DE10125767C1 - Gaswechselventilantrieb für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor - Google Patents
Gaswechselventilantrieb für einen ventilgesteuerten VerbrennungsmotorInfo
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Abstract
Der Gaswechselventilantrieb für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor hat einen mit einem Ventilglied zu koppelnden hohlzylindrischen Läufer und einen Ständer, wobei der Läufer konzentrisch übereinander angeordnete, dauermagnetische Ringe aufweist, der Ständer zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material aufgebaut ist und zumindest einen dem Läufer zugewandten Zahn aufweist, der Ständer einen radial innen liegenden magnetisch leitenden Bereich und einen radial außen liegenden magnetisch leitenden Bereich aufweist, wobei die Ringe des Läufers zwischen dem innen liegenden Bereich und dem außen liegenden Bereich des Ständers angeordnet sind, und der außen liegende Bereich des Ständers zumindest in einem Teilabschnitt eine C-förmige Querschnittsgestalt hat und zumindest eine Ständerspule aufweist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaswechselventil
antrieb für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor. Ins
besondere betrifft die Erfindung ein Gaswechselventil, bei
dem die Hin- und Herbewegung des Ventilgliedes nicht durch
eine Nockenwelle bewirkt und gesteuert wird. Vielmehr wird
bei dem erfindungsgemäßen Gaswechselventil das Ventilglied
elektrisch betätigt.
Eine derartige elektrisch betätigte Ventilanordnung ist aus
den japanischen Veröffentlichungen JP 5-312.013 A sowie
JP-Abstract 5-312.013 bekannt. Diese zeigen einen Gaswech
selventilantrieb mit zylindrischen Magnetelementen, die je
weils einen magnetischen Pol an ihrem äußeren Umfang auf
weisen, übereinander und als beweglicher Magnet mit einem
Elektromagnetventil angeordnet sind. Eine Vielzahl eben
falls übereinander angeordneter sattelförmiger Feldspulen
sind konzentrisch um den halben Umfang der Magnetelemente
unter Bildung eines Luftspaltes gewickelt. Um das Elektro
magnetventil zu betätigen werden die Feldspulen entspre
chend mit elektrischem Strom beschickt.
Mit diesem bekannten Gaswechselventil können der in Ver
brennungsmotoren erforderliche Hub, Schub und die Dynamik
bei ausreichend kompaktem Aufbau und hoher Zuverlässigkeit
für den Gross-Serien-Einsatz in KFZ-Motoren nicht erreicht
werden.
Zur Behebung dieser Nachteile lehrt die Erfindung einen
Gaswechselventilantrieb für einen ventilgesteuerten Ver
brennungsmotor mit einem elektrischen Linearmotor als Ak
tuator für ein Ventilglied, der durch die Merkmale des An
spruchs 1 definiert ist.
Erfindungsgemäß hat der Gaswechselventilantrieb für einen
ventilgesteuerten Verbrennungsmotor einen mit einem Ventil
glied zu koppelnden hohlzylindrischen Läufer und einen
Ständer, wobei der Läufer konzentrisch übereinander ange
ordnete, dauermagnetische Ringe aufweist, der Ständer zu
mindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material auf
gebaut ist und zumindest einen dem Läufer zugewandten Zahn
aufweist, der Ständer einen radial innen liegenden magne
tisch leitenden Bereich und einen radial außen liegenden
magnetisch leitenden Bereich aufweist, wobei die Ringe des
Läufers zwischen dem innen liegenden Bereich und dem außen
liegenden Bereich des Ständers angeordnet sind, und der au
ßen liegende Bereich des Ständers zumindest in einem Teil
abschnitt eine C-förmige Querschnittsgestalt hat und zumin
dest eine Ständerspule aufweist.
Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept besteht darin,
den die Ankerdurchflutung bewirkenden Teil des Ständers,
nämlich den Spulenbereich mit der Ständerspule, räumlich aus
dem die Kraft des Linearmotors bildenden Teil, nämlich dem
Zahnbereich des Ständers, "herauszulösen". Damit kann im
Vergleich zu herkömmlichen Linearmotoren, bei denen die
Ständerspulen jeweils zwischen zwei Zähnen des Ständers an
geordnet sind, eine erheblich höhere Ankerdurchflutung er
reicht werden. Die liegt daran, daß die Spule durch die er
findungsgemäße Gestaltung erheblich weniger räumliche Ein
schränkungen hat und so auf minimale (ohmsche) Verluste -
und damit einhergehende maximale Magnetfeldinduktion - op
timiert werden kann. Durch die Abmessungen der dauermagne
tischen Ringe in der Bewegungsrichtung des Läufers bzw. die
Abmessungen eines Zahns des Ständers in der Bewegungsrich
tung des Läufers ist eine Polteilung definiert, die kleiner
ist als die Abmessung der Ständerspule in deren Längsrich
tung.
