DE19804225C1 - Elektromagnetischer Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger elektromagnetischer Aktuator ist beispielsweise aus der DE 296 04 946 U1 bekannt. Dieser vorbekannte Aktuator weist einen als Elektroma­ gnet ausgeführten Öffnermagneten, einen von diesem beabstandet ange­ ordneten, ebenfalls als Elektromagnet ausgeführten Schließermagneten sowie einen Anker auf, der über einen Stößel mit einem Gaswechselventil in Wirkverbindung steht. Zum Öffnen und Schließen des Gaswechselventils wird durch abwechselnde Bestromung der beiden Elektromagnete eine auf den Anker wirkende Magnetkraft erzeugt, durch die der Anker zwischen zwei sich gegenüberliegenden Polflächen dieser Elektromagnete hin und her bewegt wird.

Der wesentliche Nachteil dieses Aktuators liegt darin, daß beim Öffnungs­ vorgang, bei dem der Anker von der Polfläche des Schließermagneten zur Polfläche des Öffnermagneten bewegt wird, im Gegensatz zum Schließvor­ gang, bei dem der Anker von der Polfläche des Öffnermagneten zur Polflä­ che des Schließermagneten bewegt wird, Arbeit gegen den hohen Gasin­ nendruck in der Brennkammer geleistet werden muß. Der Öffnungsvorgang dauert daher länger als der Schließvorgang, was sich ungünstig auf die dy­ namischen Eigenschaften des Aktuators auswirkt.

Aus der US 4 536 731 ist ferner ein elektromagnetischer Aktuator bekannt, der in einem von einem Deckel abgedeckten tassenförmigen Gehäuse aus ferromagnetischem Material zwei Elektromagnete und einen Anker auf­ weist, wobei der Anker auf einer rotierbar gelagerten Achse befestigt ist und durch Erregung der Elektromagnete um die Achse schwenkbar ist.

Aus der US 5 006 901 ist des weiteren ein elektromagnetischer Aktuator be­ kannt, der einen Elektromagneten und einen Anker aufweist, wobei am An­ ker auf der dem Elektromagneten zugewandten Seite ein Zapfen vorgese­ hen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Ak­ tuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, der ver­ besserte dynamische Eigenschaften aufweist, insbesondere soll er ein schnelleres Öffnen des Gaswechselventils ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen erge­ ben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß weist der Aktuator eine den Zwischenraum zwischen den Polflächen der beiden Elektromagnete, d. h. den Bewegungsraum des An­ kers, umschließende zweiteilige Verbindungshülse auf, welche aus einer am Öffnermagneten befestigten ferromagnetischen Teilhülse und einer am Schließermagneten befestigten nichtferromagnetischen Teilhülse zusam­ mengesetzt ist. Die Verbindungshülse erfüllt zwei Funktionen: zum einen hält sie die beiden Elektromagnete in ihrer relativ zueinander beabstande­ ten Position fest und zum anderen bewirkt sie aufgrund des geringen ma­ gnetischen Widerstandes ihrer ferromagnetischen Teilhülse eine Anhebung der bei großen Ankerhubweglängen auf den Anker wirkenden Magnetkraft des Öffnermagneten. Ursache dieser Magnetkraftanhebung ist der zwischen Anker und Polfläche des Öffnermagneten wirksame Luftspalt, der bei gro­ ßen Ankerhubweglängen durch die ferromagnetische Teilhülse auf den Luftspalt zwischen der Stirnfläche der ferromagnetischen Teilhülse und An­ ker reduziert wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Anker in seiner Mitte einen Zapfen auf, der bei am Öffnermagneten anliegendem Anker in eine zum Zapfen komplementäre Vertiefung des Öffnermagneten hineinreicht. Ähn­ lich wie die ferromagnetische Teilhülse bewirkt auch dieser Zapfen für gro­ ße Ankerhubweglängen eine Reduzierung des im Magnetkreis wirksamen Luftspaltes, was zu einer weiteren Anhebung der Magnetkraft des Öffner­ magneten führt.

