DE19751609A1 - Schmalbauender elektromagnetischer Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit wenigstens einem Elektromagneten, der einen mit einer Spulen­ wicklung versehenen Jochkörper aufweist, und mit einem Anker, der mit einem Stellmittel verbunden ist und der gegen die Kraft eines Rückstellmittels bei Bestromung der Spulenwick­ lung an einer Polfläche des Jochkörpers zur Anlage kommt.

Beim Einsatz elektromagnetischer Aktuatoren ergibt sich viel­ fach das Problem, daß der die Spulenwicklung tragende Joch­ körper unter Berücksichtigung der auf zubringenden Stellkräfte verhältnismäßig große Abmessungen aufweist. So ergeben sich beispielsweise Probleme bei der Verwendung derartiger elek­ tromagnetischer Aktuatoren zur Betätigung von Gaswechselven­ tilen an Hubkolbenmotoren. Insbesondere bei modernen Vier- Ventil-Motoren stehen nur geringe Einbaubreiten zur Verfü­ gung, da die Breite zweier benachbarter Aktuatoren maximal nur so groß sein darf, wie der kleinste Abstand zweier be­ nachbarter Ventile eines Zylinders. Dieser Abstand wird bei den bisher verwendeten runden Aktuatoren deutlich überschrit­ ten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elek­ tromagnetischen Aktuator zu schaffen, der einen Einbau in be­ engten Raumverhältnissen ermöglicht und insbesondere zur Be­ tätigung von Gaswechselventilen an Hubkolbenmotoren in Vier- Ventil-Bauweise eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Jochkörper einen im wesentlichen rechteckigen Grundriß mit wenigstens zwei parallelen Seitenflächen aufweist und daß die Polfläche am Jochkörper als Kreisfläche und der Anker als Kreisscheibe ausgebildet sind. Da der Anker als bewegtes Bau­ teil nicht frei von Verdrehmomenten um die Bewegungsachse ist, beispielsweise bei der Verwendung von Schraubendruckfe­ dern als Rückstellmittel werden über die Federn Torsionskräf­ te eingeleitet, erlaubt die Ausbildung des Ankers als Kreis­ scheibe eine freie und ungehinderte Drehbewegung des Ankers um die Bewegungsachse, so daß hier Störeinflüsse ausgeschal­ tet sind. Die parallelen Seitenflächen begrenzen zweckmäßi­ gerweise die langen Seiten des Jochkörpers und der die Schmalseiten definierende Abstand der langen Seiten zueinan­ der entspricht mindestens dem Durchmesser des Ankers.

Während es grundsätzlich möglich ist, die Seitenflächen der Schmalseiten des Jochkörpers ebenfalls ebenflächig auszubil­ den, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmä­ ßig, wenn diese Seitenflächen der Schmalseiten gekrümmt, vor­ zugsweise zylindrisch ausgebildet sind. Diese Formgebung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn am Jochkörper im Bereich seiner beiden Schmalseiten jeweils ein Polschuh angeordnet ist, der die Polfläche überragt. Die die Polfläche überragen­ den Polschuhe, die den Anker bei Annäherung an den bestromten Elektromagneten auf seinem Außenumfang umgreifen, bewirken hierbei ausreichend hohe Fangkräfte.

In Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei ferner vorgesehen, daß die Polschuhe einen vom freien Ende her zunehmenden Quer­ schnitt aufweisen. Hierdurch erhalten die Polschuhe jeweils auf ihrer außenliegenden Seite bei zylindrischer Ausbildung der Schmalseiten die Funktion eines sogenannten Steuerkonus, über dessen Formgebung eine Möglichkeit zur Beeinflussung und Optimierung des Verlaufs der auf den Anker bei seiner Annähe­ rung an die Polfläche einwirkenden Magnetkräfte besteht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spulenwicklung in einer als Hohlzylinder ausgebildeten Ausnehmung des Jochkörpers angeordnet ist. Da die Spulenwicklung ausschließlich innerhalb des Magnetkerns liegt, ergibt sich gegenüber Aktuatoren mit teilweise außen­ liegenden Bereichen der Magnetspule eine Reduzierung des Ohm­ schen Widerstandes um etwa 20%.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen elektro­ magnetischen Aktuator,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt gem. der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Anordnung, teilweise im Schnitt, zur Betätigung eines Gaswechselventils an einem Hubkolbenmotor,

