DE19730191A1

DE19730191A1 - Elektromagnetischer Antrieb

Info

Publication number: DE19730191A1
Application number: DE19730191A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 1999-01-21

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein derartiger elektromagnetischer Antrieb ist z. B. in der EP 0 043 426 B1 dargestellt und beschrieben. Dort wird von dem Antrieb ein Ventil eines Verbrennungsmotors angetrieben. Die Lagerung des Ankers erfolgt dort über den Stößel des anzutreibenden Ventils, das seinerseits in einer Ventilführung verschiebbar gelagert ist. Die Lagerung ist hier eine Gleitlagerung. Hier entstehen durch Luftspalttoleranzen nennenswerte Querkräfte auf die Lagerung. Bei DE 38 26 975 A1 ist die Führung der Ankerplatte in einer Hülse vorgeschlagen mit unterschiedlicher spezifischer Dichte, um eine Gleitführung zu ermöglichen. Auch hier entstehen Querkräfte, die Reibungsverluste darstellen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 schafft eine verschleißfreie Lagerung mit nur geringer Reibung. Damit ist keine permanente Ölschmierung erforderlich, die bei oben genannten Systemen notwendig ist. Eine Verschleißproblematik, wie sie bei Gleitlagerung bei Auftreten einer Kippkraft bei unsymmetrischem Luftspalt auftreten kann, wobei Querkräfte auf die Lager einwirken, ist hier ausgeschlossen.

Die Unteransprüche beinhalten Ausführungsmöglichkeiten, durch die weitere Vorteile entstehen, die im Zusammenhang mit der Zeichnungsbeschreibung herausgestellt werden.

Zeichnungsbeschreibung

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 Blattfederlagerungen des Ankers mit unterschiedlicher Erzeugung der Rückstellkräfte;

Fig. 4 eine Drehstablagerung des Ankers;

Fig. 5 und 6 eine Drehstablagerung in zwei Ansichten mit einer Zwei-Stufen-Rückstellfederkraft;

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Zwei-Stufen-Rück stellfederkraft gemäß den Fig. 5 und 6;

Fig. 8a und 8b Lagerungen gemäß den vorhergehenden Figuren mit einem anderen Antrieb;

Fig. 9 und 10 zwei Ausführungsbeispiele mit einer Überhubfeder;

Fig. 11 und 12 Details der Überhubfeder;

Fig. 13 und 14 unterschiedliche Anordnungen der Überhubfeder.

In Fig. 1 ist oben ein Doppelmagnetantrieb schematisch gezeigt, der aus Magnetkernen 1 und 2 mit Magnetpolen 3 und 4, aus auf den Kernen aufgewickelten Wicklungen 5 und 6 und einem Anker 7 besteht. Bei Betätigung eines der Elektromagnete 1, 3, 5 oder 2, 4, 6 wird der Anker 7 aus der gezeigten Zwischenstellung (z. B. Mittelstellung) zu den Magnetpolen 3 oder 4 hingezogen.

Der Anker 7 ist hier durch zwei neben dem Anker angeordneten Blattfedern 8 und 9 gelagert, die einerseits fest mit einer Wand 10 und andererseits fest mit dem Anker 7 verbunden sind. Die Federn 8 und 9 erzeugen Federkräfte, die im unteren Teil der Fig. 1 im Diagramm "Federkraft über Federweg (= Ankerhub)" aufgezeichnet sind.

Das Diagramm zeigt, daß in der Mittelstellung (0) die resultierende Federkraft 0 ist, und daß die Summe der einander entgegengerichteten Rückstellkräfte F1 und F2 bei einer Auslenkung aus der Mittelstellung ansteigen. Hier bewirken die Blattfedern die Lagerung, aber auch die Rückstellung des Ankers in die 0-Stellung bei nicht vorhandener Erregung. Am Anker 7 ist eine Betätigungsstange 11 starr befestigt, die an ihrem unteren Ende über ein Koppelglied 12 mit dem anzutreibenden Teil 13, z. B. einem Ventilstößel verbunden ist.

Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 nur dadurch, daß zusätzlich zwei Rückstellfederkräfte in Form von Spiralfedern 21 und 22 vorgesehen sind. Die Charakteristiken F21 und F22 dieser Federn sind im Diagramm der Fig. 1 unten aufgezeichnet. Auch sie bewirken die jetzt allerdings sicherere Rückstellung in die 0-Stellung. Hier wird die Blattfederlagerung nur zur Ankerführung benutzt.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind die Blattfedern 38 und 39 so bemessen, daß sie eine Federcharakteristik F 38/39 gemäß Fig. 3 unten aufweisen. Die Betätigungsstange 30 ist hier drehbeweglich mit dem Anker 37 verbunden und im unteren Teil in einer Lagerung geführt. Das anzutreibende Teil 31 (Ventilstößel) wird hier durch eine Betätigungsfeder 32 nach oben gegen die Betätigungsstange gedrückt. Es besteht hier somit nur eine lose Verbindung. Die Feder 32 ist so ausgelegt, daß sie eine Charakteristik entsprechend F 32 aufweist; d. h. daß diese Feder 32 die zweite Rückstellfederkraft erzeugt, die - zusammen mit der Federkraft F 38/39 - bei Nichterregung den Anker in die Mittelstellung stellt.

Während in den Fig. 1 bis 3 Blattfederlagerungen dargestellt sind, wird in Fig. 4 eine Drehstab- (oder Drehrohr-)Lagerung gezeigt. Bei dieser Lagerung sind die zu beschleunigenden Massen erheblich kleiner. Hier sind die Magnetkreise in gleicher Weise ausgebildet. Lediglich die Magnetpole 43 und 44 sind schräg ausgebildet, um an den Verlauf des um die Achse 40 gedrehten Ankers 47 angepaßt zu sein. Der nähere Aufbau der Drehstablagerung ist der Fig. 6 entnehmbar. Ein Drehstab 60 ist hier bei 61 starr eingespannt. Am an sich freien Ende kann ein die Verdrehung zulassendes Stützlager 62 vorgesehen sein. Mit dem Drehstab 60 ist ein Käfig 63 verbunden, der seinerseits den Anker 67 aufnimmt. An diesem Käfig ist auch die Verbindungsstange 42 gelagert.

In Fig. 4 ist die Achse 40 gleich der Drehachse des Drehstabs 60. Der Käfig 63 der Fig. 6 kann auch in Fig. 4 der Träger 41 des Ankers 47 sein. Mit dem Anker 47 oder dem Käfig 63 ist die Betätigungsstange 42 drehbar verbunden, die ihrerseits über ein Koppelglied 45 mit z. B. einem Ventilstößel 46 verbunden ist. Hierdurch sind die Querkräfte gering. Beim Beispiel der Fig. 4 ist unterstellt, daß der Drehstab die Nullstellung des Ankers selbst bewirkt (entspr. Fig. 1). Man kann jedoch wie in Fig. 2 zusätzliche Federn zur Mittelstellungseinstellung vorsehen. Auch eine Lösung entsprechend Fig. 3 ist denkbar, so daß einerseits der Drehstab und andererseits eine Rückstellfeder für das anzutreibende Glied die Mittelstellung miteinander bewirken.

Fig. 5 entspricht Fig. 4 mit dem Unterschied, daß hier die Rückstellkräfte von dem Drehstab 60 und der Ventilrückstellfeder 32 gebildet werden und bei einer bestimmten Auslenkung in jeder Richtung eine weitere Federkraft wirksam wird, die die Rückstellkraft in der Endstellung erhöht. In Fig. 5 ist diese zusätzliche Rückstellkraft durch ein am rechten Ende eingespanntes Blattfederpaar 50/51 und eine Verlängerung 52 des Ankers 57 realisiert, die ab einer bestimmten Auslenkung zusätzlich eine der Blattfedern 50 oder 51 verbiegen muß. Dies zeigt auch Fig. 6 in anderer Ansicht.

