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Die
Erfindung betrifft ein Ventilantrieb für ein Gaswechselventil nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus
der Patentliteratur sind eine ganze Reihe von Ventilantrieben der
angegebenen Art bekannt. Hierzu sei beispielsweise auf die
DE 101 25 767 C1 verwiesen.
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Grundprinzip
dieses bereits aus dem Patent bekannten Ventilantriebs ist, dass
ein starr mit dem Gaswechselventil verbundener Läufer sich längs der gemeinsamen Achse im
Magnetfeld eines Ständers bewegt.
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Um
wirtschaftlich ausreichend hohe Kräfte am Läufer zu erzeugen, werden entsprechend
starke Magnetfelder im Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer benötigt. Hierzu
müssen
u.a. die Luftspalte im Magnetkreis möglichst klein sein und geeignete
Stromspulen am Ständer
angeordnet werden.
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Darüber hinaus
muss der aus dem Ständer und
dem Läufer
bestehende Aktuator in die vorhandenen, verhältnismäßig kleinen Bauräume, z.
B. in einen Zylinderkopf eines Kfz-Verbrennungsmotors passen, weshalb die
Stromspulen und die aktiven Luftspaltflächen nicht beliebig groß gebaut
werden können.
Die magnetischen Verluste müssen
im Magnetkreis klein gehalten werden. Überdies sind aber auch gerade
im Bordnetz von Kraftfahrzeugen Strom und Spannung begrenzt.
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Bei
den komplexen Geometrien an einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors
sind ganz erhebliche geometrische Toleranzen zwischen den einzelnen
Funktionselementen, insbesondere zwischen dem Läufer und Ständer des Ventilantriebs einzuhalten,
um ein Verklemmen oder zu große Luftspalte
zu verhindern.
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Überdies
führen
unsymmetrische Magnetfelder im Luftspalt am Läufer zu erheblichen Querkräften, die
sich selbst verstärken
und zu großen
Reibkräften,
Energieverlusten und gar zudem bereits erwähnten Verklemmen des Läufers führen können.
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Da
besonders bei Verbrennungsmotoren in der Aufwärm- und Abkühlphase mit erheblichen Temperaturdifferenzen
an sämtlichen
Motorbauteilen und damit thermisch induzierten Geometrieänderungen (an
Bauteilen aus Werkstoffen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung
und stark unterschiedlichen Temperaturen) zu rechnen ist, müssen insbesondere im
Ventiltrieb die Luftspalte und Spiele aus thermischen Gründen ausreichend
groß vorgehalten
werden.
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An
den Gaswechselventilen treten Beschleunigungen bis zum 100-fachen
der Erdbeschleunigung auf. Diese führen bei zu großen Bauteilspielen und
im Luftspalt des Magnetkreises zu unerwünschter Geräuschentwicklung, asymmetrischen
Kräften und
Verschleiß im
Ventilantrieb.
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Außerdem sind
in einem Verbrennungsmotor immer Verschleiß-, Abrieb- und Schmutzpartikel
vorhanden, die zum Teil auch magnetisch sind. Diese Partikel können sich
auch in den Magnetspalten des Aktuators ansammeln und zum Verklemmen
des Ventilantriebs führen.
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Ein
erhebliches herstelltechnisches Problem stellt sowohl in einer Arbeits-
als auch Kraftmaschine die Verbindung eines Gaswechselventils mit
dem Ventilantrieb dar. Infolge der örtlichen und funktionellen
Gegebenheiten, muss nämlich
eine voneinander unabhängige
Prüfbarkeit,
Montage als auch Demontage des Gaswechselventils und des Ventiltriebs
im Zylinderkopf gewährleistet
sein.
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Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventilantrieb
der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die vorgenannten
Anforderungen erfüllt
und die dargestellten Nachteile vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen
Ventilantrieb der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen
im folgenden aus den Unteransprüchen
und der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand mehrerer Zeichnungen hervor.
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Es
zeigen:
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1 einen Querschnitt durch
einen Zylinderkopf, in dem ein Ventilantrieb gemäß der Erfindung angeordnet
ist,
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2 eine Seitenansicht des
in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ventilantriebs,
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3 eine alternative Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Ventilantriebs
im Bereich der Läuferplatte,
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4 eine weitere Ausgestaltungsvariante des
erfindungsgemäßen Ventilantriebs
im Bereich der Stromspulen,
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5 eine Variante zur Ausbildung
der Ständerplatten
des erfindungsgemäßen Ventilantriebs,
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6 eine Draufsicht auf die
zwischen einer Ständerplatte
einfach gelagerten Läuferplatte,
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7 eine Draufsicht auf die
zwischen einer Ständerplatte
mehrfach gelagerten Läuferplatte,
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8 eine Seitenansicht der
Läuferplatte
im Bereich der Magnetstücke,
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9 eine Seitenansicht zweier
relativ zu den Magnetstücken
der Läuferplatte
geneigten Ständerplatten.