Fig. 4 den Verlauf der auf den Anker einwirken­ den Magnetkräfte bei einem herkömmlichen Aktuator und bei einem erfindungsgemäßen Aktuator.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte elektromagnetische Aktuator besteht im wesentlichen aus einem Jochkörper 1 mit einem im wesentlichen rechteckigen Grundriß. Die Rechteckform des Grundrisses wird durch die unterschiedliche Länge der beiden Querachsen 2 und 3 in der Weise definiert, daß die beiden parallel zur Querachse 2 verlaufenden Seitenflächen 4 die Langseiten des Rechtecks bilden und die beiden anderen, der Querachse 3 zugeordneten Seitenflächen 5 die Schmalseiten der Rechteckform bilden. Entscheidend ist jedoch, daß zumindest die beiden, die Langseiten bildenden Seitenflächen 4 des Jochkörpers 1 parallel zueinander verlaufen.

Der Jochkörper 1 weist eine hohlzylindrische Ausnehmung auf, in der eine entsprechende Spulenwicklung 6 angeordnet ist, die über eine hier nicht dargestellte Steuereinrichtung be­ stromt werden kann.

Der Jochkörper 1 weist ferner eine zentrale Ausnehmung 7 auf, in der über eine Lagerung 8 eine Führungsstange 9 axial hin- und herbewegbar geführt ist, die mit dem zu betätigenden Stellmittel in Verbindung steht. An der Führungsstange 9 ist ein Anker 10 angeordnet, der entsprechend der durch die Spu­ lenwicklung 6 vorgegebenen Form als Kreisscheibe ausgebildet ist. Der Führungsstange 9 ist ein Rückstellmittel 11, bei­ spielsweise in Form einer Druckfeder zugeordnet, die so ange­ ordnet ist, daß bei einer Bestromung der Spulenwicklung 6 der Anker 10 gegen die Kraft des Rückstellmittels 11 bewegt wer­ den muß. Wird die Spulenwicklung 6 stromlos gesetzt, wird der Anker 10 durch die Kraft der Rückstellfeder 11 wieder in sei­ ne hier nicht dargestellte Ruhelage zurückgeführt.

In Fig. 1 ist der Anker 10 in einer Position bei Bestromung der Spulenwicklung 6 in der Annäherungsphase dargestellt. Die Stirnfläche 12.1 der Spulenwicklung 6 sowie die hieran an­ grenzenden Bereiche des Jochkörpers 1 bilden die Polfläche 12 des Elektromagneten. Bei dem hier dargestellten Ausführungs­ beispiel ist die der Polfläche 12 zugekehrte Fläche 13 des Ankers 10 zumindest im Randbereich nach außen konisch abfal­ lend geformt und der zugeordnete Bereich der Polfläche 12 entsprechend konisch ansteigend geformt, so daß bei einer Be­ stromung des Elektromagneten der Anker 10 an der Polfläche 12 dicht anliegend gehalten wird, sich hierbei aber auf den je­ weils die Stirnfläche 12.1 der Spulenwicklung 6 seitlich be­ grenzenden Bereiche des Jochkörpers 1 abstützt.

