekehrten Fall bei der Mobilisierung der oben beschriebenen abstossenden Kräfte zu einem unerwünschten Wegdrängen des Ankers aus dem Stator hinaus kommen würde. In der geschlossenen Stellung des Ventils ist diese Forderung ohnehin erfüllt, wenn der Ventilteller auf dem Sitzring zur Auflage kommt, ehe das System aus Stator und Anker seine konvergierende Position erreicht hat. Für die geöffnete Stellung des Ventils ist diese Forderung z. B. in einfacher Weise durch Einbau einer kleineren Stützfeder zu erfüllen, welche in ihrer Federkraft so bemessen sein muss, dass sie zumindest geringfügig mehr als die Masse des insgesamt bewegten Systems kompensiert.When using a permanent magnet as an anchor, it must be ensured that in the respective end position, the pole faces of the armature relative to the pole faces of the stator in in a position slightly offset from the center of the stator because it is in the reverse case in mobilizing the repulsive forces described above an undesirable displacement of the armature would come out of the stator. In the closed position of the valve this requirement is met anyway if the Valve plate comes to rest on the seat ring before the stator and armature system has reached its converging position. This is for the open position of the valve Claim z. B. in a simple manner by installing a smaller support spring, which must be dimensioned in such a way that it is at least slightly more than compensated for the mass of the overall moving system.

Die Ansteuerungsbandbreite des erfindungsgemässen Systems unter Verwendung eines Permanentmagneten als Anker ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen unter-, normal-, und übererregbar sowie einzeln oder getrennt erregbar sind, wobei ihre jeweilige Polarität und die - auch getaktete - Erregungsdauer frei wählbar ist. Ausserdem können sie einzeln oder getrennt kurzgeschlossen oder zwecks Rückgewinnung von elektrischer Ener gie jeweils kurzzeitig als Generator geschaltet werden.The control bandwidth of the system according to the invention using a Permanent magnet as an armature is characterized in that the excitation coils are normal and overexcitable as well as individually or separately excitable, their respective Polarity and the - also clocked - duration of excitation is freely selectable. They can also individually or separately short-circuited or for the recovery of electrical energy be briefly switched as a generator.

Die in der Fig. 1 gezeigte Gestaltung des Ankers in U-Form ist als Permanentmagnet ohne weiteres herstellbar. Jedoch kann ein in seiner Funktion entsprechender Anker auch aus einzelnen Elementen z. B. in Gestalt zylindrischer Ringe zusammengefügt werden. Ebenso wird die Möglichkeit angeboten, mindestens einen einzelnen permanentmagnetischen Ring mit weichmagnetischen Polschuhen zu kombinieren. The design of the armature in U-shape shown in FIG. 1 can easily be produced as a permanent magnet. However, an anchor corresponding in its function can also consist of individual elements such. B. be assembled in the form of cylindrical rings. It is also possible to combine at least one single permanent magnetic ring with soft magnetic pole pieces.

Zur Erläuterung einer typischen Einbausituation der erfindungsgemässen Stelleinrichtung ist in Fig. 2 das Ensemble eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit dem aus Fig. 1 übernommenen Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei wurden insoweit die jeweiligen Bezugsziffern beibehalten, als die einzelnen Elemente identisch sind. Die Darstellung ist schematisch für eine Brennkraftmaschine mit zwei Ventilen pro Zylinder aufzufassen, wobei der Einfachheit halber nur ein einzelnes Ventil in senkrecht hängender Anordnung in Zylinderkopfmitte gezeigt wird. Im Prinzip besteht zwischen der Steuerung des Auslass ventils kein Unterschied zum Einlassventil. Bei modernen Brennkraftmaschinen wird eine V- förmige Anordnung der Ventile angestrebt sein, wobei auch eine so genannte Vierventil- Technik mit der vorgeschlagenen Stelleinrichtung problemlos realisierbar ist.To explain a typical installation situation of the actuating device according to the invention, FIG. 2 shows the ensemble of a cylinder head of an internal combustion engine with the exemplary embodiment adopted from FIG. 1. The respective reference numbers have been retained to the extent that the individual elements are identical. The illustration is to be understood schematically for an internal combustion engine with two valves per cylinder, for the sake of simplicity only a single valve in a vertically hanging arrangement in the center of the cylinder head is shown. In principle, there is no difference between the control of the exhaust valve and the intake valve. In modern internal combustion engines, a V-shaped arrangement of the valves will be sought, and so-called four-valve technology can also be implemented with the proposed adjusting device without any problems.

