DE10241591A1 - Electromagnetic actuator drive especially for combustion engine gas-exchange valves, has sleeve-shaped armature mounted on carrier element and designed as common armature for both magnets - Google Patents

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Abstract

An electromagnetic actuator drive has two pot-type magnets (4,4a) arranged coaxially in a housing, and with their pole plates positioned with a given spacing opposite one another and with a movable carrier element located between them and having a sleeve-shaped armature fixed to it. The pole plates (7,7a) have an annular air-gap (12,12a) and the sleeve-shaped armature on the carrier element (11) is designed as a common armature of both pot-type magnets (4,4a) and is displaceable in the air-gap. The thickness of the pole plates (7,7a) at least corresponds to the stroke of the carrier element, and the latter can be positioned, together with the associated actuating element (10), along the stroke.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellantrieb, vorzugsweise zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Kolbenbrennkraftmaschinen, mit zwei koaxial in einem Gehäuse angeordneten Topfmagneten, deren Polplatten in einem vorgegebenen Abstand zueinander gegenüberstehen und bei dem sich zwischen diesen ein verschiebbares Trägerelement befindet, an dem ein hülsenförmiger Anker befestigt ist.The invention relates to an electromagnetic Actuator, preferably for actuating gas exchange valves in piston internal combustion engines, with two coaxially arranged in one housing Pot magnets whose pole plates are at a predetermined distance from each other face and in which there is a displaceable carrier element is on which a sleeve-shaped anchor is attached.

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen werden die Gaswechselvorgänge in der Regel durch Ventile gesteuert so dass ein Brennstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum gelangen, dort verbrennen und danach als Abgas entweichen kann. Zu diesem Zweck werden die Ventile über eine oder mehrere Nockenwellen entsprechend synchron zur Kolbenbewegung betätigt, um den Ladungswechsel zu bewerkstelligen. Da die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile durch die Nockenwelle vorgegeben sind, wird üblicherweise für die Steuerung der Menge und des Verhältnisses des zugeführten Brennstoff/Luft-Gemisches eine Drosselklappe verwendet. Eine derartige Motorsteuerung ist allerdings sehr verlustbehaftet, da die Drosselverluste insbesondere im Teillastbereich erheblich sind.With piston internal combustion engines the gas exchange processes usually controlled by valves so that a fuel / air mixture get into the combustion chamber, burn there and then as exhaust gas can escape. For this purpose, the valves are over a or several camshafts in synchronism with the piston movement actuated, to accomplish the charge change. Since the opening and closing times the valves are predetermined by the camshaft is usually for the Control of quantity and ratio of the fed Fuel / air mixture uses a throttle valve. Such one However, engine control is very lossy because of the throttle losses are considerable in particular in the partial load range.

Um hier eine deutliche Verbesserung zu erreichen, wird eine Drosselklappen freie Steuerung angestrebt. Das bedeutet, dass der Ladungswechsel dann direkt durch die Steuerung des Öffnungsquerschnittes der Einlassventile, d.h. durch den Ventilhub und deren Öffnungszeit erfolgen muss. Der Vorteil hierbei ist, dass fast keine Strömungswiderstände mehr auftreten.To make a significant improvement here to achieve a throttle-free control is aimed. This means that the charge change is then carried out directly by the control system of the opening cross section the intake valves, i.e. through the valve lift and its opening time must be done. The advantage here is that there are almost no flow resistances occur.

In „MTZ Motortechnische Zeitschrift 62, 2002, 6, Seiten 450 bis 463" wurde bereits ein Ottomotor beschrieben, der über einen vollvariablen Ventiltrieb mit einem mechanischem Verstellsystem verfügt. Dieses vollvariable Ventilsteuerungssystem erschließt durch eine weitgehende Vermeidung der Drosselverluste das größte Einsparpotenzial bei Ottomotoren.In “MTZ Motortechnische Zeitschrift 62, 2002, 6, pages 450 to 463 ", a gasoline engine has already been described, the over a fully variable valve train with a mechanical adjustment system features. This fully variable valve control system opens up through the greatest savings potential is to avoid throttling losses as far as possible in gasoline engines.

Der variable mechanische Ventilhub wird hier durch einen Zwischenhebel und eine zusätzliche Welle mit Exzenternocken erreicht. Der Exzenter der Exzenterwelle stellt den Drehpunkt des Zwischenhebels und damit den Ventilhub ein. Die Exzenterwelle ist mit einem Drehwinkelsensor gekoppelt und wird von einem Elektromotor angetrieben. Der besondere Vorteil hierbei ist, dass der Ventilhub von Leerlauf zu volllast in kürzester Zeit verstellt werden kann.The variable mechanical valve lift is here by an intermediate lever and an additional shaft with eccentric cams reached. The eccentric of the eccentric shaft is the fulcrum of the Intermediate lever and thus the valve lift. The eccentric shaft is coupled with a rotation angle sensor and is powered by an electric motor driven. The particular advantage here is that the valve lift from idle to full load in the shortest possible time Time can be adjusted.

