DE19822906A1 - Elektrischer Aktuator mit elastisch verformbarem Anker - Google Patents

Description

Elektromagnetisch betätigbare Aktuatoren bestehen im wesent­ lichen aus wenigstens einem Elektromagneten, der ein mit ei­ ner Spule und wenigstens einer Polfläche versehenes Joch auf­ weist, und einem auf ein Stellglied einwirkenden Anker, der mit wenigstens einem Rückstellmittel verbunden ist, so daß der Anker aus einer durch das Rückstellmittel vorgegebenen ersten Stellposition durch Einschalten des Spulenstroms in eine durch die Anlage des Ankers am Elektromagneten definier­ te zweite Stellposition bewegt werden kann. Elektromagnetisch betätigbare Aktuatoren dieser Art werden beispielsweise zur Steuerung der Gaswechselventile an Kolben-Brennkraftmaschinen eingesetzt. Hierbei sind zwei Elektromagneten vorgesehen, zwischen denen jeweils gegen die Kraft eines Rückstellmit­ tels, beispielsweise einer Rückstellfeder, der Anker durch Abschalten des Spulenstroms am haltenden Elektromagneten und Einschalten des Spulenstroms am fangenden Elektromagneten be­ wegt werden kann. Durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Aktuatoren der Gaswechselventile kann nun das Ein- und Ausströmen des Arbeitsmediums bewirkt werden, so daß der Arbeitsprozeß nach den jeweiligen Betriebsanforderungen opti­ mal beeinflußt werden kann. Elektromagnetisch betätigbare Ak­ tuatoren für Gaswechselventile sind beispielsweise aus DE-C-30 24 109 bekannt.

Zur Erzielung einer hohen Steuergenauigkeit muß jeweils zum Fangen des Ankers an einer Magnetpolfläche eine vergleichs­ weise hohe Energie aufgebracht werden. Verbunden mit diesem hohen Energieaufwand ist aber eine sinkende Betriebssicher­ heit, da dann als weiteres Problem das sogenannte Prellen des Ankers verstärkt auftritt. Dieses Problem wird dadurch verur­ sacht, daß der Anker mit hoher Geschwindigkeit auf der Polfläche auftrifft und von dieser sofort oder nach kurzer Zeit wieder abprallen kann. Durch diese Prellvorgänge wird beispielsweise bei Gaswechselventilen der Betrieb einer Kol­ ben-Brennkraftmaschine nachteilig beeinflußt. Selbst bei ei­ ner ordnungsgemäßen Anlage des Ankers an der Magnetfläche kommt es beim Auftreffen zu verhältnismäßig starken, stören­ den Schallabstrahlungen. Zur Verminderung dieser Schallab­ strahlungen wurde bereits vorgeschlagen, die Polfläche mit einer elastisch verformbaren Beschichtung zu versehen oder aber im Bereich der Polfläche und/oder der entsprechenden Ge­ genfläche des Ankers Hohlräume vorzusehen um in Verbindung mit entsprechenden Gegenelementen kurz vor der vollständigen Anlage des Ankers an der Magnetpolfläche die in den Hohlräu­ men eingeschlossene Luft zu komprimieren und so den Aufschlag des Ankers zu dämpfen. Die Fertigung derartiger Hohlräume ist sehr aufwendig und verlangt hohe Fertigungsgenauigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagne­ tischen Aktuator der vorstehend bezeichneten Art zu schaffen, der bei gleicher Aufschlagenergie eine reduzierte Schallab­ strahlung aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Anker und/oder das Joch zumindest in Teilbereichen in der Bewegungsrichtung des Ankers elastisch verformbar ausgebildet ist. Hierbei wird mit Vorteil ausgenutzt, daß der Anker mit einem senkrecht zu seiner Fläche verlaufenden zentralen Füh­ rungsschaft verbunden ist und daß die mit zunehmender Annähe­ rung an die Magnetpolfläche exponentiell ansteigende Magnet­ kraft im wesentlichen im Randbereich des Ankers und des Jochs wirksam wird, während die entgegenwirkende, in der Regel li­ near ansteigende Rückstellkraft im Bereich der Verbindung zwischen Anker und Führungsschaft auf den Anker einwirkt. Wird nun ein derartiger im wesentlichen plattenförmiger An­ ker, der rund, quadratisch, oder rechteckig ausgebildet sein kann, als verhältnismäßig dünne Platte aus weichmagnetischem, elastisch verformbaren Material hergestellt, beispielsweise mit einer Stärke von etwa 3 mm, dann ergibt sich bei der je­ weiligen Annäherung des Ankers an die Magnetpolfläche unter dem Einfluß der vorstehend beschriebenen Krafteinwirkung eine Verformung des Ankers in der Weise, daß jeweils der Randbe­ reich in Bewegungsrichtung geringfügig vorgebogen wird. Das hat zur Folge, daß der Anker zunächst nur mit seinem Randbe­ reich die Magnetpolfläche berührt und erst dann aufgrund des verbleibenden geringen Spaltes in infolge der hohen Magnet­ kraft unter gleichzeitiger Rückverformung mit seiner ganzen Fläche an der Magnetpolfläche zur Anlage kommt. Hierdurch wird die Geräuschentwicklung beim Auftreffen reduziert.