Gleichermaßen werden die Kraft bzw. Bewegung hervorrufenden
Läufermagnetpol/Ständerzahn-Anordnungen konzentriert, so
daß diese nicht durch Ständerspulen unterbrochen sind. Dies
erlaubt eine sehr kleine Polteilung, welche wiederum eine
hohe Kraftdichte bewirkt. Außerdem sind mit der erfindungs
gemäßen Anordnung Teilhübe des Ventilgliedes möglich. Damit
kann bei einem mit den erfindungsgemäßen Gaswechselventi
lantrieben ausgestatteten Verbrennungsmotor auf eine Dros
selklappe bei der Zumessung des Luft-Kraftstoff-Gemisches
und deren zugehörige Ansteuerung verzichtet werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird in den C-
förmigen Jochen des außen liegenden Bereiches des Ständers
durch die dort angeordnete(n) Ständerspule(n) magnetischer
Fluß in den Ständer induziert und fließt von den radialen
Abschnitten der C-förmigen Joche über den ringförmigen
Luftspalt, in dem die hohlzylindrischen Dauermagneten ange
ordnet sind, in den innen liegenden (zylindrisch geformten)
Bereich des Ständers. Von dem innen liegenden Bereich des
Ständers dort schließt sich der magnetische Kreis wieder in
Richtung der C-förmigen Joche des außen liegenden Bereiches
des Ständers.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Gaswechselventilantriebs besteht darin, daß praktisch nur
die magnetisch wirksamen Komponenten (die Dauermagnete) zur
trägen Masse des Läufers beitragen, während alle anderen
Teile des Motors (Spulen, magnetischer Rückschluß, etc.)
dem Ständer zugeordnet sind. Damit kann ein besonders hohes
Verhältnis von durch den Motor ausgeübter Kraft zu träger
Masse erzielt werden. Außerdem ist der erfindungsgemäße
Gaswechselventilantrieb hervorragend geeignet, in schnell
laufenden Verbrennungsmotoren eingesetzt zu werden. Dabei
kann insbesondere das Annähern des Ventilgliedes an die
Endpositionen (Offen- oder Geschlossen-Stellung des Gas
wechselventils) die Geschwindigkeit des Läufers mit hohen
Beschleunigungsänderungen erfolgen, so daß das Auftreffen
des Ventilgliedes im Ventilsitz mit minimaler Geschwindig
keit erfolgt, während das Ventilglied im übrigen mit sehr
hohen Geschwindigkeiten bewegt wird. Außerdem steht in den
Endbereichen des Bewegungsverlaufs die maximale Kraft zur
Verfügung. Dies erlaubt einen sehr geräusch- und ver
schleißarmen, und wegen der erzielbaren hohen Haltekräfte
in den Endstellungen gleichzeitig sehr sicheren Betrieb der
Gaswechselventile.
Da bei dem erfindungsgemäßen Gaswechselventilantrieb mehre
re hintereinander geschaltete, einzeln ansteuerbare einpha
sige Motoren vorgesehen sein können, kann die insgesamt er
zeugte Kraft entlang des Hubweges des Ventilgliedes genau
auf die jeweils erforderliche Kraft eingestellt werden.
Hierbei ist zu beachten, daß der erfindungsgemäße Gaswech
selventilantrieb in der Regel einphasig zu betreiben ist.
Es ist jedoch auch möglich, die Ständerspulen einzelnen
über einander angeordneten Motoren mehrphasig zu betreiben.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es nicht erforder
lich, das Ventilglied mit erheblicher kinetischer Energie
zu beaufschlagen, damit dieses seine Endstellung einnimmt.
Dies bedeutet, daß die Beschleunigung der Verzögerung wäh
rend der Bewegung des Ventilgliedes gleichmäßig ist.
Durch die sehr einfach gestaltbare (einphasige und zylin
drische) Anordnung der Ständerspule ist es möglich, die auf
die Spule wirkenden Rüttelkräfte gering zu halten, so daß
Vibrationen der Spule oder Reibung der Spule an der Wandung
der Ständerspulenkammer gering sind. Damit ist es möglich,
mit minimalem Isolationsmaterial bzw. Auskleidungsmaterial
der Ständerspulenkammer auszukommen. Auch dies trägt zur
Kompaktheit und Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung bei.