Von Nachteil ist hierbei der erhebliche mechanische Aufwand und der damit verbundene unvermeidbare Verschleiß, der dann durch weitere technische Maßnahmen teilweise kompensiert werden muss.The disadvantage here is the considerable mechanical effort and the associated unavoidable wear, which then through further technical measures must be partially compensated.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, sind verschiedene Feder-Anker-Systeme mit Elektromagneten als Stellelemente für das Ventil bzw. den Ventilschaft von Ottomotoren bekannt geworden.To eliminate this disadvantage are different spring-anchor systems with electromagnets as control elements for the valve or the valve stem of petrol engines.

So beschreibt die DE 33 07 070 C2 ein Feder-Masse-System, bei dem zwei Elektromagnete in einem Abstand zueinander angeordnet sind, zwischen deren Polflächen ein Anker entsprechend der Bestromung hin und her bewegt wird. Der Anker ist hier mit dem Ventilschaft fest verbunden und öffnet und schließt das Ventil entsprechend. Der Anker weist ferner eine Ankerplatte auf, auf die zwei vorgespannte Rückstellfedern einwirken, so dass das Feder-Masse-System gebildet wird. Bei Stromabschaltung eines der Elektromagnete schwingt das System in die jeweils andere Endstellung und wird dort vom Magneten festgehalten. Es sind damit zwei Schaltstellungen realisierbar.So describes the DE 33 07 070 C2 a spring-mass system in which two electromagnets are arranged at a distance from one another, between the pole faces of which an armature is moved back and forth in accordance with the current supply. The armature is firmly connected to the valve stem and opens and closes the valve accordingly. The armature furthermore has an armature plate, on which two prestressed return springs act, so that the spring-mass system is formed. When one of the electromagnets is switched off, the system swings into the other end position and is held there by the magnet. Two switch positions can thus be implemented.

Um das System betriebsbereit zu machen, muss der Anker in eine der beiden Endstellungen gebracht werden, was durch Erzeugung von Schwingungen mit zunehmender Amplitude erreicht wird, bis ein Elektromagnet den Anker in einer Endstellung einfängt und festhält.To make the system ready for operation, the anchor can be brought into one of the two end positions, what achieved by generating vibrations with increasing amplitude until an electromagnet catches the armature in an end position and holds.

Der Nachteil dieses Systems ist neben der unvermeidbaren Geräuschentwicklung, dass dieses erst startbereit gemacht werden muss, da der Anker in neutraler Stellung zwischen den beiden Endstellungen ruht und nicht von einem der Elektromagnete in eine der Endstellungen gezogen werden kann. Außerdem ist ein Drosselklappen freier Betrieb nicht möglich, da nur zwischen den beiden Endstellungen geschaltet werden kann. Außerdem muss der Brennraum bzw. der Kolben so gestaltet sein, dass während des Schwingvorganges zwischen dem ebenfalls in Schwingungen versetzten Ventiles und dem Kolben im oberen Totpunkt keinerlei Kontakt auftreten kann.The disadvantage of this system is besides the inevitable noise, that this has to be made ready to start as the anchor in neutral position between the two end positions and not be pulled into one of the end positions by one of the electromagnets can. Moreover throttle valve free operation is not possible because only between the both end positions can be switched. In addition, the combustion chamber or the piston should be designed so that during the oscillation process between the also vibrated valve and the Piston at top dead center no contact can occur.

Aus der US 6,216,653 B1 ist weiterhin ein Gaswechselventil bekannt geworden, bei dem das bekannte Feder-Anker-System mit zwei gegeneinander auf den Anker wirkenden Federn mit zwei einander gegenüberstehend angeordneten Elektromagneten durch einen hohlzylinderförmigen Permanentmagnet ergänzt worden ist. Dadurch tritt auch bei unbestromten Elektromagneten ein ausreichender Magnetfluss auf, der den Anker in einer Endstellung (Ventil auf oder zu) hält. Kennzeichnend für einen solchen Antrieb ist allerdings, dass die Magnet kraft mit zunehmender Annäherung des Scheibenteiles an eine der Polplatten exponentiell zunimmt. Das hat zur Folge, dass ein hartes Aufschlagen nicht vermieden werden kann.From the US 6,216,653 B1 a gas exchange valve has also become known, in which the known spring-armature system with two springs acting against each other on the armature with two electromagnets arranged opposite one another has been supplemented by a hollow cylindrical permanent magnet. As a result, a sufficient magnetic flux occurs even when the electromagnet is not energized, which holds the armature in an end position (valve open or closed). It is characteristic of such a drive, however, that the magnetic force increases exponentially with increasing proximity of the disk part to one of the pole plates. As a result, a hard hit cannot be avoided.