Die andere Stirnseite 12.2 der Spulenwicklung 6 ist entspre­ chend zur Stirnfläche 12.1 geformt, und der Jochkörper 1 weist unterhalb der hohlzylindrischen Ausnehmung einen eben­ falls konischen Querschnitt auf. Somit sind sowohl im Anker 10 als auch im Jochkörper 1 für den radial durchtretenden Ma­ gnetfluß annähernd gleichbleibende Durchtrittsflächen gege­ ben.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die bei­ den Schmalseiten 5 des Jochkörpers 1 gekrümmt, vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und als Polschuhe 14 gestaltet, die die Polfläche 12 überragen. Durch die Anordnung der Polschuhe 14 ergibt sich eine Erhöhung der Fangkraft auf den sich annä­ hernden Anker 10, der in Fig. 1 bereits in seiner Annähe­ rungsphase an die Polfläche 12 dargestellt ist. Je nach Form­ gebung des Steuerkonus 15 an den Polschuhen 14 ist es mög­ lich, den Verlauf der auf den Anker 10 wirkenden Magnetkraft an den Verlauf der Kraft der Rückstellfeder 11 anzupassen.

Da bei dieser Aktuatorbauform der die Schmalseiten 5 definie­ rende Abstand der Langseiten 4 zueinander in etwa dem Durch­ messer des Ankers 10 entspricht, besteht die Möglichkeit, die Geometrie des Aktuators über eine entsprechende Bemessung des Ankerdurchmessers auf den vorhandenen Bauraum abzustimmen. Die durch die vorgegebene maximal zulässige, durch den Ab­ stand der beiden Seitenflächen 4 vorgegebene Baubreite be­ dingt einen Polflächenverlust infolge einer entsprechenden Zurücknahme des Ankerdurchmessers. Dies wird durch die Mög­ lichkeit der Anordnung der erhöhten Polschuhe 14 jeweils an den Schmalseiten ausgeglichen. Damit wird erreicht, daß im Vergleich zu herkömmlichen elektromagnetischen Aktuatoren ei­ ne in etwa gleich große Magnetkraft auf den Anker einwirkt, wenn dieser sich im Abstand zur Polfläche 12 befindet, daß aber bei einer Annäherung des Ankers an die Polfläche, insbe­ sondere unmittelbar vor dem Auftreffen, eine deutlich redu­ zierte Spitzenkraft vorhanden ist. Hierdurch wird die Auf­ treffgeschwindigkeit und damit die Schallentwicklung redu­ ziert und ein sogenanntes Prellen praktisch vermieden.

Die Polschuhe 14 können nun einen vom freien Ende her zuneh­ menden Querschnitt aufweisen. Bei dem hier dargestellen Aus­ führungsbeispiel wird dies dadurch bewerkstelligt, daß die Polschuhe auf der Außenseite im Bereich ihres freien Endes mit einer Anfasung 15 versehen werden. Durch die Anordnung eines derartigen "Steuerkonus" ergibt sich die Möglichkeit, die während der Bewegung auf den Anker einwirkende Magnet­ kraft zu beeinflussen, wie dies nachfolgend in Fig. 4 anhand der Kraftverlaufskurven näher dargestellt werden wird.

In Fig. 3 ist ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einem Hubkolbenmotor dargestellt.

Dieser besteht im wesentlichen aus zwei Elektromagneten 16 und 17, die jeweils der anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Bauform entsprechen, so daß gleiche Bauteile auch mit glei­ chen Bezugszeichen versehen sind und dementsprechend auf die Beschreibung zu Fig. 1 und 2 verwiesen werden kann.

