DE19808492A1 - Elektromagnetischer Aktuator mit wirbelstromarmen Anker - Google Patents

Description

Ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Stell­ gliedes arbeitet in der Weise, daß ein in seiner Bestromung steuerbarer Elektromagnet vorgesehen ist, dessen Magnetkraft bei Bestromung auf einen Anker einwirkt, der mit dem zu be­ stätigenden Stellglied in Verbindung steht. In der Regel ist eine Rückstellfeder vorgesehen, die bei stromlos gesetztem Elektromagneten den Anker bzw. das damit in Verbindung ste­ hende Stellglied in einer ersten Schaltposition hält und ge­ gen die zweite Stellposition durch die Magnetkräfte überführt wird und in dieser zweiten Stellposition gehalten wird, so­ lange der Elektromagnet bestromt ist.

Zur Beeinflussung der Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers bei seiner Annäherung an die Polfläche des Elektromagneten einer­ seits, aber auch beim Lösen des Ankers von der Polfläche nach dem Stromlossetzen des Elektromagneten ist eine schnelle Än­ derungsmöglichkeit der Magnetkraft wünschenswert. Dieser schnellen Kraftänderung bzw. Magnetfeldänderung wirken jedoch Wirbelströme entgegen. Die Entstehung von Wirbelströmen im Elektromagneten kann jedoch dadurch minimiert werden, daß der Jochkörper aus geblechtem Material gefertigt wird, so daß bei Bestromung des Elektromagneten, insbesondere in der Pha­ se, wenn der Anker noch weit entfernt ist, ein schneller Feldaufbau erfolgt (DE-A-35 00 530). In der Endphase der An­ näherung des Ankers wird jedoch der Elektromagnet in seiner Wirkung immer stärker durch den Anker beeinflußt. Da der An­ ker aber aus massiven Eisen besteht, wirken die im Anker ent­ stehenden Wirbelströme einer schnellen Feldänderung und damit einer schnellen Kraftänderungsmöglichkeit entgegen. Das glei­ che gilt auch für den sogenannten Ablösevorgang. Wird der Elektromagnet stromlos gesetzt, so sind bei einem geblechtem Jochkörper nur geringe Wirbelströme vorhanden. Durch die in dem aus massivem Eisen gefertigten Anker auch nach Abschal­ tung der Stromzufuhr zum Elektromagneten noch fließenden Wirbelströme wird der Ablösevorgang des Ankers durch das so­ genannte "Kleben" verzögert. Das führt bei schnellen Schalt­ wechseln zu Nachteilen und beeinträchtigt eine reproduzierba­ re Steuerung des Stellgliedes.

Die vorstehend geschilderten Nachteile werden gemäß der Er­ findung gelöst durch einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Stellgliedes, der wenigstens einen Elektro­ magneten mit Jochkörper und Spule aufweist, dem eine platten­ förmiger Anker zugeordnet ist, der mit dem zu betätigenden Stellglied in Verbindung steht und der gegen die Kraft wenig­ stens einer Rückstellfeder in Richtung auf eine Polfläche am Jochkörper bewegbar geführt ist und der mit schlitzförmigen Durchbrechungen versehen ist. Durch die Anordnung derartige schlitzförmiger Durchbrechungen wird es möglich, auch bei ei­ nem beispielsweise aus massiven ferromagnetischem Material hergestellten Anker eine Verminderung der Wirbelstrombildung zu erreichen. Damit ergibt sich die Möglichkeit einer schnel­ leren Feldänderung durch Änderung des Stromes am Elektroma­ gneten und somit auch einer schnelleren Beeinflussung der An­ kerbewegung. Durch die Verminderung der Wirbelstrombildung im Anker besteht beispielsweise die Möglichkeit, in der Annähe­ rungsphase des Ankers an die Polfläche die Bestromung so zu regeln, daß nur ein jeweils wegabhängiger, geringer Kraftüberschuß über die Rückstellkraft der Feder vorhanden ist und dadurch geringere Auftreffgeschwindigkeiten erzielt werden. Beim Auftreffen des Ankers auf die Polfläche kann dann der Strom zum Elektromagneten erhöht werden, damit der Anker auch sicher gehalten wird und nicht wieder abprallt. Nach einer derartigen Phase mit erhöhtem Haltestrom kann dann der Strom wieder zurückgeregelt werden, so daß der Anker ge­ gen die Kraft der Rückstellfeder mit einer geringeren Magnet­ kraft an der Polfläche gehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil der verringerten Wirbelströme bei anliegendem Anker ergibt sich auf für Verfahren zur sogenannten "Auflageerkennung", d. h. der Erkennung des Anliegens des An­ kers an der Polfläche. Während die bisher nicht zu vermeiden­ den Wirbelströme bei einem massiver Anker es praktisch unmög­ lich machten, aus der Taktungsfrequenz eines getakteten Hal­ testroms oder aus der Auswertung der zeitlichen Verläufe von Strom und/oder Spannung ein eindeutiges Signal abzuleiten, da die Änderung der differentiellen Induktivität und die Ände­ rung der Wirbelstromanteile im Anker sich gerade in den hier interessanten Betriebsbereichen zumindest teilweise kompen­ sierten, führt die Reduzierung der Wirbelstrombildung im An­ ker zu eindeutigen und reproduzierbaren Signalen, die für die Regelung und/oder Steuerung der Bestromung des Elektromagne­ ten verwendbar sind.

