DE19825728C2 - Elektromagnetischer Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine.

Das Grundprinzip derartiger Aktuatoren und ihre Funktionswei­ se ist aus DE 39 20 976 A1, WO 95/00787 A1 und WO 95/0095 A1 vorbe­ kannt. Die vorbekannten Konstruktionen sind für eine Großse­ rienfertigung wenig geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Aktuator zu schaffen, der den Anforderungen des Automobilbaus in Bezug auf große Stückzahlen genügt.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein elektromagnetischer Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Bei dieser Konzeption ergibt sich für den Elektromagneten ein kompaktes Gebilde, das über die Anordnung eines Gehäuses zur Aufnahme des mit der Spule versehenen Jochkörpers zugleich die erforderlichen Elemente für die Montage und den Zusammen­ bau zu einem vollständigen elektromagnetischen Aktuator bie­ tet. Die erfindungsgemäße Konzeption des Elektromagneten ist vorteilhaft für eine serienmäßige Fertigung, da hier mit nur wenigen Fügeoperationen der Zusammenbau möglich ist, so daß hier auch eine Automatisierung der Fügeoperationen angewendet werden kann. Hierzu wird zunächst die Spule in den Jochkörper eingesetzt und anschließend der mit der Spule versehene Joch­ körper in das Gehäuse eingesetzt. Die Verbindung zwischen Spule und Jochkörper kann zweckmäßigerweise durch ein Ausgie­ ßen der verbleibenden Zwischenräume mit einer entsprechend aushärtenden Kunststoffmasse erfolgen, die sowohl die Fixie­ rung des Jochkörpers im Gehäuse als auch die Fixierung der Spule im Jochkörper übernimmt. Dadurch sind großzügigere To­ leranzen möglich. Durch die Kunststoffmasse erfolgt gleich­ zeitig auch die elektrische Isolierung der Spule gegenüber dem Gehäuse und dem Jochkörper und gleichzeitig wird ein Wär­ metransport ermöglicht. Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise aus einem Metall mit nichtmagnetischen Eigenschaften hergestellt, beispielsweise aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen, so daß darüber hinaus der Vorteil besteht, durch entsprechende Gußverfahren, beispielsweise ein Druckgußverfahren, an die Anforderungen des jeweiligen Verwendungszweckes angepaßte Ge­ häuseformen kostengünstig in großer Stückzahl herzustellen.

Dadurch, daß der Jochkörper durch ein quaderförmiges Element gebildet wird, das aus Einzelblechen zusammengesetzt ist, die senkrecht zur Polfläche ausgerichtet sind, bietet dies zum einen den Vorteil, daß durch ein einfaches Stanzverfahren aus Blechen die Grundelemente für den Jochkörper herstellbar sind, wobei die Einzelbleche dann zu einem kompakten Körper fest miteinander verbunden werden, beispielsweise durch eine Laserschweißung. Der Aufbau des Jochkörpers aus Einzelblechen bietet ferner den Vorteil, daß im Betrieb die Entstehung von Wirbelströmen weitgehend unterbunden ist, so daß der gefor­ derte schnelle Aufbau und Abbau des Magnetfeldes gewährlei­ stet ist. Durch die Anordnung zweier paralleler Nuten ist das Einlegen einer entsprechend als "Rechteckring" gebildeten Spule vereinfacht.