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Die 1 zeigt die Anordnung eines
Ventilantriebs in einem Zylinderkopf 2 eines Verbrennungsmotors
zwecks Betätigung
eines einlass- oder auslassseitig angeordneten Gaswechselventils 4. Der
im Querschnitt dargestellte Zylinderkopf 2 weist hierzu
eine Ventilaufnahmebohrung 3 zur Führung und Abdichtung des Gaswechselventils 4 auf.
Das Gaswechselventil 4 ist als Tellerventil ausgeführt, das mit
seiner Ventilsitzfläche
dem im Ein- oder Auslasskanal eingesetzten Ventilsitz konzentrisch
zugewandt ist.
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Als
Ventilantrieb befindet sich oberhalb des Gaswechselventils 4 ein
in der Ebene des Gaswechselventils im Querschnitt als auch dahinter
in Perspektivansicht dargestellter elektromagnetischer Aktuator,
in dessen Ständer 1 ein
axialbeweglicher Läufer 12 angeordnet
ist, der über
ein Koppelelement 17 mit dem Ventilschaft 7 des
Gaswechselventils 4 lösbar verbunden
ist. Dieser als Linearmotor konzipierte Ventilantrieb gewährleistet
einen variablen Ladungswechsel, in dem abhängig von der Ansteuerung mehrerer
parallel im Ständer 1 angeordneter
Stromspulen 18 der Ventilöffnungszeitpunkt, der Ventilhub
als auch die Ventilöffnungsdauer
des Gaswechselventils 4 beliebig einstellbar ist.
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Der
Läufer 12 bildet
mit dem Ständer 1 eine eigenständig handhabbare,
vorzugsweise funktionsfähig
vorprüfbare
Baugruppe, die mit dem Gaswechselventil 4 lösbar verbunden
ist. Hierzu ist das zwischen dem Läufer 12 und dem Gaswechselventil 4 angeordnete
Koppelelement 17 erforderlich, das eine kraft- und/oder
formschlüssige
Verbindung zwischen dem Läufer 12 und
dem Gaswechselventil 4 herstellt.
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Wie
aus 1 hervorgeht, ist
der Ständer 1 mit
dem Läufer 12 und
dem am Läufer 12 angebrachten
Koppelelement 17 gegenüber
dem Gaswechselventil 4 im Zylinderkopf 2 koaxial
ausgerichtet und befestigt. Zur platzsparenden Integration des Koppelelements 17 zwischen
der Ventilaufnahmebohrung 3 (Ventilschaftführung des
Gaswechselventils 4) und der Auflagefläche des Ständers 1 ist eine Stufenbohrung 19 im
Zylinderkopf 2 vorgesehen. Zwischen dem Koppelelement 17 und
dem Boden der Stufenbohrung 19 kann bei Bedarf eine Hilfsfeder
angeordnet werden, um bei einem Ausfall der Stromspulen 18 zur Vermeidung
eines Kolbenkontakts das Gaswechselventil 4 sicher wieder
schließen
zu können.
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Der
Läufer 12 ist
als schmale Läuferplatte 11 ausgeführt, in
die mehrere, konzentrisch übereinander
gestapelten Magnetstücke 21 eingesetzt
sind, die eine abwechselnde Magnetorientierung aufweisen. Die Magnetstücke 21 sind
in einem radialen Luftspalt zum beiderseits der Läuferplatte 11 angeordneten Zahnbereich 20 des
Ständers 1 angeordnet,
der jeweils zwischen den Stromspulen 18 zwei zueinander fluchtende,
den ebenen Magnetstücken 21 zugewandte,
linear zur Läuferplatte 11 positionierte
Zähne im
Innenbereich der Ständerplatten 9b, 9c aufweist. Unabhängig von
der Anzahl der Zähne
gewährleistet die
gewählte
Anordnung, dass die in mehreren Reihen in der Läuferplatte 11 positionierten
Magnetstücke 21 entsprechend
ihrer Magnetorientierung immer mit den zugeordneten Zähnen der
Ständerplatten 9b, 9c fluchten.