Der in Fig. 2 dargestellte Zylinderkopf 18 besitzt einen Strömungskanal 19 für das anzu saugende Gemisch oder das auszustossende Abgas, welcher im Bereich des einge schrumpften Sitzrings 6 endet. Das Ventil 1 liegt mit seinem Teller 2 auf, so dass der nicht gezeigte Brennraum gegen den Strömungskanal abgedichtet ist. Im Zylinderkopf sind Strö mungswege 20, 21, 22 für den Umlauf des flüssigen Kühlmittels gebildet. Die Führungs hülse 5 für das Ventil ist in den Zylinderkopf eingepresst. Ihr Innendurchmesser ist so dimensioniert, dass der Schaft 3 des Ventils darin leichtgängig hin-und-her bewegbar ist. Die erfindungsgemässe Stelleinrichtung ist koaxial zur Ventilachse angeordnet und auf einem geeigneten Sockel 17 montiert. Zum Schutz der Einheit ist eine Abdeckhaube 23 auf den Zylinderkopf aufgesetzt.The cylinder head 18 shown in Fig. 2 has a flow channel 19 for the mixture to be sucked or the exhaust gas to be exhausted, which ends in the region of the shrunk seat ring 6 . The valve 1 rests with its plate 2 , so that the combustion chamber, not shown, is sealed off from the flow channel. Flow paths 20 , 21 , 22 for the circulation of the liquid coolant are formed in the cylinder head. The guide sleeve 5 for the valve is pressed into the cylinder head. Its inside diameter is dimensioned such that the stem 3 of the valve can be moved back and forth easily. The actuating device according to the invention is arranged coaxially to the valve axis and mounted on a suitable base 17 . To protect the unit, a cover 23 is placed on the cylinder head.

Das in Fig. 2 gezeigte Beispiel wird in Fig. 3 nochmals aufgegriffen, um die Stelleinrichtung in geöffneter Ventilstellung zu zeigen und die Lage und Auswirkung einer verwendeten Kompensationsfeder zu erläutern. Auf die übernommenen Bauteile unter jeweils zur voran gehenden Figur identischen Bezugsziffern soll hier nicht weiter eingegangen werden. In dem Beispiel ist der Ventilteller 2 in geöffneter Position mit einem Abstand von etwa 7 mm vom Sitzring 6 abgehoben. Zwischen einer auf der Oberkante des Zylinderkopfes 18 befindlichen Lagerfläche und dem geringfügig abgewandelten Ankerträger 24 ist eine Kompensationsfeder 25 eingefügt, deren Federkraft so bemessen ist, dass das Gewicht der mit dem Ventil bewegten Massen geringfügig überkompensiert ist. Dadurch stehen sich im Erregungszustand der unteren Spule 16 die in Wirkverbindung stehenden Polflächen 8, 9 des permanentmagnetischen Ankers mit den Polflächen 13, 14 des Stators 11 nicht genau gegenüber. Sie sind wegen der leicht nach oben verschobenen Position des Ankers so gegeneinander versetzt, dass bei einem Umpolen der Erregerspannung für die untere Spule 16 und der daraus resultierenden abstossend auf den Anker wirkenden Kraft die korrekte Bewegungsrichtung des Ankers nach oben gesichert ist.The example shown in FIG. 2 is taken up again in FIG. 3 in order to show the actuating device in the open valve position and to explain the position and effect of a compensation spring used. The components adopted under identical reference numbers to the previous figure will not be discussed further here. In the example, the valve plate 2 is lifted from the seat ring 6 in the open position at a distance of approximately 7 mm. Between a bearing surface located on the upper edge of the cylinder head 18 and the slightly modified armature carrier 24 , a compensation spring 25 is inserted, the spring force of which is dimensioned such that the weight of the masses moved with the valve is slightly overcompensated. As a result, when the lower coil 16 is in the excited state, the pole faces 8 , 9 of the permanent-magnet armature, which are in operative connection, are not exactly opposed to the pole faces 13 , 14 of the stator 11 . Because of the slightly upward shifted position of the armature, they are offset from one another in such a way that if the excitation voltage for the lower coil 16 is reversed and the resulting repulsive force acting on the armature results in the correct upward movement direction of the armature.