Dadurch, daß die Ausnehmung im Gehäuse zu zwei einander gegenüberliegenden Seiten hin offen ist und daß der einge­ setzte Jochkörper einen Teil der Seitenflächen des Elektroma­ gneten in diesem Bereich bildet, ist die Möglichkeit gegeben, sehr schmalbauende elektromagnetische Aktuatoren zu schaffen, die dicht nebeneinander angeordnet werden können, wie dies beispielsweise bei elektromagnetischen Aktuatoren zur Betäti­ gung von Gaswechselventilen an Kolbenbrennkraftmaschinen im Hinblick auf den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum wünschenswert ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ausnehmung im Gehäuse eine weitere zusätzliche Öffnung zur Aufnahme von Anschlußkontakten der eingesetzten Spule zu­ geordnet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der kom­ plett zusammengebaute elektromagnetische Aktuator, insbeson­ dere ein elektromagnetischer Aktuator entsprechend einer wei­ teren, nachstehend noch näher erläuterten Ausbildung der Er­ findung mit zwei Elektromagneten, über eine Steckerverbin­ dung, die auch als Schneid-Klemmverbindung ausgebildet sein kann, an die elektrische Steuereinrichtung angeschlossen wer­ den kann. Hierbei ist zugleich der Vorteil gegeben, daß in diesem Bereich noch weitere Anschlußkontakte für Sensoren oder dergl. vorgesehen werden können, so daß der Anschluß des Aktuators an eine elektrische Steuerung über einen codierten Stecker unverwechselbar erfolgen kann.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gehäuse auf seiner der Polfläche des ein­ gesetzten Jochkörpers abgekehrten Seite mit einer rohrförmi­ gen Öffnung zur Aufnahme eines Endes der Rückstellfeder ver­ sehen ist. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn sich die rohrför­ mige Öffnung bis zur Ausnehmung im Gehäuse erstreckt. Hier­ durch ist nicht nur eine einfache Herstellung gegeben, son­ dern zugleich die Möglichkeit geboten, die rohrförmige Öff­ nung auch als Halte- und Führungsmittel bei den Fügeoperatio­ nen für den Zusammenbau eines Aktuators zu verwenden. So dient beispielsweise nach dem Einsetzen des mit der Spule versehenen Jochkörpers die rohrförmige Öffnung als Halte- und Führungsmittel für die eingesetzte Rückstellfeder, wenn diese anschließend zusammen mit dem Anker montiert werden muß.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwei Elektromagneten über Distanzstücke mit Abstand zueinander und mit einander zugekehrten Polflächen verbunden sind, zwischen denen der Anker gegen die Kraft von Rückstellfedern hin- und herbewegbar geführt ist und daß die Gehäuse der beiden Elektromagneten spiegelbildlich zueinander angeordnet sind. Bei dieser speziellen Ausführungsform eines elektromagnetischen Aktuators, wie er insbesondere zur Betä­ tigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftma­ schine verwendet wird, ergibt sich der Vorteil der erfin­ dungsgemäßen Bauform für die Elektromagneten, da mit nur ei­ ner Form für die Elektromagneten der Aktuator zusammengesetzt werden kann. Über die Distanzstücke zwischen den beiden Elek­ tromagneten wird der Hub des Ankers zwischen den beiden Polflächen vorgegeben. Je nach der Anordnung der Rückstellfe­ dern ist darüber hinaus die Möglichkeit gegeben, durch die Beilage von Distanzscheiben zwischen der oberen Feder 8 und der Hülse 28 die Ruheposition des Ankers zwischen den beiden Polflächen bei stromlos gesetzten Elektromagneten in ihrem Abstand zu einer oder beiden Polflächen zu verändern.

Zweckmäßigerweise sind die Gehäuse der Elektromagneten und die Distanzstücke jeweils mit Zentrierelementen versehen, so daß durch ein steckendes Zusammenfügen der einzelnen Bauteile bereits die erforderliche maßgenaue Positionierung der ein­ zelnen Elemente zueinander vorgegeben ist und dementsprechend die spätere Befestigung des Aktuators an einem Träger, bei­ spielsweise durch Spannschrauben, ohne Einfluß auf die Zen­ trierung ist. Die Zentrierelemente können gleichzeitig als Verbindungselemente der Bauteile miteinander dienen. Bei­ spielsweise können Stifte endseitig vernietet werden. In vor­ teilhafter Weise ist hierzu vorgesehen, daß die Zentrierele­ mente jeweils durch ein Rohr gebildet werden, das miteinander fluchtende Bohrungen in den Gehäusen der Elektromagneten und in den Distanzstücken durchsetzt und das gleichzeitig zur fe­ sten Verbindung der Bauteile miteinander dient. Dies kann beispielsweise durch Umbördeln der Rohrenden erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Vertikalschnitt einen elektromagne­ tischen Aktuator zur Betätigung eines Gas­ wechselventils gem. der Linie I-I in Fig. 2,

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

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Jochkörper gem. der Linie III-III in Fig. 2.

Der in Fig. 1 dargestellte elektromagnetische Aktuator wird im wesentlichen gebildet aus zwei Elektromagneten 1 und 2, die über Distanzstücke 3.1 und 3.2 im Abstand zueinander an­ geordnet und mit ihren Polflächen 4 gegeneinander ausgerich­ tet sind. In dem Freiraum zwischen den beiden Polflächen 4 ist ein Anker 5 angeordnet, der über eine Führung, beispiels­ weise eine Führungsstange 6, hin- und herbewegbar geführt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der An­ ker 5 eine rechteckige Grundform auf.

Die geteilte Führungsstange 6 steht an ihrem oberen Ende 7 mit einer Rückstellfeder 8 in Verbindung. Das andere, untere freie Ende 9 der Führungsstange 6 stützt sich hierbei auf dem freien Ende 10 des Schaftes 11 eines Ventils ab, das in dem hier nur angedeuteten Zylinderkopf 12 einer Kolbenbrennkraft­ maschine geführt ist. Durch eine Rückstellfeder 13 wird das Gaswechselventil in Schließrichtung beaufschlagt, wobei die Rückstellfeder 13 und die Rückstellfeder 8 in ihrer Kraf­ trichtung gegeneinander gerichtet sind, so daß bei stromlos gesetzten Elektromagneten der Anker 5 entsprechend seine Ru­ heposition zwischen den beiden Polflächen 4 der beiden Elek­ tromagneten 1 und 2 einnimmt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Werden nun die beiden Elektromagneten 1 und 2 abwechselnd be­ stromt, dann gelangt der Anker 5 entsprechend abwechselnd an den Polflächen 4 der beiden Elektromagneten 1 und 2 zur Anla­ ge und das Gaswechselventil wird entsprechend während der Dauer der Bestromung in Öffnungsstellung (Anlage am Elektro­ magneten 2) gegen die Kraft der Rückstellfeder 13 und in Schließstellung (Anlage an der Polfläche des Elektromagne­ ten 1) gegen die Kraft der Rückstellfeder 8 gehalten.