Der vorbeschriebene Aufbau des Ständers 1 sieht eine
Vielzahl von Stromspulen 18 beiderseits der Läuferplatte 11 zwischen
den quer zur Läuferplatte 11 ausgerichteten
vier Ständerplatten 9a, 9b, 9c, 9d vor,
wobei die Stromspulen 18 vorteilhaft auch unabhängig voneinander
elektrisch ansteuerbar sind.
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Der
Ständer 1 ist
derart aufgebaut, dass immer zwei baugleiche, mit ihren Zahnbereichen 20 übereinander
angeordnete Ständerplatten 9b, 9c fluchtend
zueinander gestapelt und durch Abstandshalter 10 voneinander
getrennt sind. Die als Bodenplatte am Zylinderkopf 2 aufliegende
und das Grundjoch bildende erste Ständerplatte 9a unterscheidet sich
von den darüber
angeordneten drei Ständerplatten 9b, 9c, 9d durch
ihre vertikale, im Querschnitt schlitzförmige Durchführung 8 für den Läufer 12,
dessen Läuferplatte 11 sich
in den Zahnbereich 20 der beiden Ständerplatten 9b, 9c erstreckt,
die als Polschuhe wirken. Die vierte Ständerplatte 9d bildet oberhalb
des Läufers 12 und
der Stromspulen 18 gewissermaßen das Abschlussjoch des Ständers 1.
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Die 1 stellt somit einen Ventilantrieb
für ein
Gaswechselventil in einer Kraft- oder Arbeitsmaschine dar, dessen
magnetischer Läufer 12 sich
mit einem vom Gaswechselventil entfernt gelegenen Läuferabschnitt
innerhalb einer Durchführung 8 eines mit
mehreren Stromspulen 18 versehenen Ständers 1 längsbeweglich
erstreckt. Erfindungsgemäß ist der Läufer 12 im
Bereich des Läuferabschnitts
vorzugsweise nach Art eines Flachschiebers als im Ständer 1 vertikal
bewegte Läuferplatte 11 ausgeführt, in
der in mehreren Ebenen mehrere Magnetstücke 21 ausgerichtet
sind.
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Im
Bodenbereich des Ständers 1,
der dem Gaswechselventil 4 zugekehrt ist, ist wenigstens
eine an die Querschnittskontur der Läuferplatte 11 angepasste
Durchführung 8 vorgesehen,
durch die sich ein die Läuferplatte 11 mit
dem Koppelelement 17 verbindender Läufersteg 14 erstreckt.
Der Bodenbereich des Ständers 1 ist
herstelltechnisch besonders einfach als rechteckige, ebene erste
Ständerplatte 9a ausgeführt, die
mittig auf ihrer Längsachse
die Durchführung 8 für den Läufersteg 14 aufweist.
Beiderseits der Durchführung 8 lassen
sich auf der ersten Ständerplatte 9a reihenweise
die erforderlichen Stromspulen 18 besonders einfach anordnen,
auf denen die zweite ebene Ständerplatte
(9b) aufgelegt ist, die wenigstens eine zur ersten Durchführung 8 fluchtende
zweite Durchführung 8 im
Zahnbereich (20) aufweist, die an den Querschnitt der Läuferplatte 11 angepasst
ist. Oberhalb der von den Stromspulen 18 abgewandten Seite
der zweiten Ständerplatte 9b ist die
identisch zur zweiten Ständerplatte 9b aufgebaute
dritte Ständerplatte 9c fluchtend
zur zweiten Ständerplatte 9b angeordnet.
Die dritte Ständerplatte 9c ist
durch wenigstens ein paar unmagnetische Abstandshalter 10 von
der zweiten Ständerplatte
(9b) getrennt. Auf der dritten Ständerplatte 9c sind
analog zu den unterhalb der zweiten Ständerplatte 9b angeordneten
Stromspulen 18 gleichfalls mehrere Stromspulen 18 in
einer Reihe beiderseits der Läuferplatte 11 aufgesetzt,
auf denen die vierte Ständerplatte 9d fixiert
ist. Jede Stromspule 18 ist von einem stabförmigen Magnetkern 15 durchdrungen,
der zur Schließung
des Magnetkreises mit seinen Enden die den Stromspulen 18 zugehörigen Ständerplatten 9a, 9b bzw. 9c, 9d kontaktiert.