Mit den Elektromagneten, die hier in Serie geschaltet sind, erfolgt dann im laufenden Betrieb das Umschalten des Ankers zwischen den beiden Endstellungen. Eine kontinuierliche Laststeuerung ist mit diesem System allerdings nicht zu erreichen, dafür aber eine deutliche Verringerung des elektrischen Energieverbrauchs.With the electromagnets here are connected in series, this is done during operation Switch the armature between the two end positions. A continuous one However, load control cannot be achieved with this system, but for that a significant reduction in electrical energy consumption.

Schließlich beschreibt die US 6,308,667 B1 ein Gaswechselventil mit einem scheibenförmigen Anker, der mit kranzförmigen Zähnen versehen ist, die mit entsprechend geformten Nuten der Magnetkerne korrespondieren. Durch diese Anordnung soll der sonst exponentiell steile Abfall der Anziehungskraft vermieden und eine Linearisierung des Verlaufes der Anziehungskraft erreicht werden. Damit soll auch bei einem größeren Abstand noch genügend Magnetkraft zur Verfügung stehen. Dieses System ist wie die bereits vorher beschriebenen Systeme als Feder-Masse-System ausgelegt, mit dem bei entsprechender Bestromung der Elektromagnete zwischen zwei Endstellungen hin und her geschaltet werden kann.Finally describes the US 6,308,667 B1 a gas exchange valve with a disk-shaped armature which is provided with ring-shaped teeth, which correspond to correspondingly shaped grooves of the magnetic cores. This arrangement is intended to avoid the otherwise exponentially steep drop in the attractive force and to linearize the course of the attractive force. This should provide enough magnetic force even with a larger distance. Like the systems already described, this system is designed as a spring-mass system, which can be used to switch between two end positions when the electromagnets are suitably energized.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Stellantrieb zu schaffen, der beim Einschalten sofort betriebsbereit ist und der insbesondere zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Kolbenbrenkraftmaschinen mit variablem Ventilhub geeignet ist.Based on this state of the art the invention has for its object an electromagnetic actuator to create, which is immediately operational when switched on and which in particular for actuation of gas exchange valves in piston internal combustion engines with variable Valve stroke is suitable.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird von einem elektromagnetischen Stellantrieb, vorzugsweise zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Kolbenbrennkraftmaschinen ausgegangen. Dieser Stellantrieb besteht aus zwei koaxial in einem Gehäuse angeordneten Topfmagneten, deren Polplatten in einem vorgegebenen Abstand einander gegenüberstehen. Zwischen den Polplatten befindet sich eine verschiebbares Trägerelement, welches durch einen hülsenförmigen Anker umgeben ist.To solve the problem underlying the invention The task is performed by an electromagnetic actuator, preferably for actuating Gas exchange valves in piston internal combustion engines. This Actuator consists of two pot magnets arranged coaxially in a housing Pole plates face each other at a predetermined distance. There is a sliding support element between the pole plates, which by a sleeve-shaped anchor is surrounded.

Gemäß der Erfindung weisen die Polplatten der Topfmagnete einen ringförmigen Luftspalt auf, wobei der an dem Trägerelement befestigte hülsenförmige Anker als gemeinsamer Anker der beiden Topfmagnete ausgebildet ist. Der hülsenförmige Anker ist in den Luftspalt verschiebbar, wobei die Stärke der Polplatten mindestens dem Hubweg des Trägerelementes entspricht und wobei das Trägerelement und das mit diesem verbundene Betätigungsorgan entlang des Hubes beliebig positionierbar ist.According to the invention, the Pole plates of the pot magnets have an annular air gap, whereby the on the support member attached sleeve-shaped anchors is designed as a common anchor of the two pot magnets. The sleeve-shaped anchors is displaceable in the air gap, the thickness of the pole plates at least the stroke of the carrier element corresponds and wherein the carrier element and along the associated actuator the stroke can be positioned as desired.