Außerdem bewirkt dies eine hohe Leistungsdichte auch bei
kleinen Gaswechselventilen, da der Füllfaktor der Ständer
spulenkammer (Spulenvolumen in der Ständerspulenkammer be
zogen auf das Gesamtvolumen der Ständerspulenkammer) hoch
ist.
Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines Gaswechselventi
lantriebs, bei dem die wenigstens eine Spule über ihre ge
samte Erstreckung zur effektiven Kraftbildung in dem Line
armotor beiträgt. Dies bedeutet, daß die Spule keine Wic
kelköpfe aufweist, wie dies bei herkömmlichen Motoren der
Fall ist. Der Grund dafür ist, daß die Spule vollständig in
den Wickelkammern aufgenommen ist und die Spule nicht über
die Zähne des Ständers hinausragt.
Damit stellt der Gaswechselventilantrieb gemäß der Erfin
dung einen Aktuator dar, der gegenüber einem herkömmlichen
Motor erheblich weniger Kupfer(-Spulenmasse) zur Erzeugung
eines vergleichbaren Kraft/Weg-Profils aufweist.
Vorzugsweise ist der Spulenbereich in Bewegungsrichtung des
Läufers größer als der Abstand zwischen zwei benachbart an
geordneten Zähnen des Ständers.
Der Ständer kann in bekannter Weise aus Elektroblechteilen
aufgebaut sein. Es ist aus Vereinfachung der Herstellung
jedoch auch möglich, ihn als einen weichmagnetischen Form
körper, vorzugsweise aus gepreßtem und/oder gesintertem Me
tallpulver zu gestalten.
Um die Sättigungsinduktion des Ständers zu erhöhen ist es
auch vorteilhaft, wenn der weichmagnetische Formkörper des
Ständers in seinem Inneren wenigstens einen Kern mit Ko
balt-haltigem Eisen aufweist, der vorzugsweise als
Blechwickel ausgestaltet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Läufer ein
Wegsensor zur Erfassung des Hubes des Ventilgliedes zuge
ordnet. Dies kann zum Beispiel ein Interferometer oder ein
induktiver Sensor mit Trägerfrequenz sein. Dies ist insbe
sondere deshalb vorteilhaft, weil mit dem erfindungsgemäßen
Aktuator auch Teilhübe, (d. h. Zwischenstellungen zwischen
Offen und Geschlossen) der Ventilanordnung möglich sind.
Dieser Teilhub kann über den Sensor erfaßt bzw. kontrol
liert werden.
Der Läufer ist zumindest teilweise durch einen magnetischen
Rückschlußkörper des Ständers umgeben. Dabei kann die Spule
des Ständers entweder an dem Ständer oder in dem Rück
schlußkörper angeordnet sein.
Die magnetisch abwechselnd orientierten Dauermagnet-Ringe
können zusätzlich durch magnetisch nicht wirksame Abstands
halter in einem vorbestimmten Abstand zueinander gehalten
sind. Damit kann die träge Masse des Läufers gering gehal
ten werden.
Schließlich betrifft die Erfindung einen Verbren
nungsmotor mit wenigstens einem Verbrennungszylinder, mit
wenigstens einem Gaswechselventilantrieb für Ein- oder Aus
laßventile mit einem oder mehreren der vorstehenden Merkma
le.
Aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Gaswechselven
tilantriebs ergeben sich folgende Eigenschaften:
- - Hohe Antriebsdynamik bei niedriger Leistungsaufnahme.
- - Eine Federanordnung zum Ausgleich von durch bewegte Mas sen hervorgerufenen Kräften ist nicht erforderlich um bei einer Masse des Ventilgliedes von etwa 30-70 Gramm, einem Ventilhub von etwa 5-10 mm und einer Drehzahl eines Vier zylinder-Verbrennungsmotors von mindestens etwa 6000 U/min einen End-Positionswechsel (von Offen nach Geschlossen oder umgekehrt) des Ventilgliedes von weniger als 1,5 Millise kunden bei einer mittleren Leistungsaufnahme über zwei vollständige Kurbelwellenumdrehungen von weniger als etwa 100 Watt zu realisieren.
- - In den jeweiligen End-Positionen des Ventilgliedes sind nur geringe Halteströme erforderlich um das Ventilglied si cher in der jeweiligen Stellung zu halten.
- - Da auf eine Federanordnung verzichtet wird (siehe oben) entfallen sonst notwendige Einschwingvorgänge des Ventil gliedes. Dies verringert die Dauer des Stellvorgangs.