Auch der Ablösevorgang wird durch die Reduzierung der Wirbel­ strombildung günstig beeinflußt. Während bei einem massiven Anker durch die auch noch nach dem Abschalten des Spulen­ stroms fließenden Wirbelströme der Ablösevorgang verzögert wird, wird durch einen wirbelstromarmen Anker gemäß der Er­ findung der Magnetkraftabbau stark beschleunigt und die soge­ nannte Klebzeit reduziert.

Der Begriff "schlitzförmige Durchbrechungen" umfaßt im Sinne der Erfindung auch einen Anker, der zumindest teilweise aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten und miteinander verbundenen Blechen aufgebaut ist.

Erfindungsgemäß sind die Durchbrechungen im wesentlichen senkrecht zur Ankerebene ausgerichtet. Hierbei ist es in Aus­ gestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn die Durchbrechun­ gen in ihrer Ausrichtung in der Ankerebene im wesentlichen parallel zur Außenkontur des Ankers verlaufen. Durch diese Anordnung der Durchbrechung wird ein einem geblechtem Körper angenähertes Verhalten hinsichtlich der Entstehung von Wir­ belströmen erzielt.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorge­ sehen, daß die Durchbrechungen mit einem Dämpfungsmaterial ausgefüllt sind, das keine, allenfalls eine schlechte elek­ trische Leitfähigkeit aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß mechanische Eigenresonanzen des Ankers selbst gedämpft wer­ den.

Die erfindungsgemäße Anordnung von schlitzförmigen Durchbre­ chungen führt bereits bei einem Anker aus massivem Eisen zu einer spürbaren Reduzierung der Wirbelstrombildung. Eine wei­ tere Verbesserung in dieser Hinsicht ergibt sich, wenn der Anker aus einem ferromagnetischen Sinterwerkstoff hergestellt ist, oder aus parallel ausgerichteten Blechen aufgebaut ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Jochkörper des Elektromagneten und der Anker einen im we­ sentlichen rechteckförmigen Grundriß aufweisen. Ein elektro­ magnetischer Aktuator mit rechteckförmigem Grundriß erlaubt es, mehrere derartiger Aktuatoren dicht nebeneinander anzu­ ordnen, wie dies beispielsweise bei Stellgliedern in Form von Gaswechselventilen an Hubkolbenmotoren notwendig ist. Der Vorteil der erfindungsgemäß im Anker angeordneten schlitzför­ migen Durchbrechungen ergibt hierbei eine Zwangsausrichtung des Ankers. Die Ausrichtung der Blechung des Jochkörpers und/oder die Ausrichtung der schlitzförmigen Durchbrechungen im Anker ergeben jeweils in Richtung der Blechung bzw. in Richtung der Schlitze einen geringeren magnetischen Wider­ stand, so daß die Kraftwirkung des Elektromagneten bestrebt ist, den Anker immer in die Ausrichtung mit dem geringsten magnetischen Widerstand zu bringen. Hierdurch ergibt sich ei­ ne Selbstausrichtung des Ankers, die einer Verdrehung entge­ genwirkt, was bei engbauenden rechteckigen Aktuatorausbildun­ gen von Bedeutung ist.

Vorteilhaft ist es insbesondere für Elektromagneten mit rechteckförmigem Grundriß, wenn der Jochkörper auf seiner Polfläche mit Ausnehmungen versehen ist, in denen die Spule gehalten ist und die im wesentlichen parallel zu einander ge­ genüberliegenden Außenkanten des Jochkörpers verlaufen und wenn die Durchbrechungen im Anker in ihrer Ausrichtung in der Ankerebene im wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Ausneh­ mungen in der Polfläche angeordnet sind. Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn der Jochkörper aus Einzelblechen zusam­ mengesetzt ist, die senkrecht zur Polfläche und quer zu den Ausnehmungen in der Polfläche ausgerichtet sind. Insbesondere bei einer derartigen Ausbildung des Elektromagneten stellt sich der vorstehend erwähnte auf den Anker wirkende selbst­ ausrichtende Effekt ein.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Anker des Aktuators gem. Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte elektromagnetische Aktuator be­ steht im wesentlichen aus zwei Elektromagneten 1 und 2 mit rechteckigem Grundriß, die jeweils einen geblechten Jochkör­ per 1.1 und 2.1 aufweisen. Die Ausrichtung der Bleche ver­ läuft, wie für den Jochkörper 1.1 dargestellt, in Richtung der Längsachse des Rechtecks.