Die Fig. 7 zeigt ausgezogen den Verlauf der Summe der in Fig. 5 und 6 gezeigten Zwei-Stufen-Rückstellfeder. Diese Zwei-Stufen-Feder hat den Vorteil, daß die Federcharakteristik besser dem Magnetkraftverlauf F_M angepaßt ist. Daher kann das System bereits aus der Ruhelage ohne den üblichen Aufschwingvorgang in die Endlage gefahren werden. Darüber hinaus bewirkt die steile Federcharakteristik der zweiten Feder eine entsprechend hohe Abbremsung des von der gegenüberliegenden Endlage ankommenden Ankers, was erheblich zur Dämpfung und Stellungsregelung beiträgt. Weiterhin trägt die mögliche hohe Endkraft der Feder zu einer hohen Anfangsbeschleunigung und damit schnellen Ventilöffnung bei.

Der oben beschriebene elektromagnetische Antrieb kann zum Antreiben eines Gaswechsel-Ventils oder eines anderen vergleichbaren Ventils eingesetzt werden. Auch kann damit eine Pumpe angetrieben werden, wobei der Ventilstößel durch einen Pumpenkolben ersetzt wird.

Aber auch sein Einsatz bei Getrieben ist möglich, weil auch dort eine schnelle Umschaltung von der einen in die andere Stellung mit hoher Kraft erwünscht ist. Auch bei sonstigen Anwendungen mit ähnlichen Voraussetzungen ist die Erfindung einsetzbar.

Abweichend von dem Antrieb der Fig. 1 bis 7 kann auch ein elektrodynamischer Antrieb zum Einsatz kommen, wie er z. B. aus der Lautsprechertechnik bekannt ist. Hier wird die Erregerspule 70 des Systems federgelagert, z. B. mit einer Blattfeder 71 gemäß Fig. 8a oder einem Drehstab 72 entsprechend Fig. 8b.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ist zur Lagerung eines Ankers 80 ein Drehstab 82 vorgesehen, der dem Drehstab 60 der Fig. 5 entspricht. Der Drehstab 82 ist mittels eines Verbindungsteils 81 mit dem Anker 80 verbunden, so daß der Anker durch zwei Elektromagnete (Magnetkreis 83 und 85 und Wicklungen 84 und 86) nach oben oder unten bewegt werden kann.

An dem Verbindungsteil 81 ist eine Betätigungsstange 87 angelenkt die mittels einer Überhubfeder 88 mit einem Ventilstößel 89 verbunden ist. Durch diese Überhubfeder 88 wird das Ventil bei einer Ankerbewegung mitbewegt. Mit 92 sind Blattfedern bezeichnet, die in der Nähe der maximalen Ankerauslenkung wirksam werden und ein Aufschlagen des Ankers auf den Magnetpolen verhindern.

Auf dem Magnetkreis 83 und dem Magnetkreis 85 sind Haltewicklungen 90 und 91 angeordnet, die den Anker 80 während ihrer Ansteuerung in der entsprechenden Endstellung halten.

Die Fig. 10 unterscheidet sich von Fig. 9 insb. dadurch, daß der Anker 100 in seinen Endstellungen durch eine Rastrolle 101 und nicht durch einen Haltestrom gehalten wird. Die Rastrolle 101, die in Fig. 10 unter einer mit dem Anker 100 verbundenen Rastplatte 102 eingerastet ist, wird beim Auslösen der Ankerbewegung nach unten durch einen Rastmagneten 103 und eine damit verbundene um eine Achse 104 drehbare Halterung 105 aus der Einrastung heraus bewegt. Die Drehfeder beschleunigen nun den Anker 100 nach unten und ein Stromimpuls auf die untere Spule bringt den Anker schließlich in die andere Endstellung. Dabei rollt die an der Halterung 104 gelagerte Rastrolle entlang der Rastplatte 102 bis sie im der anderen Endstellung wieder einrastet.

