DE102009049009B4 - Actuator for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Stellelement bestehend aus: einem elektromagnetischen Kreis, der eine Spule, einen feststehenden Kern, einen beweglichen Anker und ein Joch aufweist, einem Stößel, welcher über den elektromagnetischen Kreis betätigbar ist und der mit dem Anker verbunden ist, und einem permanentmagnetischen Kreis, der aus dem Joch, dem Kern, dem Anker und einem Permanentmagneten besteht, der den Anker in einer Halteendstellung im unbestromten Zustand des elektromagnetischen Kreises hält, wobei der Permanentmagnet (32) ortsfest innerhalb des elektromagnetischen Kreises (4) angeordnet ist und Mittel (34, 40) zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien am permanentmagnetischen Kreis (8) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bündelung der axialen magnetischen Feldlinien durch einen am Joch (12) ausgebildeten, sich axial in Richtung zu einer sich vom Anker (14) radial erstreckenden Ankerplatte (16) erstreckenden Fortsatz (40) verringerter Dicke gebildet sind, der in der Halteendstellung die Ankerplatte (16) zumindest teilweise radial...An actuator for an internal combustion engine with an actuator comprising: an electromagnetic circuit having a coil, a fixed core, a movable armature and a yoke, a plunger which is actuated via the electromagnetic circuit and which is connected to the armature, and a permanent magnetic circuit consisting of the yoke, the core, the armature and a permanent magnet, which holds the armature in a Halteendstellung in the de-energized state of the electromagnetic circuit, wherein the permanent magnet (32) stationary within the electromagnetic circuit (4) is arranged and means (34, 40) for concentrating axial magnetic field lines are formed on the permanent magnetic circuit (8), characterized in that the means for concentrating the axial magnetic field lines through a yoke (12) formed axially in the direction of an armature ( 14) radially extending armature plate (16) extending extension (40) of reduced thickness are formed, the anchor plate (16) in the Halteendstellung at least partially radially ...
Description
Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Stellelement bestehend aus einem elektromagnetischen Kreis, der eine Spule, einen feststehenden Kern, einen beweglichen Anker und ein Joch aufweist, einem Stößel, welcher über den elektromagnetischen Kreis betätigbar ist und der mit dem Anker verbunden ist und einem permanentmagnetischen Kreis, der aus dem Joch, dem Kern, dem Anker und einem Permanentmagneten besteht, der den Anker in einer Halteendstellung im unbestromten Zustand des elektromagnetischen Kreises hält, wobei der Permanentmagnet ortsfest innerhalb des elektromagnetischen Kreises angeordnet ist und Mittel zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien am permanentmagnetischen Kreis ausgebildet sind.The invention relates to an actuator for an internal combustion engine with an actuator consisting of an electromagnetic circuit having a coil, a fixed core, a movable armature and a yoke, a plunger which is actuated via the electromagnetic circuit and which is connected to the armature and a permanent magnetic circuit consisting of the yoke, the core, the armature and a permanent magnet which holds the armature in a Halteendstellung in the de-energized state of the electromagnetic circuit, wherein the permanent magnet is disposed stationary within the electromagnetic circuit and means for concentrating axial magnetic Field lines are formed on the permanent magnetic circuit.
Derartige Aktuatoren werden beispielsweise zur Verstellung von Schiebenockenkonturen, an denen unterschiedliche Hubprofile ausgebildet sind und die verschiebbar auf einer Nockenwelle angeordnet sind, verwendet. Dabei greift das Stellelement in eine Nut des Schiebenockens. Nach der hieraus folgenden axialen Verstellung wird das Stellelement normalerweise passiv über eine Hebekontur der Nut in seine Ausgangsstellung zurückgeführt.Such actuators are used for example for adjusting sliding cam contours on which different lifting profiles are formed and which are arranged displaceably on a camshaft. The actuator engages in a groove of the sliding cam. After the axial adjustment resulting therefrom, the actuating element is normally passively returned to its starting position via a lifting contour of the groove.