Der Anker weist vorzugsweise zumindest in einem Teilbereich einen Quer­ schnitt mit in Richtung Ankerrand abnehmender Dicke auf, wobei die Ände­ rung der Dicke vorteilhafterweise derart gewählt ist, daß die zum magneti­ schen Fluß normalen Flächen innerhalb dieses Teilbereichs nahezu gleich groß sind. Hierdurch erreicht man eine Reduzierung der beschleunigten Masse, was zu einer weiteren Verbesserung der Aktordynamik führt. Die Polflächen der Elektromagnete sind in ihrer geometrischen Form vorzugs­ weise komplementär zu den ihnen jeweils zugewandten Ankeroberflächen ausgeführt, so daß der Abstand zwischen Ankeroberfläche und Polfläche des jeweiligen Elektromagneten bei am jeweiligen Elektromagneten anliegen­ den Anker vernachlässigbar klein ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: einen Aktuator zur elektromagnetischen Steuerung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2: Magnetkraft-Hub-Kennlinien der Elektromagnete aus Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 weist der Aktuator einen mit einem Gaswechselventil 5 in Kraftwirkung stehenden Stößel 4, einen mit dem Stößel 4 quer zur Stößel- Längsachse, d. h. quer zum Ankerhubweg befestigten Anker 1, sowie einen als Öffnermagnet 2 wirkenden ersten Elektromagneten und einen als Schließermagnet 3 wirkenden zweiten Elektromagneten auf. Die beiden Elektromagnete 2, 3 sind voneinander beabstandet angeordnet und weisen sich gegenüberliegende Polflächen 21, 31 auf, zwischen denen der Anker 1 durch abwechselnde Bestromung der Erregerspulen 20, 30 in Richtung der Stößel-Längsachse bewegbar ist. Sie sind mittels einer aus einer ferroma­ gnetischen Teilhülse 70 und einer nichtferromagnetischen Teilhülse 71 zu­ sammengesetzten zweiteiligen Verbindungshülse 7 miteinander verbunden, welche den Zwischenraum 90, 91 zwischen den Polflächen 21, 31 gegen Ver­ unreinigungen abdichtet und die Elektromagnete 2, 3 in ihrer voneinander beabstandeten Position festhält. Die ferromagnetische Teilhülse 70 ist dabei am Öffnermagneten 2 und die nichtferromagnetische Teilhülse 71 am Schließermagneten 3 befestigt. Die beiden Teilhülsen 70, 71 sind an ihren Stirnflächen 72, beispielsweise durch eine Löt- oder Klebeverbindung, mit­ einander verbunden.

Zwei gegensinnig wirkende Stellfedern 60, 63, die zwischen dem Öffnerma­ gneten 3 und dem Gaswechselventil 5 angeordnet sind und mittels zweier Federteller 61, 62 am Aktuator bzw. Zylinderkopf 8 der Brennkraftmaschine befestigt sind, bewirken, daß der Anker 1 im stromlosen Zustand der Erre­ gerspulen 20, 30 in einer Zwischenstellung etwa in der Mitte zwischen den Polflächen 21, 31 der Elektromagnete 2, 3 festgehalten wird. Zum Schließen des Gaswechselventils 5 wird die Erregerspule 30 des Schließermagneten 3 bestromt, so daß der Anker 1 aufgrund der dann auf ihn wirkenden Ma­ gnetkraft in Richtung Polfläche 31 des Schließermagneten 3 bewegt wird und dort bis zur Unterbrechung des Stromflusses festgehalten wird. Ent­ sprechend wird der Anker 1 zum Öffnen des Gaswechselventils 5 durch Be­ stromung der Erregerspule 20 des Öffnermagneten 2 zu dessen Polfläche 21 hin bewegt und dort bis zur Unterbrechung des Stromflusses festgehalten.

Der Anker 1 weist in der Mitte seiner dem Öffnermagneten 2 zugewandten Seite einen Zapfen 11 auf, welcher vorteilhafterweise zylinderförmig mit einer Aussparung zur Aufnahme des Stößels 4 ausgeführt ist und welcher bei am Öffnermagneten 2 anliegendem Anker 1 in eine zum Zapfen 11 komplementäre Vertiefung 22 des Öffnermagneten 2 hineingeführt ist. Die Höhe des Zapfens 11 ist gleich der Höhe des die Polfläche 21 überragenden Teils der ferromagnetischen Teilhülse 70, d. h. gleich der Höhe des von der ferromagnetischen Teilhülse 70 begrenzten Teils des Zwischenraumes 90, 91. Bei am Schließermagneten 3 anliegendem Anker 1 sind die Stirnfläche 72 der ferromagnetischen Teilhülse 70 und die der Stirnfläche 72 nächstliegen­ de Kante des Ankers 1 sowie die einander nächstliegenden Kanten des Zap­ fens 11 und der Vertiefung 22 in Richtung des Ankerhubweges jeweils um etwa 0,1 mm voneinander beabstandet.