- - Durch den erfindungsgemäßen Aktuator kann das Ventilglied praktisch aus jeder momentanen Lage präzise in jede belie bige Stellung gebracht werden. Dies gilt insbesondere für die End-Positionen, die sehr genau von dem Ventilglied an gefahren werden können. Damit kann - mit einer entsprechen den elektronischen Ansteuerung der Spule(n) ein Auftreffen des Ventilgliedes in seinem Ventilsitz mit weniger als 40 mm/sec sichergestellt werden. Dies hält den Verschleiß und die Geräuschentwicklung der Ventilanordnung im Betrieb sehr gering.
- - Das Ventilglied kann - obwohl mit dem Läufer starr ver bunden - gegenüber seinem Ventilsitz um seine Bewegungsach se rotierbar aufgenommen sein, so daß ein punktueller Ver schleiß des Ventilgliedes oder des Ventilsitzes verhindert wird.
- - Durch die hohe Leistungsdichte der erfindungsgemäßen An ordnung können die Querabmessungen (Durchmesser) des Gas wechselventils mit den notwendigen Leistungsdaten sehr klein gehalten werden. Dies erlaubt den Einsatz in kompak ten Pkw-Motoren.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Ab
wandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehen
den Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügte Zeich
nung Bezug genommen ist.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines Gaswechsel
ventilantriebs für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmo
tor schematisch im Längsschnitt veranschaulicht.
In Fig. 2a ist eine zweite Ausführungsform eines Gaswech
selventilantriebs für einen ventilgesteuerten Verbrennungs
motor schematisch im Längsschnitt veranschaulicht.
In Fig. 2b ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II
in der Ausführungsform nach Fig. 2a veranschaulicht.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines elektrischen
Linearmotors 10 veranschaulicht, der bei der erfindungsge
mäßen Ventilanordnung als Aktuator für ein Ventilglied 12
dient, dessen zugehöriger Ventilsitz 12a nur schematisch
veranschaulicht ist. Der Linearmotor 10 hat einen mit dem
Ventilglied 12 über eine Stange 14 gekoppelten Läufer 16
und einen Ständer 18.
Der Ständer 18 ist bei dieser Ausführungsform als weichma
gnetischer Formkörper aus gesintertem Eisen-Metallpulver
gebildet. Dabei ist der Formkörper funktionell in einen
Zahnbereich 18a und einen dem Zahnbereich 18a benach
barten aber von ihm getrennten Spulenbereich 18b unter
teilt.
Der Zahnbereich 18a des Ständers 18 hat an seinem Umfang
zwei dem Läufer 16 zugewandte Zähne 22 mit einer geschlossenen
Mantelfläche. Im vorliegenden Beispiel mit in der
Draufsicht kreisrunden Formkörpern haben die einzelnen Zäh
ne 22 eine kreiszylindrische Mantelfläche. Es ist jedoch
auch möglich, ovale Formkörper oder Formkörper mit polygo
naler Gestalt zum Aufbau des Ständers 18 zu verwenden.
Die beiden Zähne 22 des Ständers 18 begrenzen zwischen sich
eine parallel zu den Zähnen 22 verlaufende Ringnut 24, de
ren Abmessung bei der vorliegenden Ausführungsform in der
Bewegungsrichtung B des Läufers 16 der Abmessung der beiden
Zähne 22 entspricht. Es ist jedoch auch möglich, diesen Ab
stand gegenüber der Abmessung der Zähne 22 in der Bewe
gungsrichtung B des Läufers 16 zu variieren. Dies erfordert
jedoch auch entsprechende Ausgestaltung der Magnetringe 30
des Läufers 16, da die Periodizität der Magnetringe 30 des
Läufers 16 gleich der Periodizität der Zähne 22 bzw. deren
zwischenliegenden Ringnuten 24 am Ständer 18 sein muß.
An den Zahnbereich 18a angrenzend weist der Ständer 18 den
Spulenbereich 18b auf, der eine zur Außenseite hin offene
Ständerspulenkammer 26 hat, in der eine zur Mittellängsach
se des Ständers 18 konzentrische Ständer-Spule 28 angeord
net ist. Die Ständer-Spule 28 ist zum Erzielen eines mög
lichst hohen Füllfaktors als Kupferbandspule ausgeführt.