Ein derartiger Aktuator ist beispielsweise aus der
Neben diesen Aktuatoren mit einem Elektromagneten und einem damit kommunizierenden Stößel ist es beispielsweise aus der
Bei den genannten Aktuatoren besteht jedoch das Problem, dass der Permanentmagnet Stößen und somit mechanischen Kräften ausgesetzt ist, die zu einer Entmagnetisierung und somit zum Verlust der Haltekraft führen können.In the mentioned actuators, however, there is the problem that the permanent magnet shocks and thus mechanical forces is exposed, which can lead to demagnetization and thus the loss of holding power.
Des Weiteren ist aus der
Bei all diesen bekannten Aktuatoren zeigt sich der Nachteil, dass die passive Rückführung des Stößels nicht immer funktioniert, da keine ausreichende Kraft zur Überbrückung des Abstandes zwischen der Ankerplatte und dem übrigen permanentmagnetischen Kreis aufgebracht werden kann. Aufgrund der beim Einbau eines derartigen Aktuators zur Nockenwellenverstellung immer notwendigen Toleranzen, muss jedoch ein Anziehen des Stößels in seine Halteendposition bereits bei einem Abstand von ca. 1 mm sichergestellt werden. Des Weiteren muss bei den bekannten Aktuatoren eine relativ große Masse bei der Betätigung beschleunigt werden.In all these known actuators has the disadvantage that the passive return of the plunger does not always work because no sufficient force can be applied to bridge the distance between the armature plate and the rest of the permanent magnetic circuit. Due to the always necessary for the installation of such an actuator for camshaft adjustment tolerances, however, a tightening of the plunger must be ensured in its Halteendposition already at a distance of about 1 mm. Furthermore, in the known actuators, a relatively large mass must be accelerated upon actuation.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Aktuator zu schaffen, bei dem ohne Betätigung des Elektromagneten bereits sichergestellt ist, dass die Ankerplatte und damit der Stößel bereits bei einem größeren Abstand vom übrigen permanentmagnetischen Kreis in ihre eingefahrene Stellung gezogen wird. Gleichzeitig muss eine zu große und somit über einen Elektromagneten normaler Größe nicht mehr lösbare Haftkraft in der Endstellung verhindert werden. Zusätzlich soll eine mechanische Belastung des Permanentmagneten möglichst vermieden werden. Eine lange Lebensdauer des Aktuators bei möglichst geringem Stromverbrauch soll erreicht werden.It is therefore the object to provide an actuator in which without actuation of the solenoid is already ensured that the armature plate and thus the plunger is already pulled at a greater distance from the rest of the permanent magnetic circuit in its retracted position. At the same time a too large and thus not solvable about an electromagnet normal size adhesive force in the final position must be prevented. In addition, a mechanical load on the permanent magnet should be avoided as much as possible. A long life of the actuator with the lowest possible power consumption should be achieved.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass die Mittel zur Bündelung der axialen magnetischen Feldlinien durch einen am Joch ausgebildeten, sich axial in Richtung zu einer sich vom Anker radial erstreckenden Ankerplatte erstreckenden Fortsatz verringerter Dicke gebildet sind, der in der Halteendstellung die Ankerplatte zumindest teilweise radial umgibt und/oder durch einen sich axial in Richtung zum Anker erstreckenden Abschnitt des Kerns gebildet sind, der in der Halteendstellung in einen Hohlraum des Ankers hineinragt, wird die in Bewegungsrichtung des Stößels wirkende Permanentmagnetkraft erhöht, wodurch der Stößel bereits bei größerem Abstand zum übrigen permanentmagnetischen Kreis angezogen wird. Zusätzlich entfällt eine mechanische Belastung des Permanentmagneten durch Stöße, so dass dessen Funktionalität über einen langen Zeitraum sichergestellt wird. Die zu bewegende Masse ist sehr klein, so dass keine hohen Stellkräfte aufgebracht werden müssen. Die sich radial erstreckende Ankerplatte dient