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Die 2 zeigt eine Seitenansicht
des in 1 abgebildeten
Ventilantriebs, woraus ersichtlich ist, dass die erste Ständerplatte 9a im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
mit drei Durchführungen 8 versehen
ist, die an die Kontur der drei Läuferstege 14 spielbehaftet
angepasst sind. Die durch die Durchführungen 8 ragenden
Läuferstege 14 sind
etwa auf der Höhe
der zweiten Ständerplatte 9b vollflächig zu dem
die Magnetstücke 21 tragenden
Bereich der Läuferplatte 11 zusammengeführt, deren
Magnetstücke 21 in
der Seitenansicht nach 2 von
den Stromspulen 18, der zweiten und dritten Ständerplatte 9b, 9c als
auch vom dazwischen befindlichen Abstandshalter 10 verdeckt
sind. Unterhalb der ersten Ständerplatte 9a sind
die Läuferstege 14 gleichfalls zu
einem massiven Verbindungsabschnitt 22 zusammengeführt, welches
das Koppelelement 17 aufnimmt.
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Die 3 zeigt abweichend von 2 die an den beiden Enden
des Verbindungsabschnitts 22 angeformten Läuferstege 14,
welche die erste Ständerplatte 9a spielbehaftet
in Richtung auf den die Magnetstücke 21 aufweisenden
Bereich der Läuferplatte 11 umgreifen.
Dies hat den Vorteil, dass die aus den 1, 2 bekannten
Durchführungen 8 in
der ersten Ständerplatte 9a nicht
erforderlich sind. Ansonsten entspricht der Aufbau des Ventiltriebs
nach 3 den bisherigen,
anhand den 1, 2 dargelegten Einzelheiten.
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Die 4 zeigt abweichend von den
bisherigen Erläuterungen
zum Erfindungsgegenstand anstelle der Verwendung einer Vielzahl
von nebeneinander angeordneten zylindrischen Stromspulen 18 die
Verwendung von lediglich einem paar übereinander angeordneten ovalen
Stromspulen 18 je Läuferplattenseite,
so dass anstelle der stabförmigen
Magnetkerne in den zylindrischen Stromspulen 18 nunmehr
entsprechend der Ovalität
der Stromspulen 18 die Magnetkerne 15 nunmehr
den Zwischenabstand innerhalb jeder ovalen Stromspule 18 ausfüllen.
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Wie
aus der 5 hervorgeht,
können
bei Wunsch oder Bedarf die zweite und dritte Ständerplatte 9b, 9c mehrteilig
und in ihren Ebenen auch versetzt ausgeführt sein, so dass mehrpolige
Ständerplatten
bei relativ kleinem Platzbedarf realisiert werden können.
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Die 6 zeigt ausgehend von den
Beschreibungen zu den 1–5 eine Draufsicht auf die das
Grundjoch bildende erste Ständerplatte 9a,
die als Bodenplatte am Zylinderkopf 2 aufliegt, welche
in der vorliegenden Ansicht nur teilweise im Bereich ihrer schlitzförmigen Durchführung 8 skizzenhaft
dargestellt ist. Diese Ständerplatte 9a nimmt
auf halber Teilspannweite beiderseits der in der Draufsicht gezeigten
schmalen Läuferplatte 11 entweder
unmittelbar an der Läuferplatte 11 oder
im Bereich des Läuferstegs 14 ein
paar Führungselemente 13a auf,
die in Nuten 5 der Ständerplatte 9a eingesetzt
sind. Hierdurch wird eine besonders einfache und dennoch präzise, klemmfreie
Führung
des Läufers 12 im
Ständer 1 erreicht.
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Die 7 zeigt eine gegenüber der 6 mehrfache Lagerung und
Führung
des Läufers 12 innerhalb
der Durchführung 8 der
ersten Ständerplatte 9a,
wozu an den beiden äußeren Abschnitten
des Läufers 12 die
Führungselemente 13a, 13b beiderseits
des plattenförmigen
Läufers 12 in
Nuten 5 der Ständerplatte 9a angeordnet
sind.
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Die 8 zeigt ergänzend zu
den 1 bis 7 in einer Seitenansicht
die teilweise abgebildeten Läuferplatte 11,
mit mehreren Magnetstücken 21,
die in mehreren parallel übereinander
angeordneten Magnetreihen X1, X2 der Läuferplatte 11 angeordnet sind,
wobei die Magnetreihen X1, X2 gegenüber der horizontalen Ausrichtung
des Zahnbereichs 20 geneigt sind.