Die mit der Erfindung vorgeschlagene Stelleinrichtung für translatorische Bewegungen mit quasi bistabiler Positionierung ist für zahlreiche Anwendungen geeignet. Besonders vorteil haft erscheint die Verwendung eines permanentmagnetischen Ankers. Ein Einsatz für die Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen verspricht Erfolg. Dazu müsste auf verfügbare Werkstoffe zurückgegriffen werden, um die extremen Einsatzbedingungen zu bewältigen, z. B. auf geeignete Eisen-Neodym-Bor- oder Kobalt-Samarium-Legierungen für den Perma nentmagneten, Wickeldraht mit Polyimid-Lack für die Spulen, Polyimid-Folien für die Spulenisolierung, oder z. B. ein Polyarylätherketon wie PEEK, PEK, PEKEK usw., bzw. Poly benzimidazol oder Polyimid für den Ankerträger. Vorteilhaft ist ferner die Verwendung leichter Ventilwerkstoffe wie z. B. Siliziumnitrid zur Reduzierung der bewegten Massen. Insgesamt ist mit einer derartigen Stelleinrichtung ein dauerhafter, störungsfreier und geräuscharmer Betrieb bei hoher Dynamik und einer völlig freien Programmierbarkeit im Kraftfahrzeug gewährleistet. Dadurch scheinen die Forderungen der Motorenbauer in hohem Masse erfüllt.The actuator proposed for the invention for translatory movements with quasi bistable positioning is suitable for numerous applications. Particularly advantageous the use of a permanent-magnetic armature appears to be particularly relevant. A commitment for the Valve control of internal combustion engines promises success. This would need to be available Materials are used to cope with the extreme operating conditions, z. B. on suitable iron-neodymium-boron or cobalt-samarium alloys for the perma Magnets, winding wire with polyimide varnish for the coils, polyimide foils for the Coil insulation, or z. B. a polyaryl ether ketone such as PEEK, PEK, PEKEK etc., or poly benzimidazole or polyimide for the anchor support. The use is also advantageous lighter valve materials such. B. silicon nitride to reduce the moving masses. Overall, with such an actuator is a permanent, trouble-free and low-noise operation with high dynamics and completely free programmability in the Motor vehicle guaranteed. As a result, the demands of engine builders seem in met to a high degree.

Claims

1. Electromagnetically operating actuating device for reciprocally movable elements, in particular poppet valves on displacement or internal combustion engines, best consisting of an axially movably guided actuator with a magnetizable armature and at least one electromagnet that is operatively connected to the actuator, the actuator using the excitation of the electromagnet from a stable position to another position is translationally movable and can be held there by means of the electromagnet, characterized in that the armature has at least one cylindrical pole face lying coaxially to its central axis, which surface has at least one cylindrical pole face of the electromagnet over an air gap faces.

2. Actuating device according to claim 1, characterized in that the anchor is arranged outside and its pole face or pole faces are cylindrical inner surfaces, and the electromagnet or the electromagnets are arranged on the inside and his or her their pole faces are cylindrical outer surfaces.

3. Adjusting device according to claim 1, characterized in that the anchor is arranged on the inside and its pole face or pole faces are cylindrical outer faces, and the electromagnet or the electromagnets are arranged on the outside and his or her their pole faces are cylindrical inner surfaces.

4. Setting device according to claims 2 or 3, characterized in that the Armature consists at least partially of a permanent magnet.

5. Setting device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the armature has two cylindrical pole faces.

6. Actuating device according to claims 4 or 5, characterized in that the armature 7 has two cylindrical pole faces 8 , 9 , one of which is magnetized as a north pole and the other as a south pole.

7. Actuating device according to claims 5 or 6, characterized in that the permanent magnetic armature 7 has a U-shape in section.

8. Adjusting device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electromagnet has two cylindrical pole faces.

9. Adjusting device according to one of claims 1 to 8, characterized in that two electromagnets are used.

10. Actuating device according to claim 9, characterized in that both electric magnets are integrated in a single stator 11 and have three cylindrical pole faces 12 , 13 , 14 .

11. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the excitation of the respective electromagnet via ring spooling takes place.

12. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the armature 7 is fastened on the stem 3 of a poppet valve 1 by means of a suitable carrier 10 , 24 .

13. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the actuator works in at least one working direction against a support spring 25 .

14. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the actuator in both directions against one Support spring works.

15. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the open position of a driven valve the pole faces of the armature using appropriate components (e.g. stop surface or spring) against the pole faces of the electromagnet in the axial direction against each other with a Distance are offset, which in the event of excitation of the armature repelling the armature magnets ensures the desired direction of movement of the actuator.

16. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the closed position of a driven valve the pole faces of the armature against the pole faces of the electromagnet in the axial direction are offset from each other by a distance which has a sufficient closing force of the valve against a sealing seat.

17. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least in the area of an end position of the actuator Attenuator is integrated.

18. Actuating device according to claim 15, characterized in that the damping member comprises a cavity at least partially filled with a fluid or gas, and a body immersed in this cavity, either the cavity or the Body is assigned to the actuator, and when immersing the body in the cavity Fluid or gas is compressed or at least partially displaced.

19. Use of an actuator according to one or more of the aforementioned Claims for the gas exchange control of an internal combustion engine.

20. A method for controlling an actuator designed according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electrical control of the single or more coils in the form of a program is processed along a time axis in order to achieve a desired movement sequence or movement behavior, the program is selected from the following operating states:

- underexcitation
- normal excitation
- overexcitation
- polarity A
- polarity B
- permanent excitation
- pulse excitation
- Separate arousal
- Common arousal
- Short circuit or output load.

21. Method for operating one according to one or more of the aforementioned Claims designed actuator, characterized in that in selected time Lichen moments a generator circuit is used, preferably for recovery electrical energy.