Der in Fig. 1 dargestellte elektromagnetische Aktuator stellt eine Baueinheit dar, die baukastenmäßig aus identischen Ele­ menten zusammengesetzt ist. Die beiden Elektromagneten sind bevorzugt baugleich und bestehen im wesentlichen aus einem Gehäuse 14, das eine in Richtung auf den Anker hin offene Ausnehmung 15 aufweist, in die ein Jochkörper 16 mit Spule 17 eingesetzt ist. Das Gehäuse 14 weist ferner eine rohrförmige Öffnung 18 auf, die der Aufnahme der jeweiligen Rückstellfe­ der 8 bzw. 13 dient.

Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, wird der Jochkörper durch ein quaderförmiges Element gebildet, das aus einer Vielzahl von Einzelblechen zusammengesetzt ist, die fest miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Laserschweißung. Der Jochkörper 16 ist hierbei mit zwei parallelen Nuten 19 verse­ hen, in die die als Rechteckring geformte Spule 17 mit zwei parallelen Schenkeln eingelegt ist. Die den Jochkörper 16 auf der Außenseite umgreifenden Schenkel der Spule 17 werden, wie Fig. 1 und 2 zeigen, seitlich vom Gehäuse 14 abgedeckt.

Das Gehäuse 14 ist nun so ausgebildet, daß die Ausnehmung 15 zu zwei einander gegenüberliegenden Seiten hin offen ist, so daß der eingesetzte Jochkörper 16 in diesem Bereich einen Teil der Seitenfläche des Elektromagneten bildet.

Wie die Ansicht gem. Fig. 2 erkennen läßt, ergibt sich hier­ bei ein sehr schmalbauender elektromagnetischer Aktuator, so daß derartige Aktuatoren dicht nebeneinander eingebaut werden können. Der Jochkörper 16 wird zusammen mit der Spule 17 in die Ausnehmung 15 des Gehäuses 14 eingesetzt und dort über eine entsprechende Vergußmasse fixiert und gehalten.

Das Gehäuse 14 weist ferner eine weitere seitliche Öffnung 20 auf, die den Zugang zu Anschlußkontakten 21 der Spule 17 er­ möglicht. Damit ist die Möglichkeit gegeben, über einen ein­ stückigen, hier strichpunktiert angedeuteten Stecker 22, der zweckmäßigerweise codiert ist, beide Elektromagneten unver­ wechselbar mit der zugehörigen Steuereinrichtung zu verbin­ den. Der Stecker 22 ist hierbei in den Seitenflanken der Öff­ nung 20 geführt und geschützt.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, weist das beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung im Druckgußverfahren hergestellte Gehäuse vier parallel zur Achse der Führungsstange 6 verlaufende Durchgangsöffnungen 23 auf, denen entsprechende Durchgangs­ öffnungen in den Distanzstücken 3.1 und 3.2 zugeordnet sind. Damit ist die Möglichkeit gegeben, über entsprechende Spann­ schrauben 24, wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet, alle Teile fest miteinander zu verspannen.