Die vorbeschriebene Wirkungsweise kann auch dadurch ausge­ nutzt werden, daß das Joch elastisch verformbar ausgebildet ist, was beispielsweise durch ein Joch aus verschweißten Kernblechen bewirkt werden kann. Auch hier führen die Magnet­ kräfte zwischen dem Joch und dem herannahenden Anker dann zu entsprechenden Verformungen, die dazu führen, daß der erste Kontakt des Ankers mit der Polfläche nur in Teilbereichen der Fläche erfolgt. Die Lage der Teilbereiche für das erste Auf­ treffen kann durch eine entsprechende Formgebung der Polflä­ che und/oder der zugeordneten Ankerfläche gezielt vorgegeben werden.

Die Erfindung läßt sich somit in den verschiedensten Kombina­ tionen verwirklichen und zwar in den Kombinationen "steifes Joch-elastisch verformbarer Anker", "elastisch verformbares Joch-steifer Anker" und "elastisch verformbares Joch-elastisch verformbarer Anker". Die Entscheidung über die je­ weilige Kombination und/oder auch die zu wählende Formgebung richtet sich sowohl nach der jeweils gegebenen Geometrie von Polfläche und Anker als auch von den jeweils wirksamen Ma­ gnetkräften.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß die Polfläche des Elektromagneten schalenförmig ver­ tieft ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung wird die Ver­ tiefung in ihrer Querschnittsform so gewählt, daß sie in etwa der durch die Randkontur des plattenförmigen Ankers vorgege­ benen räumlichen Verformbarkeit angepaßt ist. Diese Ausge­ staltung hat den Vorteil, daß beim Auftreffen des Randes auf den entsprechenden Rand der schalenförmigen Vertiefung der Magnetpolfläche mit der weiteren Annäherung unter dem Einfluß der Magnetkraft nicht nur die bei der Annäherung bewirkte dy­ namische Verformung zurückgestellt wird, sondern bis zur vollständigen flächigen Anlage des Ankers an der Magnetpol­ fläche dieser in Gegenrichtung elastisch verformt wird, so daß hier eine zusätzliche Rückstellkraft wirksam wird, die den Aufschlag bis zur vollständigen Anlage vermindert. Als weiterer Vorteil ergibt sich hierbei, daß zur Einleitung der Gegenbewegung zum Lösen des Ankers nach dem Abschalten des Haltestroms durch die aus der Verformung des Ankers in der Anlageposition vorhandenen zusätzlichen Rückstellkräfte ein schnelleres Ablösen des Ankers und damit eine Verkürzung des sogenannten "Klebens" bewirkt werden kann.

Je nach den Gegebenheiten, und zwar sowohl bei einem steifen Anker als auch bei einem elastisch verformbaren Anker, ist es zweckmäßig, wenn die Polfläche des Jochs zumindest in ihrem zentralen Bereich konvex in Richtung auf den Anker vorgewölbt ist. Das Maß der Vorwölbung richtet sich nach den gegebenen elastischen Verformbarkeiten von Anker und/oder Joch.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Anker als massiver Körper aus weichmagnetischem Eisen besteht. Das Joch besteht zweckmäßigerweise aus verschweißten Kernblechen.