zum Schließen der magnetischen Kreise, wobei der permanentmagnetische Kreis nur in der Halteposition schließbar ist. Durch den am Joch sich axial in Richtung zur Ankerplatte erstreckenden Fortsatz verringerter Dicke, der in der Halteendstellung die Ankerplatte zumindest teilweise radial umgibt, werden entsprechend die magnetischen Feldlinien aus dem Joch gebündelt. Aufgrund der geringen Dicke des Fortsatzes weisen die Feldlinien auch vor allem eine axiale Richtung auf. Entsprechend wirkt dieses gebündelte Feld auf die Ankerplatte bereits, wenn die Ankerplatte sich noch in einem Abstand zu ihrem Auflagepunkt befindet, da je nach Höhe des Fortsatzes auch die magnetische. Kraft über den Fortsatz auf die Ankerplatte wirkt, so dass ein entsprechender Abstand zur Auflagefläche überwunden werden kann.This object is achieved by the characterizing part of the main claim. Characterized in that the means for concentrating the axial magnetic field lines are formed by an extension formed on the yoke, extending axially in the direction of an armature plate radially extending armature plate of reduced thickness, which surrounds the armature plate at least partially radially in the Halteendstellung and / or by an axially extending in the direction of the armature portion of the core are formed, which protrudes in the Halteendstellung into a cavity of the armature, acting in the direction of movement of the plunger permanent magnet force is increased, whereby the plunger is already attracted at a greater distance to the rest permanent magnetic circuit. In addition, a mechanical load of the permanent magnet due to shocks, so that its functionality is ensured over a long period of time. The mass to be moved is very small, so that no high actuating forces must be applied. The radially extending armature plate is used to close the magnetic circuits, wherein the permanent magnetic circuit can be closed only in the holding position. By the yoke axially extending in the direction of the armature plate extension of reduced thickness, which surrounds the armature plate at least partially radially in the Halteendstellung, the magnetic field lines are bundled from the yoke accordingly. Due to the small thickness of the extension, the field lines also mainly have an axial direction. Accordingly, this focused field acts on the anchor plate already when the anchor plate is still at a distance to its support point, since depending on the height of the extension and the magnetic. Force on the extension acts on the anchor plate, so that a corresponding distance to the support surface can be overcome.
Durch den Hohlraum in Anker wird das Gewicht des Ankers verringert, so dass Trägheitskräfte und somit benötigte Halte- und Verstellkräfte sinken und eine schnellere Betätigung möglich ist. Der sich axial in Richtung zum Anker erstreckende Abschnitt des Kerns, der in der Halteendstellung in den Hohlraum des Ankers hineinragt, besitzt im Wesentlichen die gleiche Wirkung, wie der sich axial erstreckende Fortsatz am Joch. Auch hier werden Feldlinien in axialer Richtung gebündelt und in Bereiche geführt, die einen axialen Abstand zwischen den Teilen des magnetischen Kreises verringern, um auch bei einer Enfernung von ca. 1 mm von der Halteendstellung eine Kraft aus den Anker auszuüben, die diesen in Richtung seiner Halteendstellung bewegt.Through the cavity in anchor the weight of the armature is reduced so that inertial forces and thus required holding and adjusting forces decrease and faster actuation is possible. The axially extending in the direction of the armature portion of the core, which projects into the holding end position in the cavity of the armature, has substantially the same effect as the axially extending projection on the yoke. Here, too, field lines are bundled in the axial direction and guided into areas which reduce an axial distance between the parts of the magnetic circuit to exert a force from the armature, even at an distance of about 1 mm from the holding end position, in the direction of its Holding end position moves.