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Alternativ
zu 8 sind in der 9 die Magnetstücke 21 in
der Läuferplatte 11 in
mehreren parallel übereinander
angeordneten Magnetreihen X1, X2 horizontal aufgenommen, während die
mit den Zahnbereichen 20 versehenen Ständerplatten 9b, 9c gegenüber den
Magnetreihen X1, X2 geneigt sind.
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Die
in den 7 und 8 vorgeschlagenen Konstruktionen
verbessern den Übergang
des elektromagnetischen Kraftflusses während der Relativbewegung des
Läufers 12 im
Stator 1, wo durch sich eine effizientere Ausnutzung der
Magnetkraft ergibt.
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Zusammenfassend
zeichnet sich der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ventilantrieb durch folgende Merkmale aus:
- 1.
Durch die Ausbildung des Läufers 12 nach
Art eines Flachschiebers ergibt sich eine extrem schmale Baubreite
für den
Ventilantrieb, so dass dieser unproblematisch in jedem Zylinderkopf
integriert werden kann.
- 2. Der Magnetkreis kann optimal an die Leistungsbedürfnisse
des Ventilantriebs angepasst werden, indem auf einfache Bauweise
nach Belieben die Anzahl, die Bauweise und die elektrische Ansteuerung
der Stromspulen 18 variiert werden kann. Durch die einfache
Statorgeometrie, die u.a. durch die Verwendung der vorgestellten
Ständerplatten 9a–9d zustande
kommt, können
nicht nur zylindrische, sondern auch ovale Stromspulen 18 verwendet
werden. Bei der Verwendung von mehreren zylindrischen Stromspulen 18 lässt sich
ein besonders kleiner Spulendurchmesser realisieren, so dass der
Kupferaufwand als auch die damit verbundenen Einfluss auf den Wirkungsgrad im
Stromkreis minimal ist. Folglich kann der Aktuator mit einer geringeren
elektrischen Spannung betrieben werden. Die Stromspulen lassen sich jeweils
nach der gewünschten
Betriebskennlinie parallel, seriell oder sequentiell elektrisch
bestromen, wodurch die Möglichkeit
zur Rückgewinnung
von elektrischer Energie aus der jeweils vorherrschenden elektromotorischen
Kraft innerhalb der Magnetkreise besteht. Ferner ergibt sich eine nur
geringe Streuung des Magnetfelds.
- 3. Durch die zum Läufer 12 ausschließlich seitlich angeordneten
Stromspulen 18 ergibt sich eine gute Spulenkühlung und
eine besonders einfache Montage als auch Demontage der Stromspulen 18.
- 4. Es folgt eine von thermisch induzierten Geometrieveränderungen
unabhängige
Führung
des Läufers 12,
wobei Wärmedehnungen
zwischen Läufer 12 und
Ständer 1 keinen
Einfluß auf
die Führung
haben. Durch die hierzu vorgeschlagene Verwendung von Führungselementen 13a, 13b wird
der Läufer 12 auch
in einem kritischen Luftspaltbereich sicher geführt und gegen die dort wirkenden
hohen magnetischen Querkräfte
sowie gegen die Querbeschleunigungskräfte abgestützt. Die hierzu verwendete
Anzahl der Führungselemente
kann zwischen zwei und einem Vielfachen variieren.
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Die
vorgeschlagene Erfindung gewährleistet somit:
- – Wirtschaftliche
Fertigungstoleranzen
- – Wirtschaftliche
Montage und automatische Justierung des Ventilantriebs
- – Geringe
Verluste im Magnetkreis
- – Hohen
Wirkungsgrad, da der Ventilantrieb optimal einstell bar ist und
nur geringe Reibkräfte
aufweist
- – Thermisch
stabile Betriebsweise des Ventilantriebs auch in der Hochlauf- und
Abkühlphase
des Motors
- – Einfacher
Werkstattservice
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- 20
- Ständer
- 21
- 2 Zylinderkopf
- 3
- Ventilaufnahmebohrung
- 4
- Gaswechselventil
- 5
- Nut
- 6
- Langloch
- 7
- Ventilschaft
- 8
- Durchführung
- 22
- 9a–9d Ständerplatte
- 10
- Abstandshalter
- 11
- Läuferplatte
- 23
- 12 Läufer
- 13a
- Führungselement
- 13b
- Führungselement
- 14
- Läufersteg
- 24
- 15 Magnetkern
- 16
- Klemmring
- 17
- Koppelelement
- 18
- Stromspule
- 19
- Stufenbohrung
- 20
- Zahnbereich
- 21
- Magnetstück
- 22
- Verbindungsabschnitt