Die Art der Verschaltung der einzelnen Spulen 28 bzw. deren
zeitlich gesteuertes Beaufschlagen mit elektrischem Strom
ist von der gewünschten Art des Motors (Ein- oder Mehrpha
senmotor) abhängig, wobei eine einphasige Betriebsweise
einfacher und daher zu bevorzugen ist.
Da jede Spule 28 über ihre gesamte Erstreckung in der Stän
derspulenkammer 26 angeordnet ist, trägt sie auch über ihre
gesamte Länge zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmo
tor bei.
In der gezeigten Anordnung ist der Läufer 16 ein Hohlzylin
der, der Magnetringe 30 aus dauermagnetischem Material (zum
Beispiel Samarium-Cobalt) aufweist. Die einzelnen Magnetringe
30 sind konzentrisch übereinander angeordnet, wobei
die magnetische Orientierung der Magnetringe abwechselnd
radial orientiert ist und die Ringe in ihren Abmessungen so
gestaltet ist, daß in einer vorbestimmten Stellung des Läu
fers 16 zwei Zähne 22 eines Ständers 18 jeweils mit einem
Magnetring 30 mit gleicher magnetischer Orientierung fluch
ten.
Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Magnetringen 30 können
zur Verringerung der trägen Masse des Läufers 16 auch ma
gnetisch nicht wirksame hohlzylindrische Distanzhalter aus
Kunststoff, zum Beispiel aus kohlefaserverstärktem Kunst
stoff eingefügt sein. Die aneinander anliegenden Dauerma
gnet-Ringe und die magnetisch nicht wirksamen Hohlzylinder
sind fest mit einander verbunden. Mit anderen Worten befin
den sich im beweglichen Teil des Motors (dem Läufer) keine den
Magnetfluß leitenden Teile (zum Beispiel Fluss-Leitstücke),
sondern nur Dauermagnete, die stets optimal im magnetischen
Feld angeordnet sind. Diese Anordnung hat auch den Vorteil
einer Gewichtseinsparung. Sofern radial orientierte Ring
scheiben aus dauermagnetischem Material nicht die ausrei
chende magnetische Feldstärke erzeugen können, ist es er
findungsgemäß auch möglich, Ringscheibensegmente aus Dauer
magneten so zusammenzusetzen, daß ein radial (von innen
nach außen oder umgekehrt) gerichtetes Magnetfeld quer zur
Bewegungsrichtungrichtung des Läufers entsteht.
An dem Läufer 16 ist ein Weg-Geber 32 angeordnet, der mit
einer entsprechenden Sonde 34 abgetastet wird.
Als magnetischer Rückschluß ist als Teil des Ständers ein
hohlzylindrisches Rohr 40 vorgesehen, das an seinem einen
Endbereich zwei radial nach innen reichende Zähne 42 auf
weist, die in zusammengebautem Zustand des Ständers 18 mit
den Zähnen 22 des Ständers 18 fluchten. An seinem anderen
Endbereich schließt das hohlzylindrische Rohr 40 mit der
äußeren Einfassung des Spulenbereichs 18b an.
In der Fig. 1 sind zwei übereinander angeordnete Ständer 18
gezeigt, die von einem gemeinsamen Läufer 16 durchdrungen
sind. Damit ist es möglich, bei entsprechender Ansteuerun
gen der beiden Spulen der beiden Ständer 18 einen zweipha
sigen Linearantrieb zu realisieren.
Anstatt oder zusätzlich zu der Anordnung der Spule an dem
Außenumfang des Spulenbereichs 18b, ist es auch möglich,
die Spulen an dem radial außen liegenden Abschnitt des ma
gnetischen Rückschlusses 40 anzuordnen. Dies ist im Zusam
menhang mit der in den Fig. 2a und 2b veranschaulichten Ausführungsform
nachstehend erläutert.
Hierbei sind im Vergleich zu Fig. 1 gleiche oder gleichwir
kende Komponenten mit übereinstimmenden Bezugszeichen ver
sehen.
Fig. 2a zeigt einen Gaswechselventilantrieb mit einem Stän
der 18 und einem hohlzylindrischen Läufer 16, der aus kon
zentrisch übereinander angeordneten dauermagnetischen Rin
gen 30 mit abwechselnden Magnetorientierungen aufgebaut
ist.
Der Ständer 18 ist im wesentlichen aus einem weichmagneti
schen Material aufgebaut mit einen radial innen liegenden
magnetisch leitenden Bereich 50 und einen radial außen lie
genden magnetisch leitenden Bereich 52. Die Magnetringe 30
des Läufers 16 sind in dem Luftspalt zwischen dem innen
liegenden Bereich 50 und dem außen liegenden Bereich 52 des
Ständers 18 angeordnet.