Vorzugsweise ist als Mittel zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien der Permanentmagnet axial zwischen dem Kern und dem Joch angeordnet und sind der Kern und der Permanentmagnet radial beabstandet vom Joch angeordnet. Durch die axiale Anordnung des Permanentmagneten wird eine mechanische Stoßbelastung dessen ausgeschlossen. Durch den radialen Abstand zwischen dem Magnet beziehungsweise dem Kern und dem Joch wird ein Übertreten magnetischer Feldlinien in radialer Richtung im permanentmagnetischen Kreis vermieden. Es findet somit eine Bündelung axialer magnetischer Feldlinien statt, da sich das Magnetfeld nur in diese Richtung fortsetzen kann. Dies führt zu einer erhöhten magnetischen Kraft in axialer Richtung, also in Bewegungsrichtung des Stößels bei gleichbleibend großem Magneten.Preferably, as means for concentrating axial magnetic field lines, the permanent magnet is arranged axially between the core and the yoke, and the core and the permanent magnet are arranged radially spaced from the yoke. Due to the axial arrangement of the permanent magnet, a mechanical impact load is excluded. Due to the radial distance between the magnet or the core and the yoke, a violation of magnetic field lines in the radial direction in the permanent magnetic circuit is avoided. Thus, a bundling of axial magnetic field lines takes place, since the magnetic field can continue only in this direction. This leads to an increased magnetic force in the axial direction, ie in the direction of movement of the plunger with a constant large magnet.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist im Hohlraum des Ankers ein Federelement angeordnet, welches gegen einen im Innern des Ankers ausgebildeten Anschlag und gegen den Kern anliegt. Im Vergleich zu bekannten Ausführungen kann hierdurch nicht nur die bewegte Masse sondern auch der benötigte axiale Bauraum verringert werden.In a further embodiment, a spring element is arranged in the cavity of the armature, which rests against a stop formed in the interior of the armature and against the core. Compared to known designs, not only the moving mass but also the required axial space can be reduced as a result.
Vorzugsweise ist die Ankerplatte in der Halteendstellung beabstandet vom Joch angeordnet. Entsprechend wird in der eingefahrenen Endposition ein Spalt im magnetischen Kreis aufrecht erhalten. Durch diesen Spalt wird die Haltekraft des Permanentmagneten so verringert, dass ein Lösen der Ankerplatte mit einem üblichen Elektromagneten möglich bleibt. Die sonst sehr hohen magnetischen Kräfte werden somit reduziert um kleinere Elektromagneten oder eine geringere Stromstärke zum Lösen der Haltekraft verwenden zu können.Preferably, the anchor plate is spaced apart from the yoke in the holding end position. Accordingly, a gap in the magnetic circuit is maintained in the retracted end position. Through this gap, the holding force of the permanent magnet is reduced so that a release of the armature plate with a conventional electromagnet remains possible. The otherwise very high magnetic forces are thus reduced to use smaller electromagnet or a lower amperage to release the holding power can.
In einer alternativen oder weiterführenden Ausgestaltung ist der Anker in der Halteendstellung beabstandet vom Kern angeordnet. Auch dies verringert die Haltekraft des Permanentmagneten in gleicher Weise.In an alternative or further embodiment, the armature is arranged in the holding end position at a distance from the core. This also reduces the holding force of the permanent magnet in the same way.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchmesser des Permanentmagneten größer als der freie Durchmesser im Innern des Spulenträgers und ist der Permanentmagnet am zum Stößel abgewandten Ende der Spule angeordnet. Somit können starke relativ groß bauende Permanentmagneten verwendet werden, mit denen ausreichende Anziehungskräfte auch bei beabstandeten Teilen des magnetischen Kreises erzielt werden können.In an advantageous embodiment of the invention, the diameter of the permanent magnet is greater than the free diameter in the interior of the bobbin and the permanent magnet is arranged on the end facing away from the plunger of the coil. Thus, strong relatively large-sized permanent magnets can be used with which sufficient attraction forces can be achieved even at spaced portions of the magnetic circuit.
Vorzugsweise ist im Gehäuse eine Auflagefläche für die Ankerplatte in ihrer zweiten Endstellung ausgebildet, wobei in der Auflagefläche zumindest ein zusätzlicher Permanentmagnet angeordnet ist. So kann in der zweiten Endstellung eine zusätzliche Haltekraft erzeugt werden, deren Magnetfeld auch zur Lagerückmeldung nutzbar ist.Preferably, a support surface for the armature plate is formed in the housing in its second end position, wherein in the support surface at least one additional permanent magnet is arranged. Thus, an additional holding force can be generated in the second end position, the magnetic field is also available for bearing feedback.