Um nun eine genaue geometrische Ausrichtung der beiden Elek­ tromagneten 1 und 2 und der Distanzstücke 3.1 und 3.2 zuein­ ander zu erzielen, sind zweckmäßigerweise Zentrierelemente vorgesehen. In der einfachsten Form können diese durch Rohr­ stücke 25 gebildet werden, die die miteinander fluchtenden Bohrungen 23 nahezu in ihrer vollen Länge durchsetzen, so daß die Bauteile des Aktuators unverdrehbar und achsgenau zuein­ ander ausgerichtet sind. Die Rohrenden werden umbördelt bzw. vernietet, so daß die Bauteile als Einheit fest miteinander verbunden sind. Hierbei besteht auch die Möglichkeit, über zwei diagonal einander gegenüberliegende oder alle Durch­ gangsbohrungen Spannschrauben einzuführen, die den Aktuator als Baueinheit zusammenfassen oder über die Spannschrauben zu führen, die gleichzeitig der Befestigung des Aktuators am Mo­ torblock dienen, wie in Fig. 1 angedeutet.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der An­ ker 5 einen rechteckigen Grundriß auf und entspricht in sei­ ner Größe in etwa der in Fig. 2 wiedergegebenen Aufsicht auf den Jochkörper 16. Wie Fig. 1 erkennen läßt, weist der mit der Führungsstange 6 fest verbundene Anker 5 im Verbindungs­ bereich auf beiden Flächenseiten einen um die Führungsstange 6 umlaufenden Bund 26 auf, der die Ankerfläche 27 um ein de­ finiertes Maß überragt. Damit ist die Möglichkeit gegeben, einen definierten Luftspalt zwischen der Ankerfläche 27 und der Polfläche 4 des jeweiligen Elektromagneten vorzugeben. Hierbei besteht auch die Möglichkeit, unterschiedliche Luftspalthöhen jeweils für die Anlage am Elektromagneten 1 und am Elektromagneten 2 vorzusehen. Über die Größe des Bun­ des 26 in seiner Erstreckung auf der Fläche 27 läßt sich auch die sogenannte Luftspaltfläche entsprechend den Anforderungen vorgeben. Über eine als Stellelement 28 ausgebildete Schraub­ hülse, an der sich die Rückstellfeder 8 abstützt, läßt sich die Mittellage des Ankers 5 zwischen den beiden Polflächen 4 einstellen.

Die Anordnung läßt sich auch so modifizieren, daß die Di­ stanzstücke 3.1 und 3.2 stoffschlüssig mit einem Gehäuse 14 verbunden sind. Die Verbindung kann in der Weise erfolgen, daß beide Distanzstücke 3.1 und 3.2 Teil eines Gehäuses 14 sind. Es ist auch möglich, daß das Distanzstück 3.1 an einem Gehäuse 14 und das Distanzstück 3.2 am anderen Gehäuse 14 stoffschlüssig angeordnet ist.

Claims (9)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswech­ selventils, das mit einem gegen die Kraft von zwei gegenein­ ander gerichteten Rückstellfedern (8, 13) bewegbar geführten Anker (5) in Verbindung steht und mit zwei mit einer Polflä­ che (4) versehenen Elektromagneten (1, 2), die jeweils ein Ge­ häuse (14) aufweisen, das mit einer zumindest in Richtung auf den Anker (5) hin offenen Ausnehmung (15) versehen ist, in die ein mit einer Spule (17) versehener Jochkörper (16) ein­ gesetzt ist, dessen dem Anker zugekehrte Fläche die Polfläche (4) bildet und der durch ein quaderförmiges Element gebildet wird, das aus Einzelblechen zusammengesetzt ist, die senk­ recht zur Polfläche (4) ausgerichtet sind, wobei die Polflä­ che (4) mit wenigstens zwei parallelen, quer zur Ebene der Einzelbleche verlaufenden Nuten (19) versehen ist, in denen zumindest ein Teil der Spule (17) verläuft, wobei jeweils die Ausnehmung (15) im Gehäuse (14) zu zwei einander gegenüber­ liegenden Seiten hin offen ist und jeweils der eingesetzte Jochkörper (16) einen Teil der Seitenflächen des Elektroma­ gneten (1, 2) in diesem Bereich bildet.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausnehmung (15) im Gehäuse (14) eine weitere seitliche Öff­ nung (20) zur Aufnahme von Anschlußkontakten (21) der einge­ setzten Spule (17) zugeordnet ist.

3. Aktuator flach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) auf seiner der Polfläche (4) des einge­ setzten Jochkörpers (16) abgekehrten Seite mit einer rohrför­ migen Öffnung (18) zur Aufnahme eines Endes der Rückstellfe­ der (8, 13) versehen ist.

4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die rohrförmige Öffnung (18) sich bis zur Aus­ nehmung (15) im Gehäuse (14) erstreckt.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Elektromagneten (1, 2) über Distanz­ stücke (3.1, 3.2) mit Abstand zueinander und mit einander zu­ gekehrten Polflächen (4) verbunden sind.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gehäuse (14) der beiden Elektromagneten (1, 2) spiegelbildlich zueinander angeordnet sind.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gehäuse (14) der Elektromagneten (1, 2) und/oder die Distanzstücke (3.1, 3.2) jeweils mit Zentrier­ elementen (25) versehen sind.

8. Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zentrierelemente (25) gleichzeitig als Ver­ bindungselemente zur festen Verbindung der einzelnen Bauele­ mente miteinander ausgebildet sind.

9. Aktuator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zentrierelemente (25) jeweils durch ein Rohr gebildet werden, das miteinander fluchtende Bohrungen (23) in den Gehäusen (14) und in den Distanzstücken (3.1, 3.2) durchsetzt und daß die Befestigung des Aktuators über Spannschrauben (24) erfolgt, die durch wenigstens einen Teil der Rohre gesteckt sind.