Der innen liegende Bereich 50 und der außen liegende Be
reich 52 haben jeweils zwei miteinander fluchtende dem Läu
fer 16 zugewandte Zähne 22, die durch eine Ringnut 24 von
einander getrennt sind und auch jeweils mit einem der Ma
gnetringe 30 des Läufers 16 fluchten. Die erfindungsgemäße
Anordnung ist auch mit jeweils nur einem Zahn 22 an dem in
nen liegenden Bereich 50 und dem außen liegenden Bereich 52
funktionsfähig, die jeweils mit einem der Magnetringe 30
des Läufers fluchten. Weiterhin funktioniert die erfin
dungsgemäße Anordnung auch, wenn nur an dem innen
liegenden Bereich 50 oder an dem außen liegenden Bereich 52
ein Zahn 22 ausgeformt ist, der mit einem der Magnetringe
30 des Läufers fluchtet.
Auch bei dieser in Fig. 2a veranschaulichten Ausführungsform
können jeweils zwei benachbarte Ringe 30 des Läufers 16
durch magnetisch nicht wirksame Abstandshalter in einem
vorbestimmten Abstand zueinander gehalten sein.
In gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1
ist hier die Spule des Ständers 18 größer als der Abstand
zwischen zwei benachbart angeordneten Zähnen 22 des Stän
ders 18.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen der Ausführungsform
nach Fig. 1 und der Ausführungsform nach Fig. 2a besteht
darin, daß bei Fig. 2a die Ständerspule nicht nur wie bei
Fig. 1 den radial innen liegenden Bereich des Ständers koa
xial umgibt. Hierzu ist der radial außen liegende Bereich
52 des Ständers 18 als zwei einander radial gegenüberliegen
de Teilabschnitte 54 im Querschnitt C-förmig gestaltet.
Jeder der C-förmigen Teilabschnitte 54 hat zwei in Bewe
gungsrichtung B des Läufers 16 voneinander beabstandete ra
dial orientierte Schenkel 56, 58. Die jeweiligen radial
orientierten Schenkel 56, 58 sind durch ein im wesentlichen
in Bewegungsrichtung B des Läufers 16 orientiertes Verbin
dungsjoch 60 miteinander verbunden. Jedes der Verbindungs
joche 60 trägt eine Ständerspule 28. Nicht veranschaulicht,
aber erfindungsgemäß ebenfalls möglich ist es, zusätzlich
oder anstelle der parallel zur Bewegungsrichtung des Läu
fers 16 orientierten, gezeigten Ständerspulen 28 radial
orientierte Ständerspulen an den radialen Schenkeln 56, 58
vorzusehen.
Der besseren Übersicht wegen sind die Ständerspulen 28 nur
in der oberen Motoreinheit in Fig. 2a eingezeichnet, wäh
rend sie bei der unteren Motoreinheit in Fig. 2a weggelas
sen sind.
Der Ständer 18 mit seinen radial inneren und seinen radial
äußeren Bereichen ist ein weichmagnetischer Formkörper aus
gepreßtem und gesintertem Metallpulver. Im radial innen
liegenden Bereich des Ständers ist in Richtung des magneti
schen Flusses und längs der Bewegungsrichtung des Läufers
ein gewickelter Blech-Kern 62 mit Kobalt-haltigem Eisen in
das Metallpulver des Formkörpers vor dem Pressen und Sin
tern eingebracht. In gleicher Weise können, falls dies er
forderlich ist, in dem radial außen liegenden Teil des
Ständers 18 in Richtung des magnetischen Flusses gewickelte
Blech-Kerne mit Kobalt-haltigem Eisen eingebracht sein.
Sofern die geometrischen Verhältnisse es zulassen, ist es
auch möglich, wie in Fig. 2a in der oberen Motoreinheit ge
zeigt, den radial innen liegenden Bereich 50 des Ständers
18 ebenfalls mit einer Ständerspule 28 zylindrisch zu umge
ben. In diesem Fall addieren sich die von den Ständerspulen
induzierten magnetischen Flüsse bei gleichphasiger Ansteue
rung.
Wie in Fig. 2b gezeigt, sind an dem radial außen liegenden
Teil des Ständers 18 entlang seines Umfangs
verteilt zwei Teilabschnitte 54 mit jeweils einer Ständer
spule 28 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, mehr als
zwei der im Querschnitt C-förmig gestalteten Teilabschnitte
54 mit entsprechenden Ständerspulen entlang des Umfangs des
Ständers 18 zu verteilen.