Bei der Auslegung des Ankers hinsichtlich seiner Stärke müs­ sen nun zum einen die magnetischen Bedingungen erfüllt werden und zum anderen die Elastizitäts- oder Federbedingungen. Bei der Auslegung der Federbedingungen sollte die Dicke des An­ kers möglichst so gewählt werden, daß der Anker in der Ver­ formungsrichtung in Beziehung zu den üblichen Arbeitsfrequen­ zen möglichst "tief" abgestimmt ist, d. h. eine niedrige Ei­ genfrequenz aufweist, so daß im Betriebsfrequenzbereich der durch die Magnetkräfte und Massenkräfte ausgeprägten Verfor­ mung nicht zusätzlich noch eine unkontrollierte Gegenschwin­ gung überlagert ist. Bei der Auslegung des Ankers kann es da­ her in Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig sein, wenn am Anker Mittel zur Erhöhung der elastischen Verformbarkeit vor­ gesehen sind. Derartige Mittel können beispielsweise durch Nuten gebildet werden, die mit Abstand zum freien Rand des Ankers angebracht sind, so daß trotz einer zur Erfüllung der magnetischen Bedingungen relativ großen Dicke des Ankers gleichwohl eine hohe Elastizität und damit eine verhältnismä­ ßig niedrige Eigenfrequenz möglich ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf der Polfläche und/oder auf der zugeordneten Ankerfläche im Bereich des freien Randes ein umlaufendes Dichtelement an­ geordnet ist. Hierdurch wird bewirkt, daß der Zwischenraum zwischen Polfläche und Ankerfläche unmittelbar nach der Anla­ ge des Ankers im Randbereich abgedichtet wird und so ein Luftpolster entsteht, das bei der weiteren Verformung bis zur vollständigen Anlage der Ankerfläche an der Polfläche als dämpfendes Luftpolster wirkt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einem Anker mit polygonaler, insbesondere rechteckiger Umfangskontur, zumindest an den Ecken des Ankers Anschlag­ dämpfungselemente angeordnet sind. Durch derartige Anschlag­ dämpfungselemente wird bei einem Aktuator mit einer als Schraubenfeder ausgebildeten Rückstellfeder ein Anschlag des Ankers am umgebenden Gehäuse infolge der im Betrieb auftre­ tenden zusätzlichen Torsionsschwingungen und die damit ver­ bundene Schallentwicklung unterbunden.

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

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils im Schnitt,

Fig. 2 schematisch die Verformung eines elastisch verformbaren Jochs bei Annäherung des Ankers,

Fig. 3 die Ausführungsform gem. Fig. 2 mit anliegendem Anker,

Fig. 4 eine Aufsicht auf den Anker gemäß der Ausführungsform in Fig. 1,

Fig. 5 eine Seitenansicht einer Ankerausfüh­ rungsform mit Randdichtung.

Der in Fig. 1 im Schnitt schematisch dargestellte elektroma­ gnetische Aktuator 1 weist einen mit einem Gaswechselventil 2 verbundenen Anker 3 sowie jeweils mit Abstand zum Anker 3 ei­ nen zugeordneten Schließmagneten 4 und einen zugeordneten Öffnermagneten 5 auf. Der Anker 3 wird über Rückstellfedern 6 und 7 bei stromlos gesetzten Magneten in einer Ruhelage zwi­ schen den beiden Magneten 4 und 5 gehalten, wobei der jewei­ lige Abstand zu den Polflächen 8 der Magneten 4, 5 zum einen vom vorgegebenen Hub des zu betätigenden Stellmittels und zum anderen von der Auslegung der Federn 6, 7 abhängt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Federn 6 und 7 gleich ausgelegt, so daß die strichpunktiert angedeute­ te Ruhelage des Ankers 3 sich in der Mitte zwischen den bei­ den Polflächen 8 befindet. Die beiden Magneten 4 und 5 weisen jeweils ein Joch 4.1 und 5.1 auf, das jeweils die zugehörige Spule 4.2 und 5.2 trägt. In Schließstellung liegt somit der Anker 3 an der Polfläche 8 des Schließmagneten 4 und in Öff­ nungsstellung an der Polfläche des Öffnungsmagneten 5 an.

