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Die
Erfindung betrifft einen Linearmotor zur Betätigung von Gaswechselventilen
an Verbrennungsmotoren.
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Zur
Ansteuerung benannter Ventile existiert eine Vielzahl technischer
Lösungen,
deren Gemeinsamkeiten im Vorhandensein magnetischer Anordnungen
bestehen, deren beweglicher Teil der Ventilschäfte der Gaswechselventile in
die gewünschte Positionen
beim Gaseinlass- oder -ausstoß befördert. Hierbei
werden an diese Anordnungen eine Reihe von Anforderungen gestellt,
die die Exaktheit der Bewegungsabläufe, deren möglichst
sanfte Beendigung in den Endpunkten (Soff-Landing-Problem) sowie
eine möglichst
hohe Stellgeschwindigkeit betreffen. Daneben sollen die Anordnungen
zur Ventilbetätigung
möglichst
geringen Bauraum in Anspruch nehmen, energiearmen Betrieb ermöglichen,
hohe Zuverlässigkeit
garantieren und im Aufbau unkompliziert sein. Die bekannten Anordnungen
entsprechen diesen Forderungen in unterschiedlicher Weise jeweils
in Teilbereichen.
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In
der
DE 19735375 und
DE 19744714 werden elektromagnetische
Aktuatoren zum betätigen eines
Gaswechselventils vorgeschlagen, deren Läufer (Anker), welche Kraft
auf das Gaswechselventil ausüben,
durch Elektromagneten in den Endlagen des Hubes gehalten werden
und durch Federn von einer Endlage zur anderen bewegt werden. Nachteilig
an diesen Anordnungen ist, dass die läuferpositionsabhängigen Kraftkurven
eines Elektromagneten starke Nichtlinearitäten aufweisen, was insbesondere
beim „Soff-Landing" durch starken Kraftanstieg Probleme
verursacht. Weiterhin sind die vorgeschlagenen Anordnungen nicht
oder nur bedingt in der Lage Teilhübe auszuführen als auch das während des
Betriebes sich ändernde
Ventilspiel auszugleichen.
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Die
DE 101 42 670 empfiehlt
einen elektromechanischen Aktuator für einen Ventiltrieb, dessen Konstruktion
das „Soff-Landing-Problem" u.a. durch einen
vergrößerten Abstand
zwischen Anker und Polfläche
der Elektromagnete lösen
soll. Unabhängig von
der tatsächlichen
Tauglichkeit der Lösung
besitzt diese durch ihren rotations symmetrischen Aufbau eine ungünstige Ausnutzung
des vorhandenen Bauraumes. Weiterhin ist ein stromloses Halten in
den Endlagen nicht möglich,
was zu einer Erhöhung
der Verlustleistung führt.
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Eine
weitere Lösung
wird in der
DE 101 26 211 vorgeschlagen.
Diese Lösung
soll zwar eine Verbesserung der Zuverlässigkeit durch konstruktiv
bedingte Minderung von Reibung und Verschleiß bewirken, der rotationssymmetrische
Aufbau bewirkt aber wiederum eine ungünstige Ausnutzung des vorhandenen
Bauraumes, der durch die Vielzahl übereinander angeordneter Magnete
noch verschlechtert wird.
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Auch
die
DE 101 25 767 beinhaltet
eine Lösung,
mit der die Zuverlässigkeit
eines Gaswechselventilantriebes gesteigert werden soll. Der dazu
vorgeschlagene Aufbau einer Anordnung mit ringförmigen Magneten ist einerseits
wenig raumsparend und andererseits aufwendig in der Fertigung.
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Aus
den Nachteilen der bekannten Lösungen
ergibt sich die Aufgabe, einen Linearmotor zur Betätigung von
Gaswechselventilen zu entwickeln, der eine einfache, verschleißarme und
wenig Raum beanspruchende Konstruktion aufweist und in seiner Funktion
eine möglichst
exakte Vorherbestimmung oder Steuerung des Betätigungsweges ermöglicht. Außerdem sollte
der Linearmotor einen energiesparenden Betrieb ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Gestaltung des Linearmotors gemäß den Merkmalen des Hauptanspruches.