Vorzugsweise ist in einem Gehäuse des Aktuators ein berührungsloser Sensor angeordnet, über den ein sich mit Bewegung der Ankerplatte veränderndes magnetisches Feld detektierbar ist. Diese Feldänderung bewirkt ein unterschiedliches Ausgangssignal des Sensors dessen Größe ein Maß für die Position des Stößels ist. Somit wird eine genaue Lagerückmeldung möglich. Dabei können je nach verwendetem Sensor sowohl sich ändernde Feldlinienrichtungen als auch -stärken zur Lagemessung benutzt werden. Die bewegliche Ankerplatte erzeugt dabei eine Feldänderung bei ihrer Bewegung.Preferably, a non-contact sensor is arranged in a housing of the actuator, via which a changing with movement of the armature plate magnetic field is detected. This field change causes a different output signal of the sensor whose size is a measure of the position of the plunger. Thus, a precise bearing feedback is possible. Depending on the sensor used, both changing field line directions and strengths can be used for position measurement. The movable anchor plate generates a field change during their movement.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind zwei Stellelemente nebeneinander im Gehäuse angeordnet. Dabei kann zur Verstellung eines Schiebenockens das erste Stellelement den Nocken in eine erste Richtung verschieben und das zweite Stellelement den Nocken in die entgegengesetzte Richtung verschieben. Entsprechend ist eine Betätigung jeweils nur eines der Stellelemente notwendig und gewünscht. Deren Anordnung in einem gemeinsamen Gehäuse vereinfacht die Montage und verringert den benötigten Bauraum.In a particularly advantageous embodiment, two adjusting elements are arranged side by side in the housing. In this case, to adjust a sliding cam, the first adjusting element to move the cam in a first direction and the second actuator to move the cam in the opposite direction. Accordingly, an actuation only one of the actuating elements is necessary and desired. Their arrangement in a common housing simplifies assembly and reduces the required space.
In einer weiterführenden Ausführung ist auf einer Symmetrieachse der beiden Stellelemente im Gehäuse der berührungslose Sensor angeordnet, der mit beiden Stellelementen wirkverbunden ist, wobei jedem Stellelement je ein zusätzlicher Permanentmagnet zugeordnet ist, wobei die beiden Permanentmagnete entgegengesetzt polarisiert mit dem Sensor wirkverbunden sind. Aufgrund der Lage des Sensors ist es somit möglich, mit nur einem Sensor die Lage beider Stellelemente aufgrund der unterschiedlichen Richtung der Feldlinien zu detektieren. Entsprechend wird die Anzahl der verwendeten Bauelemente im Vergleich zu bekannten Ausführungen verringert. In a further embodiment, the non-contact sensor is arranged on an axis of symmetry of the two control elements in the housing, which is operatively connected to two actuators, each actuator is associated with an additional permanent magnet, wherein the two permanent magnets are polarized opposite to the sensor operatively connected. Due to the position of the sensor, it is thus possible to detect the position of both control elements with only one sensor due to the different direction of the field lines. Accordingly, the number of components used is reduced compared to known designs.
Es wird somit ein Aktuator geschaffen, der eine ausreichende Kraft zum Anziehen des Stößels auch aus einer Entfernung von über 1 mm zur Endlagenposition aufbringen kann. Dennoch bleibt die Haltekraft in dieser Endlage derart, dass ein Lösen mittels eines normalen Elektromagneten möglich bleibt. Mehrere derartiger Stellelemente können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und deren Stellung mittels eines gemeinsamen Stellungssensors detektiert werden. Der erfindungsgemäße Aktuator benötigt aufgrund seiner geringen Ausdehnung nur einen kleinen Bauraum. Er weist durch die geringe mechanische Belastung des Permanentmagneten eine hohe Lebensdauer auf.There is thus provided an actuator which can apply a sufficient force to tighten the plunger even from a distance of about 1 mm to the end position. Nevertheless, the holding force in this end position remains such that a release by means of a normal electromagnet remains possible. Several such control elements can be arranged in a common housing and their position can be detected by means of a common position sensor. The actuator according to the invention requires only a small space due to its small size. It has a high durability due to the low mechanical load of the permanent magnet.
Zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Aktuatoren sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.Two embodiments of actuators according to the invention are shown in the figures and will be described below.
Das in
Der elektromagnetische Kreis
Der Außendurchmesser des Ankers
Der permanentmagnetische Kreis
Der Kern
Des Weiteren ist am Joch
Die Funktionsweise des konstruktiv im Vorangegangen beschriebenen Aktuator wird im Folgenden anhand einer Anwendung des Aktuators zur Schiebenockenverstellung beschrieben.The operation of the constructively described in the foregoing actuator is described below with reference to an application of the actuator for sliding cam adjustment.
In seiner Ausgangsstellung, welches der eingefahrenen Position oder der Halteendstellung des Stößels
Soll nun einer der Schiebenocken auf einer Nockenwelle betätigt werden, muss der Stößel
Der Stößel
Hierzu dient der sich axial erstreckende Fortsatz, von dem aus sich permanentmagnetische Feldlinien in Richtung zu Ankerplatte
Zusätzlich wird ersichtlich, dass keine mechanische Belastung des Permanentmagneten
Als zusätzliche Maßnahme zur Bündelung der permanentmagnetischen axial wirkenden Feldlinien dient der sich axial erstreckende Abschnitt
Der in
Als weiterer Unterschied ergibt sich lediglich die Anordnung des Federelementes im Stößel
Aus
Es wird deutlich, dass der beschriebene Aktuator einen geringen Stromverbrauch sowie durch die geringe mechanische Belastung des Magneten eine hohe Lebensdauer aufweist. Ein mögliches Lösen ohne zu große aufzubringende Stellkräfte wird ebenso sichergestellt wie eine ausreichende Anzugskraft durch den permanentmagnetischen Kreis vor Erreichen der Halteendstellung. Eine Haltekraft und eine Lagerückmeldung auch bei zwei Stellelementen in einem Gehäuse wird mit nur einem Sensor sichergestellt und ein ungewolltes Lösen verhindert. Des Weiteren besteht eine gute elektromagnetische Verträglichkeit.It becomes clear that the described actuator has a low power consumption as well as a high service life due to the low mechanical load of the magnet. A possible release without too large to be applied actuating forces is also ensured as a sufficient tightening force by the permanent magnetic circuit before reaching the holding end position. A holding force and a bearing feedback even with two actuators in a housing is ensured with only one sensor and prevents unwanted loosening. Furthermore, there is good electromagnetic compatibility.
Es sollte deutlich sein, dass konstruktive Änderungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Schutzbereich des Hauptanspruchs denkbar sind und eine Verwendung eines derartigen Aktuators auch in anderen Bereichen möglich ist. So wäre es beispielsweise möglich, eine Anziehungskraft zum Erreichen der Halteendstellung durch Bestromen der Spule zu erzeugen. Hierzu wäre die Stromrichtung im Vergleich zum Lösen des Stellelementes aus der Halteendstellung umzukehren. Dies würde zu einem das Permanentmagnetfeld verstärkenden Feld führen und somit ebenfalls ein Rückführen des Ankers in die Ausgangsposition unterstützen. Des Weiteren lassen sich unterschiedliche konstruktive Formen zur Verstärkung oder Schwächung der vorhandenen permanent- und elektromagnetischen Felder entwickeln.It should be clear that design changes of the described embodiments in the scope of the main claim are conceivable and a use of such an actuator in other areas is possible. For example, it would be possible to create an attractive force for achieving the holding end position by energizing the coil. For this purpose, the current direction in comparison to the release of the actuating element from the holding end position would be reversed. This would lead to a permanent magnetic field amplifying field and thus also support a return of the armature to the starting position. Furthermore, different constructive forms can be developed to reinforce or weaken existing permanent and electromagnetic fields.
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