Der Anker 1 weist ferner einen Teilbereich mit in Richtung Ankerrand konti­ nuierlich abnehmender Dicke auf, wobei die Änderung der Dicke derart ge­ wählt ist, daß die zum magnetischen Fluß normalen Flächen innerhalb die­ ses Teilbereichs nahezu gleich groß sind. Dieses erreicht man im vorliegen­ den Beispiel dadurch, daß die dem Schließermagneten 3 zugewandte Ober­ fläche des Ankers 1 im wesentlichen eben ausgeführt ist und die dem Öff­ nermagneten 2 zugewandte Oberfläche des Ankers 1 derart ausgeführt ist, daß sie einen um den Zapfen 11 verlaufenden inneren ebenen Flächenbe­ reich 12, einen zum inneren Flächenbereich 12 parallel versetzten äußeren ebenen Flächenbereich 13 und einen durch den inneren und äußeren Flä­ chenbereich 12, 13 begrenzten dreidimensionalen Flächenbereich 14 auf­ weist, welcher die Oberfläche des Teilbereichs mit in Richtung Ankerrand abnehmender Dicke bildet. Der innere und äußere Flächenbereich 12, 13 stehen senkrecht zum Ankerhubweg und liegen bei vom Öffnermagneten 2 angezogenem Anker 1 an entsprechenden Flächenbereichen der Polfläche 21 des Öffnermagneten 2 an oder sind von diesen über Luftspalte vernach­ lässigbarer Größe beabstandet.

Denkbar ist weiterhin auch ein Anker, bei dem der Teilbereich mit in Rich­ tung Ankerrand abnehmender Dicke durch entsprechende dreidimensiona­ le Gestaltung der dem Schließermagneten 3 zugewandten Ankeroberfläche gebildet wird. In diesem Fall kann die Oberfläche des Ankers auf der dem Öffnermagneten 2 zugewandten Seite in dem den Zapfen 11 umgebenden Bereich eben ausgeführt sein.

Die Joche der Elektromagnete 2, 3 und der Anker 1 sind aus weichmagneti­ schen Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität gefertigt. Sie wei­ sen in Draufsicht, d. h. in einer zum Ankerhubweg senkrechten Projektion­ sebene, einen rechteckigen Querschnitt auf, so daß man eine optimale Raumausnützung beim Einbau des Aktuators in die Brennkraftmaschine er­ reicht.

Gemäß Fig. 2 unterscheiden sich die Magnetkraft-Hub-Kennlinien der bei­ den Elektromagnete 2, 3 dadurch, daß die Magnetkraft F_MO des Öffnerma­ gneten 2 ab einem bestimmten Hub d_X, d. h. ab einem bestimmten Wert der Ankerhubweglänge d₀, größer ist als die bei gleichem Wert der Anker­ hubweglänge d_S auf den Anker 1 wirkende Magnetkraft f_MS des Schließer­ magneten 3.

Für die Größe der Magnetkraft F_MO bzw. F_MS ist die Änderung der magneti­ schen Energie längs des Ankerhubweges d₀ bzw. d_S maßgebend. Beim Schließermagnet 3 wird diese Änderung im wesentlichen durch die Ände­ rung des magnetischen Widerstandes des Luftspaltes 90 zwischen Anker 1 und Polfläche 31 des Schließermagneten 3, d. h. durch den Ankerhubweg d_S, bestimmt. Die magnetischen Widerstände des Ankers 1 und des Schließer­ magneten 3 können für große Ankerhubweglängen d_S vernachlässigt wer­ den. In diesem Fall ist die auf den Anker 1 wirkende Magnetkraft F_MS des Schließmagneten 3 umgekehrt proportional zum Quadrat der Ankerhub­ weglänge d_S und wird erst bei sehr kleinen Ankerhubweglängen d_S durch den magnetischen Widerstand des Ankers 1 und des Schließermagneten 3 begrenzt.

Beim Öffnermagneten 2 wird die Änderung der magnetischen Energie hin­ gegen sowohl durch den Ankerhubweg d₀ als auch durch die Größe des Luftspaltes 92 zwischen ferromagnetischer Teilhülse 70 und Anker 1 sowie durch die Größe des Luftspaltes 93 zwischen den Seitenflächen des Zapfens 11 und der Vertiefung 22 bestimmt. Befindet sich der Anker 1 nämlich in einer Position innerhalb der ferromagnetischen Teilhülse 70, bildet diese aufgrund ihres geringen magnetischen Widerstandes einen magnetischen Nebenschuß im magnetischen Kreis des Öffnermagneten 2, so daß ein gro­ ßer Teil des magnetischen Flusses über die ferromagnetische Teilhülse 70 zum Anker 1 geleitet wird. Die durch den Luftspalt 92 zwischen ferromagne­ tischer Hülse 70 und Anker 1 verlaufenden Magnetfeldlinien des magneti­ schen Flusses weisen in Richtung des Ankerhubweges lediglich geringe Feld­ komponenten auf und liefern daher auch nur einen geringen Beitrag zu der in Ankerhubweg-Richtung ausgerichteten Magnetkraft F_MO des Öffnerma­ gneten 2. Gleiches gilt auch für die durch den Luftspalt 93 zwischen den Sei­ tenwänden des Zapfens 11 und der Vertiefung 22 verlaufenden Magnetfeld­ linien. Bei geringer Ankerhubweglänge d₀ ist die Magnetkraft F_MO des Öffner­ magneten 2 infolgedessen geringer als die bei gleicher Ankerhubweglänge d_S auf den Anker 1 wirkende Magnetkraft FMS des Schließermagneten 3.