In den beiden Fig. 9 und 10 ist die Betätigungsstange 87 nicht direkt an dem Anker 80 sondern an dem Verbindungsteil 81 angelenkt. Hierdurch sind die Wege des Ankers und des Ventils unterschiedlich.

In der Fig. 10 ist unterstellt, daß der Motor warm ist. Der Restluftspalt 106 ist hier klein (und wäre auch klein ohne Rastrolle). Die obere Anschlagfeder entsprechend 92 der Fig. 9 ist im Eingriff. Desgleichen ist das Ventilspiel 107 hier klein. In Fig. 9 ist dagegen ein kalter Motor unterstellt. Hier wird die Überhubfeder 88 wirksam, die nach dem Schließen des Ventils 89 aufgebogen wird und damit ein größeres Ventilspiel 97 zuläßt. Zum Schutz der Feder 88 ist ein Anschlag 93 vorgesehen, der nur ein vorgegebenes Aufbiegen der Überhubfeder 88 zuläßt. Hier verbleibt ein größerer Restluftspalt 96. Die Feder 92 ist noch nicht wirksam.

In Fig. 11 ist die Überhubfeder, ihre Befestigung und der Anschlag detailliert heraus gezeichnet, wobei Fig. 11b eine erste Ansicht und Fig. 11a eine Ansicht von rechts gesehen zeigt. Die Betätigungsstange ist mit 117, der Ventilschaft mit 119 bezeichnet. Die Überhubfeder 118 ist mit der Betätigungsstange 117 verbunden und greift gabelförmig in eine Nut des Ventilstößels 119. Die in Fig. 11b nicht sichtbaren Teile 115 und 116 sind als Anschlag wirksam. Beim Aufbiegen der Überhubfeder 118 kommt die Gabel der Überhubfeder mit den unteren Enden der Teile 115 und 116 in Kontakt: ein weiteres Aufbiegen ist nicht mehr möglich. Mit eingezeichnet ist ein federndes gabelförmiges Zentrierglied 114, das die Betätigungsstange 117 auf den Ventilschaft 119 zentriert.

In Fig. 12 ist angedeutet, daß man die Überhubfeder redundant aus zwei Federn 138 herstellen kann.

Schließlich ist in Fig. 13 eine Feder 138 mit einer Umhüllenden 139 dargestellt, die bewirkt, daß bei einem Bruch der Überhubfeder 138 das Ventil über den Anschlag in die Schließendstellung gefahren werden kann ohne Auftreffen auf den Kolben.

Die Verwendung der Überhubfeder ermöglicht dem Anker sich in dieselbe Endlage zu bewegen, es sei denn, der Anschlag ist in Extremfällen kurzzeitig wirksam und verhindert dies. Außerdem wirken beim Auftreffen des Ventils auf seinen Sitz durch Entfall der Ventilnachstellfeder erheblich geringere Massenkräfte, was einen geringeren Verschleiß zur Folge hat. Das Ventil kann dadurch kleiner und leichter gebaut werden. Durch Doppelnutzung der Drehfeder in beiden Richtungen kann die Ventilnachstellfeder mit Anschlußteilen wie z. B. Ventilfeder entfallen, was eine nennenswerte Reduzierung der Massenkräfte (ca. 10%) bewirkt. Die Verwendung einer redundanten Feder bringt hohe Zuverlässigkeit. Die Verwendung der umhüllenden Feder ermöglicht in einem Notbetrieb das Schließen und Stillegen das Ventils.

Die Überhubfeder kann wie in Fig. 14 gezeigt auch zwischen der Betätigungsstange 147 und dem Verbindungsteil 141 angeordnet sein. Der Anschlag wird hier durch einen Stift 143 und ein Langloch 142 bewirkt. Die Figur zeigt noch eine Verstellschraube 144, mit der der Abstand zwischen Betätigungsstange und Ventilstößel, deren Kopplung hier steif ist, eingestellt werden kann.