In den zugehörigen
Unteransprüchen
werden besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Linearmotors beansprucht.
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Die
Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei
zeigen die zugehörigen
Zeichnungen in
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1:
eine Prinzipskizze eines Basiselementes des erfindungsgemäßen Linearmotors
mit einer Läuferposition,
die dem geöffneten
Ventil entspricht
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2:
eine Prinzipskizze eines Basiselementes des erfindungsgemäßen Linearmotors
mit einer Läuferposition,
die die Mitte des Ventilarbeitsbereiches darstellt
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3:
eine Prinzipskizze einer mehrpoligen Ausführung des erfindungsgemäßen Linearmotors
in oberer Ruhelage
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4:
die Darstellung des Bewegungsablaufes des Ventilstößels und
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5:
die Darstellung des Bewegungsablaufes des Linearmotorläufers mit
stromlosen Haltebereichen
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Gemäß 1 besteht
ein Basiselement des erfindungsgemäßen Linearmotors aus zwei U-förmigen Blechpaketen 1,
deren Öffnungen,
beabstandet durch einen Luftspalt 2, zueinander gerichtet
sind. Die Schenkel dieser Blechpakete, die auch Pole 3 bezeichnet
werden, sind mit einer Statorwicklung 4 bewickelt. Die
Pole 3 können
auch ungeblecht gefertigt, gehören
aber auch in dieser Ausführungsform zum
Wesensbereich der Erfindung.
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Im
Luftspalt 2 befindet sich als Läufer ein Permanentmagnet 5,
dessen Magnetisierungsrichtung 6 parallel zur Ausrichtung
der Pole 3 angeordnet ist. Die Höhe h des Permanentmagneten 5 ist
so ausgelegt, dass sie kleiner als der mittlere Polabstand d der
Blechpakete 1 ist. Beidseitig des Permanentmagneten 5 ist
ein geringer Luftspalt 7 zu den Polen 3 des Blechpaketes 1 vorhanden.
Die Bewegungsrichtung des Läufers
verläuft
senkrecht zur Magnetisierungsrichtung 6 des Permanentmagneten 5.
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Befindet
sich der Permanentmagnet 5 als Läufer in der Mitte der durch
die U-förmigen Blechpakete 1 gebildeten
Pole 3, so ist im unbestromten Zustand der Statorwicklung 4 die
erzeugte Kraft in Bewegungsrichtung des Läufers gleich null.
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Werden
nun die Statorwicklungen 4 auf den Blechpaketen 1 in
einer Weise bestromt, dass alle Teilwicklungen zum Entstehen eines
magnetischen Flusses durch die Luft spalte 2 und 7 und
die Blechpakete 1 in einer umlaufenden Richtung beitragen, tritt
auf der Seite des Permanentmagneten 5, die sich parallel
zum in den Statorwicklungen 4 erzeugten Magnetfluss befindet,
ein magnetischer Fluss in Richtung der Magnetisierung des Permanentmagneten 5 auf.
Auf der gegenüberliegenden
Seite wirkt dieser Magnetfluss gegen die Magnetisierungsrichtung 6 des
Permanentmagneten 5.
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Das
hat zur Folge, dass auf der Seite gleicher Magnetisierungsrichtungen
Anziehungskräfte zwischen
dem Permanentmagneten 5 und den Polen 3 in Bewegungsrichtung
des Läufers
erzeugt werden, während
auf der gegenüberliegenden
Seite Abstoßungskräfte zwischen
dem Permanentmagneten 5 und den Polen 3 entstehen.
Resultierend ergibt sich eine Kraft in Bewegungsrichtung, zu der
sowohl die erzeugten Anziehungs- als auch die Abstoßungskräfte beitragen.
Bewegt sich nun der Läufer
in Bewegungsrichtung, so wird die erzeugte Kraft positionsabhängig nach Überschreiten
eines Maximums zu Null werden, wenn der Permanentmagnet 5 sich
innerhalb eines Pols 3 mittig gemäß 2 befindet.