Befindet sich der Anker 1 jedoch in einer Position außerhalb der ferroma­ gnetischen Teilhülse 70, d. h. weit entfernt von der Polfläche 21 des Öff­ nermagneten 2, wird die Änderung der magnetischen Energie im wesentli­ chen durch die Änderung des magnetischen Widerstandes des Luftspaltes zwischen der Stirnfläche 72 der ferromagnetischen Hülse 70 und Anker 1 sowie durch die Änderung des magnetischen Widerstandes des Luftspaltes zwischen den Kanten des Zapfens 11 und der Vertiefung 22 bestimmt. Auf­ grund der geringen Größe dieser Luftspalte ist die auf den Anker 1 wirkende Magnetkraft F_MO des Öffnermagneten 2 für große Ankerhubweglängen d₀ größer als die Magnetkraft F_MS des Schließermagneten 3 bei gleich großer Ankerhubweglänge d_S. Die geometrischen Abmessungen des Ankers 1, der ferromagnetischen Teilhülse 70 und der Polfläche des Öffnermagneten 2 sind derart gewählt, daß die Magnetkraft-Hub-Kennlinie F_MO des Öffnerma­ gneten 2 bei maximaler Ankerhubweglänge d₀ ein lokales Maximum auf­ weist, das ausreichend groß ist, um die Druckkraft, die zu dem Zeitpunkt des Loslösens des Ankers 1 von dem Schließermagneten 3 aufgrund des Gasin­ nendrucks in der Brennkammer auf das Gaswechselventil 5 wirkt, zumindest teilweise zu kompensieren. Infolgedessen ist die Dämpfung des aus dem Anker 1, dem Stößel 4, dem Gaswechselventil 5, den Stellfedern 60, 63 und den Federtellern 61, 62 gebildeten Feder-Masse-Systems in beiden Bewe­ gungsrichtungen des Ankers 1 in etwa gleich groß, so daß auch die Zeiten, innerhalb derer der Anker 1 von der einen Polfläche 21 bzw. 31 zur anderen Polfläche 31 bzw. 21 bewegt wird, für beide Bewegungsrichtungen im we­ sentlichen gleich sind.

Claims (6)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils (5) in einer Brennkraftmaschine, mit zwei voneinander beabstandet angeord­ neten Elektromagneten (2, 3), von denen der eine als Öffnermagnet (2) zur Erzeugung einer Magnetkraft zum Öffnen des Gaswechselventils (5) und der andere als Schließermagnet (3) zur Erzeugung einer Magnetkraft zum Schlie­ ßen des Gaswechselventils (5) vorgesehen ist, und mit einem zwischen sich gegenüberliegenden Polflächen (21, 31) der Elektromagnete (2, 3) durch Ma­ gnetkraft bewegbaren Anker (1), der mit dem Gaswechselventil (5) in Wirk­ verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator eine den Zwi­ schenraum (90, 91) zwischen den Polflächen (21, 31) der Elektromagnete (2, 3) umschließende zweiteilige Verbindungshülse (7) aus einer am Öffnerma­ gneten (2) befestigten ferromagnetischen Teilhülse (70) und einer am Schließermagneten (3) befestigten nichtferromagnetischen Teilhülse (71) aufweist.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (1) in seiner Mitte einen Zapfen (11) aufweist, der bei am Öffnermagneten (2) an­ liegendem Anker (1) in eine zum Zapfen (11) komplementäre Vertiefung (22) des Öffnermagneten (2) hineingeführt ist.

3. Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Zapfens (11) und die Höhe des von der ferromagnetischen Teilhülse (70) be­ grenzten Teils des Zwischenraumes (90, 91) zwischen den Polflächen (21, 31) der Elektromagnete (2, 3) möglichst gleich sind.

4. Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anker (1) zumindest in einem Teilbereich eine in Richtung An­ kerrand abnehmende Dicke aufweist.

5. Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Polflächen (21, 31) der Elektromagnete (2, 3) jeweils komple­ mentär zu der dem jeweiligen Elektromagneten (2, 3) zugewandten Oberflä­ che des Ankers (1) ausgeführt sind.

6. Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die dem Schüeßermagneten (3) zugewandte Oberflächenseite des Ankers (1) im wesentlichen eben ist.