Fig. 15 zeigt ein Beispiel, bei der wieder die Betätigungsstange 157 über eine Überhubfeder 158 und einer Biegefeder 159 mit dem Verbindungsteil 151 verbunden ist. Die Überhubfeder 158 ist hier eine Blattfeder. Dadurch ist ein verschleißloses Gelenk möglich. Für die Biegefeder kann ein Knickschutz vorgesehen werden.

Claims

1. Elektromagnetischer Antrieb mit zwei Elektromagneten, deren Polflächen wenigstens teilweise einander zugewandt sind und mit einem beweglich gelagerten, zwischen diesen Polflächen hin- und herbewegbaren Anker, der bei abgeschalteten Magneten durch Federkräfte in eine Zwischenstellung gebracht und dort gehalten wird und bei Einschalten eines der Elektromagneten in eine der beiden Endstellung zumindest in der Nähe der Polflächen des entsprechenden Elektromagneten gebracht wird, wobei der Anker mit dem anzutreibenden Teil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker federgelagert ist.

2. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung durch Blattfedern (8, 9; 38, 39) realisiert ist (Fig. 1 bis 3).

3. Elektromagnetischer Antrieb (8, 9; 38, 39) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung durch eine Drehfeder (Drehstab, Drehrohr) (60) realisiert ist (Fig. 4 bis 6).

4. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Federlagerung selbst die Zwischenstellung bestimmt ist (Fig. 1; Fig. 4).

5. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Federkräfte für die Zwischenstellung gesonderte Rückstellfedern (21, 22) vorgesehen sind (Fig. 2).

6. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückstellung in die Zwischenstellung in der einen Richtung die Federlagerung und in der anderen Richtung eine Rückstellfederkraft (32) insbesondere des anzutreibenden Teils (31) verantwortlich ist (Fig. 3; Fig. 5).

7. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (7) starr mit dem anzutreibenden Teil (13) verbunden ist.

8. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Anker (37) und dem anzutreibenden Teil (31) wenigstens ein drehbewegliches Koppelglied enthält (Fig. 1, Fig. 2).

9. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ab einer bestimmten Auslenkung des Ankers (57) aus der Zwischenstellung ein zusätzliches, die Rückstellwirkung verstärkendes Federkraftpaar (50; 51) wirksam wird (Fig. 5 und 6).

10. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ab weiteren bestimmten Auslenkungen wenigstens ein weiteres Federpaar wirksam ist.

11. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstab ein Stützlager (62) aufweist (Fig. 6).

12. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker mit der Federlagerung über einen Käfig (67) verbunden ist (Fig. 6).

13. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das anzutreibende Teil ein Ventil, insbesondere eines Verbrennungsmotors ist.

14. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch seine Anwendung in Pumpenantrieben.

15. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied in zwei Richtungen antreibend ausgebildet ist und je einen Pumpkolben antreibt.

16. Elektrodynamischer Antrieb (nach Art eines Lautsprechers), dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule des Antriebs federgelagert ist.

17. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15.

18. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 4 und Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anker (80) und den Ventilschaft (89) für die Ankopplung des Ventils an den Anker (80) eine Überhubfeder (88) vorgesehen ist.

19. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überhubfeder (128) wenigstens eine weitere Feder parallel liegt.

20. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Überhubfeder (138) eine umhüllende Feder (139) aufweist.

21. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlag (93) für die maximale Beanspruchung der Überhubfeder (95) vorgesehen ist.

22. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuordnung des Betätigungsgliedes (117) zum Ventilschaft (119) ein Zentrierglied vorgesehen ist.

23. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Überhubfeder (148) zwischen dem Verbindungsteil (141) und der Betätigungsstange (147) angeordnet ist.

24. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Überhubfeder eine Biegefeder zugeordnet ist.

25. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker in den Endlagen durch eine mechanische Rastung festgehalten wird, die elektromagnetisch betätigbar ist (Fig. 10).

26. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß Anker in den Endlagen durch eine elektromagnetische Halteerregung gehalten wird (9).