Der besondere Vorteil dieses elektromagnetischen Stellantriebes ist darin zu sehen, dass das Trägerelement mit dem hülsenförmigen Anker bei entsprechender Bestromung zwischen den Topfmagneten fixiert werden kann und dass aus einer der beiden Endstellungen heraus die Stellkraft am größten ist und bei Erreichen der anderen Endstellung nahezu Null wird. Damit wird einerseits eine sichere Stellbewegung bei sehr hoher Beschleunigung erreicht und andererseits ein Aufschlagen des Trägerelementes auf die Polplatten verhindert. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass der Stellantrieb beim Einschalten sofort betriebsbereit ist.The particular advantage of this electromagnetic Actuator can be seen in the fact that the carrier element with the sleeve-shaped anchor fixed with appropriate current between the pot magnets and that from one of the two end positions the Force is greatest and becomes almost zero when the other end position is reached. In order to on the one hand becomes a safe positioning movement with very high acceleration reached and on the other hand an impact of the carrier element on the pole plates prevented. At the same time it ensures that the actuator is immediately ready for use when switched on.

In einer ersten Fortführung der Erfindung ist die Position des Trägerelementes entlang des Hubweges (s) durch entsprechende unabhängige Einstellung der durch die Spulen geleiteten Ströme I1 und I2 beliebig positionierbar ist.In a first continuation of the invention, the position of the carrier element along the stroke path (s) can be positioned as desired by appropriate independent adjustment of the currents I 1 and I 2 conducted through the coils.

Darüber hinaus lässt sich der erfindungsgemäße elektromagnetische Stellantrieb bei entsprechender Dimensionierung für beliebige Stellaufgaben einsetzen und ist daher nicht auf das Einsatzfeld der Betätigung von Gaswechselventilen beschränkt.In addition, the electromagnetic according to the invention Actuator with appropriate dimensions for any Use positioning tasks and is therefore not on the field of application of actuation limited by gas exchange valves.

Der hülsenförmige Anker besteht aus einem weichmagnetischen Material, wobei dieser jeweils einseitig vollständig in den Luftspalt des jeweiligen Topfmagneten einfahrbar ist. Die Wandstärke des hülsenförmigen Ankers ist dabei so zu bemessen, dass ein Optimum bezüglich der Sättigung und der Kraftwirkung erreicht wird.The sleeve-shaped anchor consists of a soft magnetic Material, this one-sided completely in the air gap of the respective pot magnet is retractable. The wall thickness of the sleeve-shaped anchor is to be dimensioned so that an optimum in terms of saturation and the force effect is achieved.

In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass innerhalb der Gehäuseteile jeweils ein ringförmiger Ansatz hervorsteht, wobei sich der ringförmige Luftspalt zwischen dem ringförmigen Ansatz und dem Umfang der Polplatten befindet.In a variant of the invention provided that in each case an annular approach within the housing parts protrudes, with the annular air gap between the annular Approach and the circumference of the pole plates is located.

Um eine maximale Stellkraft aus einer der Endstellungen heraus zu erreichen, steht die innere Kante des hülsenförmigen Ankers im ausgefahrenen Zustand (zeichnungsgemäß untere oder obere Endposition) der äußeren unteren oder oberen Kante der jeweiligen Polplatte gegenüber.To get a maximum actuating force from a to reach the end positions, the inner edge of the sleeve-shaped anchor in the extended state (lower or upper end position according to the drawing) the outer lower or top edge of the respective pole plate opposite.

In weiterer Fortführung der Erfindung ist das Trägerelement mit einem zentrisch in den Topfmagneten geführten Betätigungsorgan fest verbunden, der zugleich als Ventilschaft ausgebildet ist, so dass der elektromagnetische Stellantrieb unmittelbar zur Steuerung eines Gaswechselventiles einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann.The carrier element is a further development of the invention with a centrally guided in the pot magnet actuator that is also designed as a valve stem, so that the electromagnetic Actuator directly for controlling a gas exchange valve an internal combustion engine can be used.

Damit die elektromagnetischen Eigenschaften des Stellantriebes nicht negativ beeinflusst werden und um eine lineare Kraft-Weg-Kennlinie zu erreichen, besteht das Trägerelement aus einem unmagnetischen Material. So lange die Sättigung des Magnetwerkstoffes nicht erreicht ist, ist die Stellkraft bzw. die Magnetkraft dem Strom durch die Magnetspulen proportional.So that the electromagnetic properties of the actuator are not adversely affected and by one To achieve linear force-displacement characteristics, the support element is made made of a non-magnetic material. So long the saturation of the magnetic material is not reached, the positioning force or the magnetic force is proportional to the current through the solenoids.