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Ändert man
die Bestromungsrichtung in den Statorwicklungen 4, so ändert sich
auch die Richtung der Kraftwirkung des Permanentmagneten 5.
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Befindet
sich der Permanentmagnet 5 zwischen den Positionen gem.
der 1 und 2, so wird der Permanentmagnet 5 einen
Fluss innerhalb der Pole 3 erzeugen, welcher aus Sicht
der Pole 3 unsymmetrisch ist: Größerer Fluss im näheren Pol 3, kleinerer
Fluss im entfernteren Pol 3. Das hat zur Folge, dass auch
im unbestromten Zustand eine resultierende Kraft in Bewegungsrichtung
entsteht, die versucht, den Läufer
von der Position gem. 1 in Richtung der Position gem. 2 zu
ziehen.
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Diese
Kraft – die
Reluktanzkraft – ist
besonders beim Einsatz von Federn zur Unterstützung der Bewegung des Läufers von
Vorteil, da sie gegen die Federkraft wirkt und damit ein (nahezu)
stromloses Halten des Läufers
ermöglicht.
Dies ist der Fall im Schnittpunkt der Federkraftkurve mit der Motorkraftkurve.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das
Basiselement des erfindungsgemäßen Linearmotors
zu einer Anordnung mit 2, 3 oder mehreren weiteren Permanentmagneten 5 erweitert
werden. Im Falle der Auslegung mit mehr als einem Permanentmagneten 5 sind
die benachbarten Permanentmagnete 5 mit jeweils entgegengesetzter
Magnetisierungsrichtung 6 angeordnet. Der mittlere Abstand
der Permanentmagneten 5 entspricht vorteilhaft dem mittleren
Abstand d der Pole 3.
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Mit
dem Einsatz mehrerer Permanentmagnete 5 ist auch der Einsatz
mehrerer Pole 3 möglich, so
dass quasi ein „Stapel
von Basiselementen" entsteht.
Hierdurch ist auf überraschend
einfache Weise eine Anpassung an vorgegebene Anwendungsbedingungen
des Linearmotors möglich
ist. Eine solche Anordnung zeigt 3.
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Der
erfindungsgemäße Linearmotor
bietet mit seinen Merkmalen die Auslegung sowohl als Baueinheit
mit rechteckigem, auch asymmetrischem, Querschnitt als auch als
Baueinheit mit rundem Querschnitt. Als besonders vorteilhaft erweist
sich jedoch die Ausgestaltung mit rechteckigem Querschnitt bei:
Einerseits wird ein sehr einfacher mechanischer Aufbau erreicht,
indem auf ein inneres Statorteil verzichtet werden kann, andererseits
wird eine bessere Ausnutzung des Bauraumes erreicht. Es ist möglich, eine
geringe Breite des Linearmotors bei gleichzeitig begrenzter Bauhöhe zu wählen, wodurch wiederum
eine sehr gute Einpassung des Linearmotors als Antriebsorgan der
Gaswechselventile in die Gegebenheiten des Bauraumes im Zylinderkopfbereich:
Er lässt
sich jeweils sehr gut in die Zwischenräume zwischen den Ventilen einordnen.
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Das
geringe Bauvolumen des erfindungsgemäßen Linearmotors wird durch
einen weiteren Vorteil hinsichtlich seiner Verwendung als Ventilantrieb ergänzt: Die
erfindungsgemäße Gestaltung
des Linearmotors gewährleistet
auch eine sehr geringe bewegte Masse, wodurch ein Antrieb mit hoher
Dynamik bei geringem Energiebedarf und gleichzeitig großer Kraftwirkung
entsteht. Hierzu trägt
auch eine erfindungsgemäß gewählte einphasige
Ansteuerung bei, die eine geringe Permanentmagnetmasse gestattet.
Mechanisch stellt der erfindungsgemäße Linearmotor eine sehr robuste
Baugruppe dar.