Die Polfläche 8 der beiden Elektromagneten 4 und 5 kann grundsätzlich ebenflächig ausgebildet sein. Bei der hier dar­ gestellten Ausführungsform mit rechteckigem Anker (vergl. Fig. 4) ist die Polfläche 8 jedoch vertieft ausgebildet. Der aus einem elastisch verformbaren weichmagnetischen Material bestehende Anker 3 ist nun so ausgelegt, daß er unter dem Einfluß der Magnetkräfte jeweils bei seiner Anlage an den Polflächen 8 entsprechend der vertieften Kontur der Polfläche 8 verformt wird.

Zur Betätigung des Gaswechselventils, d. h. zur Einleitung der Bewegung aus beispielsweise der geöffneten Position in die geschlossene Position, wird der Haltestrom am haltenden Öffnermagneten 5 abgeschaltet. Hierdurch fällt die Haltekraft des Öffnermagneten 5 unter die Federkraft der Rückstellfe­ der 7 ab und der Anker beginnt, durch die Federkraft be­ schleunigt, sich zu bewegen. Nach dem Durchgang des Ankers durch seine Ruheposition wird der "Flug" des Ankers 3 durch die Federkraft der dem Schließmagneten 4 zugeordneten Rück­ stellfeder 6 abgebremst. Um den Anker 3 in der Schließstel­ lung zu fangen und zu halten, wird der Schließmagnet 4 mit Strom beaufschlagt, so daß die sich aufbauende und mit zuneh­ mender Annäherung des Ankers an die Polfläche 8 exponentiell ansteigende Magnetkraft gegen die nur linear ansteigende Fe­ derkraft der Rückstellfeder 6 den Anker bis zur vollständigen Anlage an der Polfläche 8 bringt. Zum Öffnen des Gaswechsel­ ventils erfolgt dann der Schaltungs- und Bewegungsablauf in umgekehrter Richtung.

In Fig. 1 ist der elektromagnetische Aktuator im Betrieb in einer Zwischenstellung dargestellt, bei der der Schließmagnet 4 als fangender Magnet bereits bestromt ist, so daß auf den Anker 3 die durch Pfeile schematisch angedeuteten Magnetkräf­ te F_M insbesondere im Randbereich wirksam sind. Gleichzeitig wirken auf den Anker 3 im Bereich seiner Verbindung mit dem Schaft 2.1 die Kraft F_F der Rückstellfeder 6 in Gegenrich­ tung, die die Bewegung des Ankers 3 abbremst. Dementsprechend werden zusätzlich zu den Magnetkräften F_M auch noch im Rand­ bereich gleichgerichtete Massenkräfte wirksam, die in Fig. 1 nicht näher eingezeichnet sind.

Diese auf den Anker 3 bei seiner Annäherung an den jeweils fangenden Magneten, hier den Schließmagneten 4, wirkenden Kräfte haben zur Folge, daß der elastisch verformbar ausge­ bildete Anker 3 im Randbereich in Bewegungsrichtung auf gebo­ gen wird und dementsprechend zunächst mit seinem Rand die Polfläche 8 berührt und erst danach unter Rückbildung der Verformung vollflächig zur Anlage kommt. Ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 dargestellt, die Magnetpolflä­ che vertieft ausgebildet, dann wird der Anker 3 bis zur voll­ flächigen Anlage noch in Gegenrichtung verformt, so daß zu­ sätzlich zu der Kraft der Rückstellfeder 6 auch noch die Rückstellkraft des durchgebogenen Ankers 3 wirksam wird, so daß der Anker "sanft" auf die Polfläche des fangenden Magne­ ten auftrifft und die Entstehung eines Schallimpulses weitge­ hend unterbunden wird.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mit vertief­ ter Polfläche wirkt die aus der Verformung des elastischen Ankers vorhandene Rückstellkraft nach dem Abschalten des Hal­ testroms auf das Gasventil beschleunigend, so daß der Anker sich leichter von der Polfläche löst.

Je nach der Dicke des Ankers 3 können als Mittel zur Erhöhung der elastischen Verformbarkeit durchlaufende Nuten 9 vorgese­ hen sein, wie diese auch aus der Aufsicht gem. Fig. 4 erkenn­ bar sind.

Anstelle der als Nuten bzw. Querschnittsschwächung 9 ausge­ bildeten Mittel zur Erhöhung der elastischen Verformbarkeit ist es bei Ankerbauformen, die in sich selbst steif ausgebil­ det sind, auch möglich, durch die Anordnung von Federzungen, beispielsweise in Form von Randausstanzungen oder dergl., das gewünschte dämpfende Auftreffen zu bewirken.