Für eine präzise und reibungsarme Führung des Trägerelementes mit dem Hülsenteil für Messzwecke kann der Schaft in Axialkugellagern oder ähnlichen Lagern innerhalb der Topfmagnete geführt werden. Im normalen Einsatz genügt eine einfache Gleitlagerung, die ggf. mit in die Motorschmierung einbezogen wird.For a precise and smooth management of the support element with the sleeve part for measuring purposes can the shaft in axial ball bearings or similar bearings within the Pot magnets are guided. In normal use it is enough a simple plain bearing, which may be included in the engine lubrication becomes.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der hülsenförmige Anker federbelastet in einer der beiden Hubendstellungen. Hierzu genügt eine entsprechend dimensionierte Feder, die lediglich das Eigengewicht der Baugruppe, bestehend aus Gaswechselventil, Betätigungsorgan, Trägerelement und hülsenförmigem Anker, zu überwinden hat. Diese Feder hat im bestromten Zustand des elektromagnetischen Stellantriebes, also während der Realisierung der Stellvorgänge, keine Funktion.In a special configuration the invention, the sleeve-shaped anchor is spring-loaded in one of the two stroke end positions. An appropriately dimensioned is sufficient for this Spring consisting of only the dead weight of the assembly Gas exchange valve, actuator, support element and sleeve-shaped anchor, to overcome Has. This spring has the energized state of the electromagnetic Actuator, so during the Realization of the positioning processes no function.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen:The invention is intended to be described below an embodiment are explained in more detail. To show:

1: eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellantriebes; 1 : A sectional view of an electromagnetic actuator according to the invention;

2: eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellantriebes mit Gleitlagern, und 2 : A sectional view of an electromagnetic actuator according to the invention with plain bearings, and

3: die Weg-Kraft-Kennlinie des elektromagnetischen Stellantriebes nach 1. 3 : the distance-force characteristic of the electromagnetic actuator 1 ,

Der elektromagnetische Stellantrieb entsprechend der Erfindung besteht aus einem zylinderförmigen Gehäuse 1, bestehend aus zwei Gehäuseteilen 2, 2a, die über eine Schraubverbindung 3 axial miteinander verschraubt sind.The electromagnetic actuator according to the invention consists of a cylindrical housing 1 , consisting of two housing parts 2 . 2a that have a screw connection 3 are screwed together axially.

Diese Gehäuseteile 2, 2a sind Bestandteil des Magnetkreises von zwei Topfmagneten 4, 4a, bestehend aus einem Weicheisenkern 5, 5a, der an einer stirnseitig in das Gehäuseteil 2, 2a eingelassenen Verschlussplatte 6, 6a zentrisch befestigt ist. An dem der Verschlussplatte 6, 6a gegenüberliegenden Ende der Weicheisenkerne 5, 5a befindet sich eine einstückig mit diesem verbundene Polplatte 7, 7a. Schließlich beinhalten die Topfmagnete noch eine Spule 8, 8a zur Erzeugung eines Magnetflusses.These housing parts 2 . 2a are part of the magnetic circuit of two pot magnets 4 . 4a consisting of a soft iron core 5 . 5a which on one end in the housing part 2 . 2a recessed cover plate 6 . 6a is attached centrally. On that of the closing plate 6 . 6a opposite end of the soft iron cores 5 . 5a there is a pole plate connected in one piece to this 7 . 7a , Finally, the pot magnets also contain a coil 8th . 8a to generate a magnetic flux.

Zentrisch in den Topfmagneten 4, 4a wird über Axialkugellager 9, 9a ein Betätigungsorgan 10 geführt, an dem sich zwischen den Polplatten 7, 7a ein Trägerelement 11 befindet. Das Axialkugellager 9, 9a ist nur für Messzwecke vorteilhaft. Bei der praktischen Anwendung des elektromagnetischen Stellantriebes können übliche Gleitlager für das Betätigungselement z.B. eines Gaswechselventiles verwendet werden, die ggf. mit in die Motorschmierung einbezogen sind.Centric in the pot magnets 4 . 4a is via axial ball bearings 9 . 9a an actuator 10 led, on which is between the pole plates 7 . 7a a support element 11 located. The thrust ball bearing 9 . 9a is only advantageous for measuring purposes. In the practical application of the electromagnetic actuator, customary plain bearings can be used for the actuating element, for example a gas exchange valve, which may be included in the engine lubrication.

Das Trägerelement 11 und der Schaft 10 sind im Ausführungsbeispiel einstückig aus dem gleichen Material ausgeführt. Da aber nur das Trägerelement 11 aus einem nicht magnetischen Material bestehen muss, kann diese auch kraftschlüssig mit dem Betätigungsorgan 10, z.B. durch Schrumpfen, verbunden sein. Das Trägerelement 11 kann dabei scheibenförmig ausgebildet sein, wobei auch andere Formen, wie radial angeordnete Stützen realisierbar sind.The carrier element 11 and the shaft 10 are made in one piece from the same material in the embodiment. But since only the support element 11 must consist of a non-magnetic material, this can also be non-positively with the actuator 10 , for example by shrinking. The carrier element 11 can be disc-shaped, other shapes, such as radially arranged supports, can also be realized.