Die beiden Elektromagneten 16 und 17 sind mit Abstand zuein­ ander angeordnet, wobei ihre Polflächen einander zugekehrt sind. Zwischen den beiden Elektromagneten ist der Anker 10 über die Führungsstange 9 hin- und herbewegbar geführt. Die Führungsstange 9 steht mit dem Schaft 18 eines hier nicht nä­ her dargestellten Gaswechselventils 19 in Verbindung, das bei einer Bewegung des Ankers 10 in Richtung des Pfeiles 20 ge­ öffnet und für die Dauer der Bestromung der Spulenwicklung 6 des Elektromagneten 17, der hier die Funktion des Öffnerma­ gneten besitzt, in Öffnungsstellung gehalten wird. Bei einer Bestromung der Spulenwicklung 6 des Elektromagneten 16 wird der Anker 10 in Richtung des Pfeiles 21 bewegt und das Ventil 19 geschlossen und für die Dauer der Bestromung der Spule 6 des Elektromagneten 16, der hier die Funktion des Schließma­ gneten besitzt, in Schließstellung gehalten. Die Rückstellfe­ der 11.1 dient als Schließfeder für das Gaswechselventil 19 und bildet zugleich das Rückstellmittel für den Öffnermagne­ ten 17. Dem Schließmagneten 16 ist als Rückstellmittel die in Öffnungsrichtung wirkende Feder 11.2 zugeordnet. Der Anker 10 wird bei stromlos gesetztem Aktuator über die beiden Federn 11.1 und 11.2 in einer Ruhelage zwischen den beiden Magneten 16 und 17 gehalten. Bei einer Ansteuerung mit abwechselnder Bestromung der beiden Elektromagneten 16 und 17 kann dann der Anker 10 zwischen den beiden Elektromagneten hin- und herbe­ wegt werden, so daß das Gaswechselventil periodisch öffnet und schließt, wobei über die Ansteuerung Öffnungszeit und Schließzeit sowie Öffnungsdauer und Schließdauer des Gaswech­ selventils beeinflußt werden können.

Bei dieser Bewegung durchläuft der Anker 10 jeweils die Ruhe­ lage zwischen den beiden Polflächen, so daß bei einer Annähe­ rung an die Polfläche durch die Magnetkraft jeweils die Kraft der entgegenwirkenden Rückstellfeder überwunden werden muß.

In Fig. 4 sind unterschiedliche Verläufe der auf den Anker 10 einwirkenden Magnetkraft in Abhängigkeit vom Abstand des An­ kers zu einer Polfläche eines bestromten Elektromagneten, be­ ginnend beim Durchgang durch die Ruhelage, dargestellt. Die Kurve 22 zeigt hier den Verlauf der Federkraft der zugehöri­ gen Rückstellfeder.

Die Kurven 23 und 24 zeigen den Verlauf der auf den Anker 10 einwirkenden Magnetkraft bei einem Elektromagneten herkömmli­ cher Bauart, wobei die Kurve 23 den Kraftverlauf bei einer Bestromung mit 2 Ampere und die Kurve 24 den Kraftverlauf bei einer Bestromung mit 4 Ampere zeigt. Die "negative Kraftbi­ lanz" zwischen dem Verlauf der Federkraft 22 und dem Verlauf der Magnetkräfte 23 und 24 im Abstandsbereich zwischen 0,5 und 4 wird durch die kinetische Energie ausgeglichen, die dem Anker beim Durchgang durch die Ruhelage nach dem Ablösen vom jeweils zuvor stromlos gesetzten anderen Magneten innewohnt.

Die Kurven 25 und 26 zeigen den Verlauf der Magnetkraft bei der Annäherung des Ankers 10 für einen Elektromagneten der erfindungsgemäßen Bauform. Die Kurve 25 zeigt wiederum den Kraftverlauf bei einer Bestromung mit 2 Ampere und die Kurve 26 den Kraftverlauf bei einer Bestromung mit 4 Ampere. Bei einem Vergleich der Kurve 23 mit der Kurve 25, d. h. also bei gleicher Bestromung, ist zu erkennen, daß im Abstandsbereich zwischen 4 und 0,5 in etwa gleiche Kraftverläufe gegeben sind. Hierbei ist zu erkennen, daß trotz der gegenüber dem konventionellen Elektromagneten reduzierten Polfläche des er­ findungsgemäßen Elektromagneten durch die Anordnung der Pol­ schuhe ein in etwa gleicher Kraftverlauf bewirkt werden kann. Ein ganz wesentlicher Unterschied ergibt sich jedoch im Nah­ bereich ab 0,5 bis zum Auftreffen auf der Polfläche. Hier ist durch die Anordnung der Polschuhe in Verbindung mit dem soge­ nannten Steuerkonus eine deutliche Reduzierung der maximalen Magnetkraft und damit eine entsprechende Reduzierung auch der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf der Polfläche gegen­ über einem konventionellen System zu erkennen. Es ist ferner zu erkennen, daß die auf den Anker einwirkende Magnetkraft beim Auftreffen nur geringfügig über der maximalen Rückstell­ kraft der Feder liegt, so daß die Auftreffgeschwindigkeit re­ duziert ist, die Magnetkraft jedoch so groß ist, daß der An­ ker mit Sicherheit vom Elektromagneten gegen die Kraft der Rückstellfeder gehalten wird.