Weiterhin ist in Fig. 2a eine Brems- und Halte-Einrichtung
für den Läufer 16 in seiner unteren Endstellung (also der
Offen-Stellung) veranschaulicht. Hierzu ist ein die Ringe
30 des Läufers 16 umgebender oder von diesen umgebener Ma
gnetring 70 mit radialer Magnetorientierung im Bereich eines
jeweiligen Anschlages des Läufers 16 ortsfest angeord
net. Dabei ist der Magnetring 70 bezogen auf die Bewegungs
richtung des Läufers 16 und insbesondere bezogen auf die
Endstellung des unteren Rings 30 des Läufers 16 so angeord
net ist, daß der unterste Ring 30 des Läufers 16 sich voll
ständig an dem Magnetring 70 vorbeibewegen kann, bevor er
den unteren Anschlag erreicht. Die Magnetorientierung des
Magnetrings 70 und des unteren Rings 30 des Läufers ist so
gewählt, daß zum Beispiel beide Ringe magnetische N-Pole
sind, die aufeinander zu gerichtet sind. Es versteht sich,
daß eine derartige Brems- und Halteeinrichtung für den Läu
fer 16 auch an der oberen Endstellung vorgesehen werden
kann und auch in der Ausführungsform nach Fig. 1 einsetzbar
ist.
Die erläuterten Ausführungsformen eignen sich besonders,
den geforderten Hub von max. etwa 20 mm mit der erforderli
chen Dynamik in dem zur Verfügung stehenden relativ schma
len Bauraum zu realisieren.
Claims (16)
1. Gaswechselventilantrieb für einen ventilgesteuerten
Verbrennungsmotor, mit einem mit einem Ventilglied (12) zu koppelnden hohlzylin
drischen Läufer (16) und einem Ständer (18), wobei
der Läufer (16) konzentrisch übereinander angeordnete, dauermagnetische Ringe (30) aufweist,
der Ständer (18) zumindest teilweise aus einem weichma gnetischen Material aufgebaut ist und zumindest einen dem Läufer (16) zugewandten Zahn (22) aufweist,
der Ständer (18) einen radial innen liegenden magnetisch leitenden Bereich (50) und einen radial außen liegenden ma gnetisch leitenden Bereich (52) aufweist, wobei die Ringe (30) des Läufers (16) zwischen dem innen liegenden Bereich (50) und dem außen liegenden Bereich (52) des Ständers (18) angeordnet sind, und
der außen liegende Bereich (52) des Ständers (18) zumin dest in einem Teilabschnitt (54) im Querschnitt C-förmig gestaltet ist und zumindest eine Ständerspule (28) auf weist.
der Läufer (16) konzentrisch übereinander angeordnete, dauermagnetische Ringe (30) aufweist,
der Ständer (18) zumindest teilweise aus einem weichma gnetischen Material aufgebaut ist und zumindest einen dem Läufer (16) zugewandten Zahn (22) aufweist,
der Ständer (18) einen radial innen liegenden magnetisch leitenden Bereich (50) und einen radial außen liegenden ma gnetisch leitenden Bereich (52) aufweist, wobei die Ringe (30) des Läufers (16) zwischen dem innen liegenden Bereich (50) und dem außen liegenden Bereich (52) des Ständers (18) angeordnet sind, und
der außen liegende Bereich (52) des Ständers (18) zumin dest in einem Teilabschnitt (54) im Querschnitt C-förmig gestaltet ist und zumindest eine Ständerspule (28) auf weist.
2. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, wobei
benachbarte dauermagnetische Ringe (30) des Läufers (16)
radial gerichtete, abwechselnde Magnetorientierungen auf
weisen.
3. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, wobei
jeweils zwei benachbarte Ringe (30) des Läufers (16)
durch magnetisch nicht wirksame Abstandshalter in einem
vorbestimmten Abstand zueinander gehalten sind.
4. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, wobei
an dem radial innen liegenden magnetisch leitenden Be
reich (50) des Ständers (18) und/oder dem radial außen lie
genden magnetisch leitenden Bereich (52) des Ständers (18)
in Bewegungsrichtung des Läufers (16) wenigstens ein Zahn
(22) ausgebildet ist, dessen Abmessung in der Bewegungs
richtung des Läufers (16) im wesentlichen gleich der Abmessung
eines dauermagnetischen Rings (30) in der Bewegungs
richtung des Läufers (16) ist, so daß in einer vorbestimm
ten Stellung des Läufers (16) der wenigstens eine Zahn (22)
des Ständers (18) mit einem dauermagnetischen Ring (30)
fluchtet.
5. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, wobei
durch die Abmessungen der dauermagnetischen Ringe (30) in
der Bewegungsrichtung des Läufers (16) und durch den wenigstens
einen Zahn (22) des Ständers (18) eine Polteilung definiert
ist, die kleiner ist als die Abmessung der Ständerspule
(28) in deren Längsrichtung.
6. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, bei dem
der innen liegende Bereich (50) des Ständers (18) zusätz
lich oder an Stelle des außen liegenden Bereiches (52) des
Ständers (18) eine Ständerspule (28) aufweist.
7. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 5 und 6, bei dem
der innen liegende Bereich (50) des Ständers (18) einen Zahnbereich (18a) und einen dem Zahnbereich (18a) benach barten Spulenbereich (18a) aufweist, so daß in Bewegungs richtung des Läufers (16) wenigstens ein Zahn (22) des Ständers (18) neben einer Ständerspulenkammer (26) ausge bildet ist, in der eine Ständerspule (28) angeordnet ist, und
einer der dauermagnetischen Ringe (30) in einer vorbe stimmten Stellung des Läufers (16) mit einem der Zähne (22) eines Ständers (18) fluchtet.
der innen liegende Bereich (50) des Ständers (18) einen Zahnbereich (18a) und einen dem Zahnbereich (18a) benach barten Spulenbereich (18a) aufweist, so daß in Bewegungs richtung des Läufers (16) wenigstens ein Zahn (22) des Ständers (18) neben einer Ständerspulenkammer (26) ausge bildet ist, in der eine Ständerspule (28) angeordnet ist, und
einer der dauermagnetischen Ringe (30) in einer vorbe stimmten Stellung des Läufers (16) mit einem der Zähne (22) eines Ständers (18) fluchtet.
8. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 7, wobei der
Spulenbereich (18b) in Bewegungsrichtung des Läufers (16)
größer ist als der Abstand zwischen zwei benachbart ange
ordneten Zähnen (22) des Ständers (18).
9. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, wobei der
Ständer (18) ein weichmagnetischer Formkörper, vorzugsweise
aus gepreßtem und/oder gesintertem Metallpulver ist.
10. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 9, wobei der
weichmagnetische Formkörper des Ständers (18) in seinem In
neren wenigstens einen Kern (62) mit Kobalt-haltigem Eisen
aufweist.
11. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, wobei
die zumindest eine Ständerspule (28)
in einem quer zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientierten Bereich (58) des im Querschnitt C-förmig ge stalteten Teilabschnittes (54), oder
in einem im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientierten Bereich (60) des im Quer schnitt C-förmig gestalteten Teilabschnitt (54), oder
in einem im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientierten innen liegenden Bereich des Ständers diesen konzentrisch umgebend angeordnet ist.
in einem quer zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientierten Bereich (58) des im Querschnitt C-förmig ge stalteten Teilabschnittes (54), oder
in einem im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientierten Bereich (60) des im Quer schnitt C-förmig gestalteten Teilabschnitt (54), oder
in einem im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientierten innen liegenden Bereich des Ständers diesen konzentrisch umgebend angeordnet ist.
12. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1 oder 11, wobei
entlang des Umfangs des Ständers 18 wenigstens zwei im
Querschnitt C-förmig gestaltete Teilabschnitte (54) mit je
weils wenigstens einer Ständerspule (28) verteilt angeord
net sind.
13. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, wobei
dem Läufer (16) ein Wegsensor (32, 34) zur Erfassung des
Hubes des Ventilgliedes (12) zugeordnet ist.
14. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, wobei
wenigstens eine Spule über ihre gesamte Erstreckung zur
effektiven Kraftbildung beiträgt.
15. Gaswechselventilantrieb nach Anspruch 1, wobei
zum Bremsen und Halten des Läufers (16) in wenigstens ei
ner seiner Endstellungen ein die Ringe (30) des Läufers
(16) umgebender oder von diesen umgebener Mag
netring (70) mit radialer Magnetorientierung im Bereich der
jeweiligen Endstellung des Läufers (16) so angeordnet ist,
daß vor dem Erreichen der Endstellung ein Ring (30) des
Läufers (16) mit gleicher Magnetorientierung wie der Magne
tring (70) diesen passiert um anschließend die Endstellung
einzunehmen.
16. Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Verbrennungszy
linder, der wenigstens eine Ventilanordnung mit den Merkma
len eines der vorstehenden Ansprüche aufweist.
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