Dadurch wird der durch die Topfmagnete 4, 4a erzeugte Magnetfluss nicht ungünstig beeinflusst, und die in 3 dargestellte lineare Kraft-Weg-Kennlinie nicht gestört, wie noch darzustellen ist.This means that the pot magnets 4 . 4a generated magnetic flux is not adversely affected, and the in 3 shown linear force-displacement curve is not disturbed, as can be shown.

Für die Funktion des elektromagnetischen Stellantriebes ist weiterhin ein Luftspalt 12, 12a wichtig, der sich zwischen dem äußeren Umfang der Polplatte 7, 7a und der Innenwand des Gehäuseteiles 2, 2a erstreckt. In diesen Luftspalt 12, 12a kann ein hülsenförmiger Anker 13, der das Trägerelement 11 umschließt, jeweils einseitig eintauchen, also zeichnungsgemäß nach oben in den Luftspalt 12 und nach unten in den Luftspalt 12a.There is still an air gap for the function of the electromagnetic actuator 12 . 12a important, which is between the outer periphery of the pole plate 7 . 7a and the inner wall of the housing part 2 . 2a extends. In this air gap 12 . 12a can be a sleeve-shaped anchor 13 which is the support element 11 encloses, immerse one side at a time, i.e. upwards into the air gap according to the drawing 12 and down into the air gap 12a ,

Um dies zu ermöglichen, muss die Stärke der Polplatte 7, 7a mindestens dem maximalen Hub s des hülsenförmigen Ankers 13 entsprechen.To make this possible, the thickness of the pole plate 7 . 7a at least the maximum stroke s of the sleeve-shaped armature 13 correspond.

Innerhalb des Gehäuseteiles 2, 2a kann auch ein die Polplatten 7, 7a umschließender ringförmiger Ansatz vorgesehen sein, wobei sich der ringförmige Luftspalt 12, 12a dann zwischen dem ringförmigen Ansatz und dem Umfang der Polplatte 7, 7a befindet.Inside the housing part 2 . 2a can also be the pole plates 7 . 7a enclosing annular approach may be provided, wherein the annular air gap 12 . 12a then between the annular shoulder and the periphery of the pole plate 7 . 7a located.

Dieser hülsenförmige Anker 13 besteht aus einem weichmagnetischen Material und ist der gemeinsame bewegliche Anker der beiden Topfmagnete 4, 4a. Wird nun die Spule 8 bestromt, so entsteht eine Magnetkraft F, welche den hülsenförmigen Anker 13 in den Luftspalt 12 hineinzieht. Wird die Spule 8a bestromt, so wird der hülsenförmige Anker 13 entsprechend in den Luftspalt 12a gezogen. Die Beschleunigung des hülsenförmigen Ankers 13, welche dabei jeweils erreicht wird, ist von der Größe des Stromes abhängig.This sleeve-shaped anchor 13 consists of a soft magnetic material and is the common movable anchor of the two pot magnets 4 . 4a , Now the coil 8th energized, there is a magnetic force F, which the sleeve-shaped armature 13 in the air gap 12 draws. Will the coil 8a energized, so the sleeve-shaped anchor 13 accordingly in the air gap 12a drawn. The acceleration of the sleeve-shaped anchor 13 which is achieved depends on the size of the current.

Charakteristisch ist hierbei im Gegensatz zum Stand der Technik, dass die Magnetkraft F um so geringer wird, je tiefer der hülsenförmige Anker 13 in den Luftspalt 12, 12a eintaucht, wie aus der Kraft-Weg-Kennlinie in 2 ersichtlich ist. Andererseits ist die Magnetkraft F am größten, wenn sich die obere innere Kante 14 des hülsenförmigen Ankers 13 und die äußere untere Kante 15 der Polplatte 7 gegenüberstehen, bzw. die untere innere Kante 14a des hülsenförmigen Ankers 13 und die äußere obere Kante 15a der Polplatte 7a. Diese Situation ist jeweils in den beiden Endpositionen des Trägerelementes 11 gegeben.In contrast to the prior art, it is characteristic here that the lower the sleeve-shaped armature, the lower the magnetic force F 13 in the air gap 12 . 12a plunges in as from the force-displacement characteristic 2 can be seen. On the other hand, the magnetic force F is greatest when the upper inner edge is 14 of the sleeve-shaped anchor 13 and the outer bottom edge 15 the pole plate 7 face each other, or the lower inner edge 14a of the sleeve-shaped anchor 13 and the outer top edge 15a the pole plate 7a , This situation is in the two end positions of the carrier element 11 given.