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Wird
der elektrische Teil des erfindungsgemäßen Linearmotors in bereits
bekannter Weise mit einer geeignet dimensionierten Feder kombiniert,
die so ausgelegt ist, dass die Ruhelage des Gesamtsystems sich in
der Mitte des Arbeitshubes befindet, entsteht durch die Ausnutzung
der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems eine besonders geringe Verlustleistung
des linearmotorischen Antriebssystems. Besonders förderlich
hierbei wirkt sich der Umstand aus, dass durch die Auslegung des
Linearmotors als Reluktanzmotor ein stromloses Halten des Läufers in
den Endlagen durch Wirkung der Reluktanzkraft möglich ist.
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Der
erfindungsgemäße Linearmotor
wird einphasig angesteuert. Das bietet den Vorteil, dass man eine
geringere Bauhöhe
bei ausreichender Kraftwirkung erreichen kann und gleichzeitig eine
sehr einfache Ansteuerung möglich
wird: Die einphasige Ansteuerung ermöglicht die Ausführung eines
Ventilhubes ohne Umkehrung des Stromes, wobei während der Flugphase eine Absenkung
des Stromes vorteilhaft ist. Auch dies trägt zu einem verlustarmen Ventilantrieb
durch den erfindungsgemäßen Linearmotor bei.
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Der
beanspruchte Linearmotor ist auch besonders gut geeignet, kurze
Hübe zu
realisieren und gestattet durch die Möglichkeit von Teilhüben die Ventilöffnung in
jeder Position innerhalb des Arbeitsbereiches. Sein Kraftprofil
entspricht im wesentlichen den für
die Betätigung
von Gaswechselventilen notwendigen Anforderungen.
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Der
erfindungsgemäße Linearmotor
ermöglicht
durch einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Beschleunigungskraft
und Läuferposition
bei konstantem Strom große
Beschleunigungskräfte
zu Beginn und zum Ende des Bewegungsvorganges.
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Während bei
Lösungen
des Standes der Technik durch rotationssymmetrischen Aufbau der Ventilantriebe
eine Reduzierung des Verschleißes und
der Reibung erreicht werden soll, ist beim erfindungsgemäßen Linearmotor
dieser Effekt durch eine lose Verbindung des Läufers zum Ventil erreichbar.
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Die
Auslegung des beanspruchten Linearmotors erfolgt in der Art, dass
zu Beginn des Öffnungsvorganges
des Ventils eine hohe Antriebskraft vorhanden ist und gleichzeitig
die Möglichkeit
besteht, oberhalb der oberen Ventilendlage in eine Position zu fahren,
die beim zusätzlichen
Einsatz von Federn ein weitestgehend stromlo ses Halten des Läufers gegen
die Federkraft ermöglicht.
In einem vorliegenden Beispiel ist dies so realisiert, dass bei einem
Läuferweg
von +/-5mm die Haltekraft des Linearmotors mit umgekehrtem Vorzeichen
gleich der Federkraft ist.
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Ermöglicht wird
dies durch eine nicht feste Verbindung zwischen Ventil und Läufer. D.h.,
die stromlose Halteposition des Läufers ist nicht identisch mit
der oberen Endlage des Ventils. In 4 und 5 sind
die Bewegungsabläufe
dargestellt – bei
bekannten Systemen verhalten sich Läufer- und Ventilposition gem. 4.
In beiden Fällen
ist die obere Endlage des Ventils bei +4 mm Läuferauslenkung erreicht.
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Ein
anschlagbedingter Verschleiß ist
bei der Erfindung nicht gegeben, da der Linearmotor bedingt durch
das Reluktanzprinzip selbst keinen Anschlag innerhalb des Arbeitsbereiches
aufweist
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- 1
- Blechpaket
- 2
- Luftspalt
- 3
- Pol
- 4
- Statorwicklung
- 5
- Permanentmagnet
- 6
- Magnetisierungsrichtung
- 7
- Luftspalt
- d
- Abstand
(der Pole 3)
- h
- Höhe (des
Permanentmagneten 5)
- p
- Abstand
(der Permanentmagneten 5)