Jeder Jochkörper 1.1 und 2.1 ist mit Ausnehmungen 3 versehen, die quer zur Ausrichtung der Bleche verlaufen, in denen je­ weils die zu den Elektromagneten gehörenden Spulen 1.2 und 2.2 angeordnet sind. Wie aus der Aufsicht für den Elektroma­ gneten 2 ersichtlich, verlaufen die Spulen mit zwei paralle­ len Schenkeln durch die Ausnehmungen 3 im Jochkörper, während die beiden anderen Schenkel auf der Außenseite des Jochkör­ pers entlang geführt sind, wie der hintere Spulenteil zeigt. Für den Elektromagneten 2 ist der vordere außen geführte Teil der Spule abgeschnitten.

Die beiden Elektromagneten 1 und 2 sind mit Abstand zueinan­ der angeordnet und mit ihren Polflächen 4 gegeneinander aus­ gerichtet. Zwischen den beiden Polflächen 4 der Elektromagne­ ten 1 und 2 ist ein Anker 5 angeordnet, der mit einer Füh­ rungsstange 6 fest verbunden ist und in hier nicht näher dar­ gestellten Führungen in den Jochkörpern 1.1 und 2.1 in axia­ ler Richtung gegen die Rückstellkraft von Rückstellfedern 7 und 8 bei entsprechend abwechselnder Bestromung der Elektro­ magneten 1 und 2 hin und her bewegbar geführt ist. Als zu be­ tätigendes Stellglied 9 ist bei der hier dargestellten Aus­ führungsbeispiel das Gaswechselventil an einem Hubkolbeninotor dargestellt.

Der elektromagnetische Aktuator ist in Fig. 1 in stromlosem Zustand dargestellt. Wird der Elektromagnet 1 bestromt, dann gelangt der Anker 5 gegen die Kraftwirkung der Rückstellfeder 7 an der Polfläche 4 des Jochkörpers 1.1 zur Anlage und wird solange dort gehalten, wie die Spule 1.2 bestromt ist. Wir der Elektromagnet 1 stromlos gesetzt und der Elektromagnet 2 bestromt, dann bewegt sich der Anker 5 zunächst unter der Rückstellkraft der Feder 7 in Richtung auf die Polfläche 4 des Jochkörpers 2.1 aufgrund der Bewegungsenergie über die Gleichgewichtslage zwischen den beiden Rückstellfedern 7 und 8 hinaus und gelangt dann unter dem Einfluß der Magnetkraft des Elektromagneten 2 und wird hier durch gegen die dann wir­ kenden Kraft der Rückstellfeder 8 an der Polfläche 4 des Jochkörpers 2.1 zur Anlage gebracht. Entsprechend dem Takt der abwechselnden Bestromung der Elektromagneten 1 und 2 kann nun so das Gaswechselventil 9 entsprechend geöffnet und ge­ schlossen werden.