Daraus ergibt sich, dass der elektromagnetische Stellantrieb bereits beim Einschalten an sich voll betriebsfähig ist. Werden nun beide Spulen 8, 8a gleichzeitig mit gleicher Stromstärke I1, I2 bestromt, so wird das Trägerelement 11 in die aus 1 ersichtliche mittlere Position gezogen und dort festgehalten, da sich in diesem Fall die Kräfte F1 und F2 aufheben. Werden die Spulen 8, 8a unterschiedlich bestromt, so lässt sich entlang des Hubes s jede Zwischenposition einstellen (2).The result of this is that the electromagnetic actuator is fully operational as soon as it is switched on. Now both coils 8th . 8a energized simultaneously with the same current I 1 , I 2 , the carrier element 11 in the out 1 apparent middle position pulled and held there, since in this case the forces F 1 and F 2 cancel. Will the coils 8th . 8a with different currents, each intermediate position can be set along the stroke s ( 2 ).

Bei der praktischen Anwendung des elektromagnetischen Stellantriebes ist es jedoch unbedingt erforderlich, dass das nicht dargestellte Gaswechselventil eine bestimmte Ausgangsposition im stromlosen Zustand einnimmt. Üblicherweise muss das Gaswechselventil in der Ausgangsposition, oder auch bei Stromausfall, geschlossen sein, um eine Kollision des Ventiles mit dem Kolben in jedem Fall auszuschließen.In the practical application of the electromagnetic actuator, however, it is absolutely necessary that the gas exchange valve, not shown, has a certain starting position in the de-energized state. Usually the gas exchange valve must be in the starting position or in the event of a power failure, be closed to prevent the valve from colliding with the piston to rule out in any case.

Um dies zu erreichen, genügt eine Hilfsfeder, die derart dimensioniert sein muss, das diese das Betätigungsorgan (Schaft) 10 im unbestromten Zustand in eine der beiden Endstellungen drückt. Soll das Gaswechselventil im unbestromten Zustand geschlossen sein, dann muss die Hilfsfeder das Betätigungsorgan 10 mit dem Trägerelement 11 und dem hülsenförmigen Anker 13 in die zeichnungsgemäß obere Endstellung drücken. Während des Betriebes des elektromagnetischen Stellantriebes ist diese Hilfsfeder im Gegensatz zu den im Stand der Technik verwendeten Feder/Masse-Systemen vollkommen funktionslos.To achieve this, an auxiliary spring is sufficient, which must be dimensioned such that it the actuator (shaft) 10 presses in one of the two end positions when de-energized. If the gas exchange valve is to be closed when de-energized, the auxiliary spring must be the actuator 10 with the support element 11 and the sleeve-shaped anchor 13 press into the upper end position as shown. In contrast to the spring / mass systems used in the prior art, this auxiliary spring is completely inoperative during the operation of the electromagnetic actuator.

11
Gehäusecasing
2, 2a2, 2a
Gehäuseteilhousing part
33
Schraubverbindungscrew
4, 4a4, 4a
Topfmagnetpot magnet
5, 5a5, 5a
WeicheisenkernSoft iron core
6, 6a6 6a
Verschlussplatteclosing plate
7, 7a7, 7a
Polplattepole plate
8, 8a8th, 8a
SpuleKitchen sink
9, 9a9 9a
AxialkugellagerAxialkugellager
1010
Betätigungsorganactuator
1111
Trägerelementsupport element
12, 12a12 12a
Luftspaltair gap
1313
hülsenförmiger Ankersleeve-shaped anchor
14, 14a14 14a
innere Kanteinner edge
1515
äußere untere Kanteouter lower edge
15a15a
äußere obere Kanteouter upper edge
ss
Hubstroke
I1, I2 I 1 , I 2
Stromelectricity
F1, F2 F 1 , F 2
Kraftforce

Claims (10)