Die Kurve 26 zeigt das erfindungsgemäße System bei einer Be­ stromung mit 4 Ampere, wobei der Einfluß des Steuerkonus auf den Kraftverlauf sehr deutlich wird. Während im Abstandsbe­ reich zwischen 4 und 1 der Verlauf der Kurve 24 für das kon­ ventionelle System und der Verlauf der Kurve 26 für das er­ findungsgemäße System noch in etwa gleich sind, ergibt sich im Abstandsbereich zwischen 1 und 0 durch den Einfluß der Polschuhe und des Steuerkonus eine deutliche Absenkung der Magnetkraft, so daß diese nahezu parallel oberhalb zur Kurve 22 der Federkraft verläuft.

Claims (10)

1. Elektromagnetischer Aktuator mit wenigstens einem Elektro­ magneten, der einen mit einer Spulenwicklung (6) versehenen Jochkörper (1) aufweist, und mit einem Anker (10), der mit einem Stellmittel verbunden ist und der gegen die Kraft eines Rückstellmittels (11) bei Bestromung der Spulenwicklung (6) an einer Polfläche (12) des Jochkörpers (1) zur Anlage kommt, dadurch gekennzeichnet, daß der Jochkörper (1) einen im we­ sentlichen rechteckigen Grundriß mit wenigstens zwei paralle­ len Seitenflächen (4) aufweist und daß die Polfläche (12) am Jochkörper (1) als Kreisfläche und der Anker (10) als Kreis­ scheibe ausgebildet sind.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Seitenflächen (4) die Langseiten des Jochkörpers (1) begrenzen.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schmalseiten (5) definierende Abstand der Lang­ seiten (4) zueinander mindestens dem Durchmesser des Ankers (10) entspricht.

4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Seitenflächen der Schmalseiten (5) des Jochkörpers (1) gekrümmt, vorzugsweise zylindrisch ausgebil­ det sind.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Jochkörper (1) im Bereich seiner beiden Schmalseiten (4) jeweils ein Polschuh (14) angeordnet ist, der die Polfläche (12) überragt.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polschuhe (14) einen vom freien Ende her zunehmenden Querschnitt aufweisen.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulenwicklung (6) in einer als Hohlzylin­ der ausgebildeten Ausnehmung des Jochkörpers (1) angeordnet ist.

8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stirnfläche (12.1) der Spulenwicklung (6) zumindest einen Teil der Polfläche (12) bildet.

9. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die der Polfläche (12) zugekehrte Fläche des Ankers (10) zumindest im Randbereich nach außen konisch ab­ fallend geformt ist, daß der zugeordnete Bereich der Polflä­ che (12) entsprechend konisch ansteigend geformt ist und daß der Jochkörper (1) unterhalb der hohlzylindrischen Ausnehmung für die Spulenwicklung (6) einen spiegelbildlich hierzu koni­ schen Querschnitt aufweist.

10. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stirnfläche (12.1) der Spulenwicklung (6) im konisch ansteigenden Bereich der Polfläche (12) liegt.