Um nun die Ausbildung von Wirbelströmen in dem aus einem mas­ siven Eisenmaterial hergestellten Anker 5 zu verhindern, ist dieser, wie auch aus der Aufsicht gem. Fig. 2 ersichtlich, mit mehreren Durchbrüchen 10 versehen, die im wesentlichen senkrecht zur Ankerebene verlaufen und die in ihrer Ausrich­ tung parallel zur Außenkontur des Ankers 5, hier in Richtung der langen Achse der Rechteckform des Ankers 5 verlaufen. Durch die Anordnung der Durchbrechungen 10 wird der magneti­ sche Widerstand des Ankers 5 quer zur Ausrichtung der Durch­ brüche 10 in ähnlicher Weise vermindert, wie dies durch die Ausrichtung der Fläche in den Jochkörper erfolgt. Hierdurch wird zum einen die Entstehung von Wirbelströmen unter dem Einfluß eines sich in seiner Stärke anwachsenden Magnetfeldes vermindert und der Abbau des Magnetfeldes, beispielsweise beim Abschalten des Stromes durch die Spulen der Elektroma­ gneten beschleunigt. Die jeweilige magnetischen Gegenwirkung des Ankers 5 bei einer Annäherung an einen bestromten Elek­ tromagneten bzw. beim Stromlossetzen eines Magneten bei an­ liegendem Anker wird damit reduziert. Das bedeutet, daß bei der Annäherung des Ankers 5 an der Polfläche 4 eines bestrom­ ten Elektromagneten aufgrund der reduzierten Gegenwirkung durch entstehende Wirbelströme bei einem Anker mit schlitz­ förmigen Durchbrechungen 10 schon mit einem geringeren Strom im Nahbereich ein Kraftüberschuß gegenüber der zugehörigen Rückstellfeder erreicht werden kann, als dies bei einem Anker aus Vollmaterial der Fall ist. Das gleiche gilt auch hin­ sichtlich des Abfallens beim Stromlossetzen der Spule des Elektromagneten, da mit dem schnellen Abbau der Wirbelströme in einem Anker mit schlitzförmigen Durchbrechungen 10 das so­ genannte Kleben vermindert wird und so die Kraftwirkung der entsprechend zusammengedrückten Rückstellfeder früher wirksam werden kann.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines recht­ eckigen Magneten wird durch den parallelen Verlauf der Blechung der Jochkörper 1.1 und 2.1 einerseits und den hierzu gleichgerichteten Verlauf der schlitzförmigen Durchbrechungen 10 andererseits erreicht, daß ein Selbstausrichteffekt ein­ tritt, der mit einer Verdrehung des Ankers 5 um die Achse der Führungsstange 6 immer eine Gegenkraft erzeugt die den Anker 5 in seiner definierten Lage zu den Elektromagneten hält.

Die schlitzförmigen Durchbrechungen 10 können mit einem aku­ stisch dämpfenden Material gefüllt werden, das weder elek­ trisch noch magnetisch leitend ist, so daß die mechanischen Eigenschwingungen des Ankers, insbesondere Eigenschwingungen in der Resonanzfrequenz weitgehend unterbunden werden.

Es ist aus Fig. 1 ohne weiteres abzuleiten, daß für andere Einsatzfälle auch eine Konzeption für einen derartigen elek­ tromagnetischen Aktuator möglich ist, der aus nur einem Elek­ tromagneten mit entsprechender Rückstellfeder und dem Anker besteht. Die eine Schaltstellung wird durch die Anlage des Ankers an der Polfläche des bestromten Elektromagneten vorge­ geben, während die andere Schaltstellung bei stromlos gesetz­ tem Elektromagneten durch einen dann vorzusehenden Anschlag mit entsprechendem Abstand zur Polfläche des Elektromagneten gegeben ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Rechteckform des Ankers 5 beschränkt. Sie ist auch anwendbar bei quadrati­ schen, ovalen oder runden Ankerformen.

Claims (8)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Stell­ gliedes (9), der wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) mit Jochkörper (1.1, 2.1) und Spule (1.2, 2.2) aufweist, dem ein plattenförmiger Anker (5) zugeordnet ist, der mit dem zu betätigenden Stellglied (9) in Verbindung steht und der gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder (7, 8) in Richtung auf eine Polfläche (4) am Jochkörper (1.1, 2.1) bewegbar geführt ist und der mit schlitzförmigen Durchbre­ chungen (10) versehen ist.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Durchbrechungen (10) im wesentlichen senkrecht zur Ankerebene ausgerichtet sind.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen (10) in ihrer Ausrichtung in der Ankerebene im wesentlichen parallel zur Außenkontur des Ankers (5) verlaufen.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen (10) mit einem Dämpfungsmaterial ausgefüllt sind, das keine, al­ lenfalls eine schlechte elektrische Leitfähigkeit auf­ weist.

5. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (5) aus einem ferromagnetischer Sinterwerkstoff besteht.

6. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (1.1, 2.1) des Elektromagneten (1, 2) und der Anker (5) einen im wesentli­ chen rechteckförmigen Grundriß aufweisen.

7. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Jochkörper (1.1, 2.1) auf seiner Polfläche (4) mit Ausnehmungen (3) für die Spule (1.2, 2.2) versehen ist, die im wesentlichen parallel zu einander gegenüberliegenden Außenkanten des Jochkörpers (1.2, 2.2) verlaufen und daß die Durchbrechungen (10) im Anker (5) in ihrer Ausrichtung im wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Ausnehmungen (3) in der Polfläche (4) ange­ ordnet sind.

8. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Jochkörper (1.1, 2.1) aus Einzelblechen zusammengesetzt ist, die senkrecht zur Polfläche (4) und quer zu den Ausnehmungen (3) in der Polfläche (4) ausgerichtet sind.