Elektromagnetischer Stellantrieb, vorzugsweise zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Kolbenbrennkraftmaschinen, mit zwei koaxial in einem Gehäuse angeordneten Topfmagneten, deren Polplatten in einem vorgegebenen Abstand zueinander gegenüberstehen und bei dem sich zwischen diesen ein verschiebbares Trägerelement befindet, an dem ein hülsenförmiger Anker befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Polplatten (7, 7a) der Topfmagnete (4, 4a) einen ringförmigen Luftspalt (12, 12a) aufweisen, dass der an dem Trägerelement (11) befestigte hülsenförmige Anker (13) als gemeinsamer Anker der beiden Topfmagnete (4, 4a) ausgebildet ist, der in den Luftspalt (12, 12a) verschiebbar ist, wobei die Stärke der Polplatten (7, 7a) mindestens dem Hub (s) des Trägerelementes (11) entspricht und dass das Trägerelement (11) und das mit diesem verbundene Betätigungsorgan (10) entlang des Hubes (s) beliebig positionierbar ist.Electromagnetic actuator, preferably for actuating gas exchange valves in piston internal combustion engines, with two pot magnets arranged coaxially in a housing, the pole plates of which face each other at a predetermined distance and in which there is a displaceable support element to which a sleeve-shaped armature is fastened, characterized in that that the pole plates ( 7 . 7a ) the pot magnets ( 4 . 4a ) an annular air gap ( 12 . 12a ) that the on the support element ( 11 ) attached sleeve-shaped anchors ( 13 ) as a common anchor of the two pot magnets ( 4 . 4a ) is formed, which in the air gap ( 12 . 12a ) is displaceable, the thickness of the pole plates ( 7 . 7a ) at least the stroke (s) of the carrier element ( 11 ) corresponds and that the carrier element ( 11 ) and the associated actuator ( 10 ) can be positioned anywhere along the stroke (s). Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Trägerelementes (11) entlang des Hubweges (s) durch entsprechen de unabhängige Einstellung der durch die Spulen (8, 8a) geleiteten Ströme I1 und I2 beliebig positionierbar ist.Electromagnetic actuator according to claim 1, characterized in that the position of the carrier element ( 11 ) along the stroke (s) by corresponding de independent adjustment of the by the coils ( 8th . 8a ) conducted currents I 1 and I 2 can be positioned as desired. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsenteil (13) aus einem weichmagnetischem Material besteht.Electromagnetic actuator according to claim 1, characterized in that the sleeve part ( 13 ) consists of a soft magnetic material. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsenteil (13) einseitig vollständig in den Luftspalt (12; 12a) des jeweiligen Topfmagneten (4; 4a) einfahrbar ist.Electromagnetic actuator according to claim 1 to 3, characterized in that the sleeve part ( 13 ) one-sided completely in the air gap ( 12 ; 12a ) of the respective pot magnet ( 4 ; 4a ) is retractable. Elektromagnetischer Stellantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuseteiles (2, 2a) ein die Polplatten (7, 7a) umschließender ringförmiger Ansatz derart hervorsteht und dass sich der ringförmige Luftspalt (12, 12a) zwischen dem ringförmigen Ansatz und dem Umfang der Polplatte (7, 7a) befindet.Electromagnetic actuator according to claims 1 to 4, characterized in that within the housing part ( 2 . 2a ) the pole plates ( 7 . 7a ) surrounding annular projection protrudes in such a way that the annular air gap ( 12 . 12a ) between the ring-shaped extension and the circumference of the pole plate ( 7 . 7a ) is located. Elektromagnetischer Stellantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kante (14; 14a) des Hülsenteiles (13) im ausgefahrenen Zustand der äußeren unteren oder oberen Kante (15, 15a) der jeweiligen Polplatte (7; 7a) gegenübersteht.Electromagnetic actuator according to claims 1 to 4, characterized in that the inner edge ( 14 ; 14a ) of the sleeve part ( 13 ) when the outer lower or upper edge is extended ( 15 . 15a ) of the respective pole plate ( 7 ; 7a ) faces. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (11) mit einem zentrisch in den Topfmagneten (4, 4a) geführten Betätigungsorgan (10) fest verbunden ist.Electromagnetic actuator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the carrier element ( 11 ) with one in the center of the pot magnet ( 4 . 4a ) guided actuator ( 10 ) is firmly connected. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (11) aus einem unmagnetischen Material besteht.Electromagnetic actuator according to claim 7, characterized in that the carrier element ( 11 ) consists of a non-magnetic material. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsorgan (10) in Axialkugellagern (9, 9a) innerhalb der Topfmagnete (4, 4a) geführt ist.Electromagnetic actuator according to claim 7 or 8, characterized in that the actuating member ( 10 ) in axial ball bearings ( 9 . 9a ) inside the pot magnets ( 4 . 4a ) is performed. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der hülsenförmige Anker (13) im stromlosen Zustand der Spulen (8, 8a) federbelastet in einer der beiden Hubendstellungen befindet.Electromagnetic actuator according to one of claims 1 to 10, characterized in that the sleeve-shaped armature ( 13 ) when the coils are de-energized ( 8th . 8a ) is spring-loaded in one of the two stroke end positions.
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