In Fig. 2 und 3 sind in Form einer Prinzipskizze die Verfor­ mungsverhältnisse dargestellt bei der Verwendung eines prak­ tisch steifen Ankers und eines verformbaren Jochs. Fig. 2 zeigt hierbei die Verformung eines elastisch verformbar aus­ gebildeten Jochs 4.1 während der Annäherung eines steif aus­ gebildeten Ankers 3 entsprechend der Bewegungssituation gem. Fig. 1. Fig. 3 zeigt dann den am Joch 4.1 anliegenden An­ ker 3. Wie aus Fig. 2 erkennbar, trifft der Anker 3 infolge der durch die elastische Verformung des Jochs 4.1 entstehende Vorwölbung zunächst im Mittenbereich auf und legt sich erst anschließend mit seinem Rand an der Polfläche an, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Verformung ist hier stark über­ höht dargestellt. Zweckmäßig ist es, wenn der Anker 3 einen etwas erhöhten Rand aufweist.

Während Fig. 1 zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstel­ lung das die beiden Elektromagneten 4 und 5 verbindende Ge­ häuse nicht zeigt, ist dies im Horizontalschnitt gemäß Fig. 4 dargestellt. Das Gehäuse 10 umschließt hierbei den Freiraum zwischen den beiden Elektromagneten 4 und 5 mit nur geringem Abstand, so daß bei einer polygonalen Umfangskontur des An­ kers 3 dieser bei einer Anregung zu Drehschwingungen um die Achse des Schaftes 2.1 mit seinen Ecken anschlägt. Um dies zu vermeiden, sind die Ecken jeweils mit Anschlagdämpfungsele­ menten 11, beispielsweise aus PTFE oder vergleichbaren ver­ schließfesten Werkstoffen hergestellt sein.

In Fig. 5 ist in einem Schnitt entsprechend der Linie I-I in Fig. 4 eine andere Ausführungsform für einen Anker darge­ stellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Anker 3 randseitig mit umlaufenden, beispielsweise lippenartigen Dichtelementen 12 versehen, die beim Auftreffen des Ankers auf die Magnet­ polfläche 8 den umschlossenen Zwischenraum nach außen ab­ schließen, so daß sich zwischen der Magnetpolfläche 8 und der zugeordneten Gegenfläche am Anker 3 ein dämpfend wirkendes Luftpolster aufbauen kann. Ordnet man, wie hier dargestellt, die Dichtelemente 12 so an, daß sie den freien Rand des An­ kers 3 überragen, können diese Dichtelemente 12 zugleich die Funktion der Anschlagelemente übernehmen.

Claims (8)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Stell­ gliedes mit wenigstens einem Elektromagneten, der ein mit ei­ ner Spule und wenigstens einer Polfläche versehenes Joch auf­ weist und mit einem mit dem Stellglied verbundenen Anker, der gegen die Kraft einer Rückstellfeder in Richtung auf die Polfläche des Elektromagneten bewegbar geführt ist und an dieser zur Anlage bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (3) und/oder das Joch (4,1; 5.1) zumindest in Teil­ bereichen in der Bewegungsrichtung des Ankers (3) elastisch verformbar ausgebildet ist.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfläche (8) des Jochs (4.1; 5.1) vertieft ausgebildet ist.

3. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfläche (8) des Jochs (4.1; 5.1) zumindest in ihrem zentra­ len Bereich konvex in Richtung auf den Anker (3) vorgewölbt ist.

4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Joch (4.1; 5.1) verschweißte Kernbleche aufweist.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anker (3) aus weichmagnetischem Eisen be­ steht.

6. Aktuator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Anker (3) Mittel (9) zur Erhöhung der elastischen Verform­ barkeit vorgesehen sind.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Polfläche (8) und/oder auf der zugeord­ neten Ankerfläche im Bereich des freien Randes ein umlaufen­ des Dichtelement (12) angeordnet ist.

8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Anker (3) mit polygonaler, insbeson­ dere rechteckiger Umfangskontur zumindest an den Ecken des Ankers (3) Anschlagdämpfungselemente (11) angeordnet sind.