DE19852287C2 - Elektromagnetischer Aktuator und Verwendung des Aktuators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und die Verwendung des Aktuators.

Ein Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der US 5 350 153 bekannt. Dieser vorbekannte Aktuator, mit dem ein Gaswechsel­ ventil in einer Brennkraftmaschine betätigt wird, weist zwei einander gegenüberlie­ gende Elektromagnete mit jeweils einer Erregerspule und einen mit dem Gaswech­ selventil in Wirkverbindung stehenden Anker auf, der durch wechselweises Be­ stromen der beiden Elektromagnete zwischen diesen gegen die Kraft zweier Federn hin- und herbewegbar ist. Im Anker sind dabei mehrere Aussparungen vorgesehen, um die beschleunigte Masse gering zu halten.

Ein elektromagnetischer Aktuator mit einem zwischen zwei Elektromagneten hin- und herbewegbaren Anker ist ferner auch aus der DE 195 30 121 A1 bekannt. Bei diesem Aktuator weist der Anker an seinen den Erregerspulen zugekehrten Flächen ausgerundete Nuten als Aussparungen auf, die eine Reduzierung der magnetischen Sättigung und der beim Auftreffen des Ankers auf den jeweiligen Elektromagneten wirkenden Magnetkraft bewirken.

Der wesentliche Nachteil der vorbekannten Aktuatoren liegt darin, daß zum Bewe­ gen und Festhalten des Ankers hohe Magnetkräfte erforderlich sind, und daß der Stromverbrauch des Aktuators infolgedessen hoch ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktua­ tor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem der minde­ stens eine Elektromagnet bei geringem Stromverbrauch mit hoher Magnetkraft auf den Anker wirkt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Erfindungsgemäß sind der Anker und der mindestens eine Elektromagnet derart ausgebildet, daß ein den Anker durchflutender magnetischer Fluß, der vom Elektromagneten erzeugt wird, eine Fläche zwischen dem Anker und dem Elektromagneten mehr als zweimal durchdringt, d. h. ein Arbeitsluftspalt, der zwischen dem Anker und Elektromagneten dann entsteht, wenn der Anker vom Elektromagneten losgelöst ist, wird durch zumindest einen Teil der magnetischen Flußlinien dieses magnetischen Flusses mehr als zweimal durchflutet. Da die Anzahl der Durchflutungen des Arbeitsluftspaltes ein Maß der auf den Anker wirkenden Magnetkraft ist, wird diese durch jede zusätzliche Durchflutung erhöht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Elektromagnet ein Joch mit einer Erregerspule und einem in der Erregerspule eingebetteten Hilfsjoch auf.

Vorzugsweise sind dann im Anker eine oder mehrere in Bewegungsrichtung des Ankers verlaufende Aussparungen vorgesehen, die als Bereiche hohen magnetischen Widerstandes eine Umlenkung von magnetischen Flußlinien aus dem Anker hinaus in Richtung Hilfsjoch und wieder zurück in den Anker bewirken.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Aktuators weist dieser zwei einander gegenüberliegend angeordnete Elektromagnete auf, zwischen denen der Anker hin- und herbeweglich gelagert ist.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet des Aktuators ist die elektromagnetische Steuerung von Ventilen, insbesondere von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen.

Der erfindungsgemäße Aktuator weist folgende Vorteile auf:

• - er ist mit geringem Aufwand herstellbar;
• - der Stromverbrauch ist bei vorgegebener Magnetkraft gering; dies gilt insbesondere bei kleinen Arbeitsluftspalten, beispielsweise bei am Elektromagneten festgehaltenem Anker;
• - durch die hohe Magnetkraft wird der Anker mit hoher Geschwindigkeit bewegt, was im Falle einer Ventilsteuerung eine hohe Schaltgeschwindigkeit bedeutet;
• - mit im Anker vorgesehenen Aussparungen erhält man neben der Erhöhung der Magnetkraft eine Verringerung der beschleunigten Masse und des Luftwiderstandes, so daß auch die Kraft, die zur Bewegung des Ankers erforderlich ist, reduziert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher beschrieben. Die Figur zeigt als Ausführungsbeispiel einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine.

Gemäß der Figur umfaßt der Aktuator einen Anker 1, der über einen Stößel 4 mit einem in der Figur nicht gezeigten Gaswechselventil in Wirkverbindung steht, einen als Schließmagnet wirkenden Elektromagneten 2 sowie einen als Öffnungsmagnet wirkenden weiteren Elektromagneten 3, der vom Schließmagnet 2 in Richtung der Stößel-Längsachse beabstandet angeordnet ist. Jeder der beiden mittels eines Gehäuseteils 7 miteinander verbundenen Elektromagnete 2, 3 weist ein Joch 22 bzw. 32 mit einer Erregerspule 20 bzw. 30 und einem in dieser eingebetteten Hilfsjoch 23 bzw. 33 auf. Der Anker 1 ist zwischen den einander gegenüberliegenden Polflächen 21 bzw. 31 der Elektromagnete 2, 3 derart gelagert, daß er durch abwechselndes Ein- und Abschalten der beiden Elektromagnete 2, 3, d. h. abwechselnde Bestromung der Erregerspulen 20 bzw. 30 mit jeweils einem Erregerstrom, translatorisch in Richtung der Stößel-Längsachse hin- und herbewegt wird. Entsprechend wird das mit dem Anker 1 in Wirkverbindung stehende Gaswechselventil zwischen einer "Offen"- und "Geschlossen"-Position hin- und herbewegt. Eine Federanordnung 6 mit zwei gegeneinander wirkenden Federn, von denen in der Figur nur eine gezeigt ist, bewirkt, daß der Anker 1 im stromlosen Zustand der Erregerspulen 20, 30 in einer Gleichgewichtslage etwa in der Mitte zwischen den Polflächen 21, 31 der Elektromagnete 2, 3 festgehalten wird.

Der Anker 1 weist mehrere in axialer Richtung, d. h. in Bewegungsrichtung des Ankers verlaufende spaltförmige Aussparungen 10, 10', 10" auf, die den Hilfsjochen 23, 33 gegenüberliegend angeordnet sind und somit ringförmig um die Stößel- Längsachse verlaufen. Diese Aussparungen 10, 10', 10" stellen für den magnetischen Fluß des vom jeweils eingeschalteten Elektromagneten 2 bzw. 3 erzeugten Magnetfeldes Bereiche hohen magnetischen Widerstandes dar. Sobald der Anker 1 sich dem jeweils eingeschalteten Elektromagneten 2 bzw. 3 so weit genähert hat, daß der von der Position des Ankers 1 abhängige magnetische Widerstand des Arbeitsluftspalts d2 bzw. d3 - das ist der Luftspalt zwischen dem Anker 1 und dem jeweiligen Elektromagneten 2 bzw. 3 - kleiner ist als der magnetische Widerstand der Aussparungen 10, 10', 10", werden ein überwiegender Teil der magnetischen Feldlinien 5 aus dem Anker 1 hinaus in das Hilfsjoch 23 bzw. 33 des entsprechenden Elektromagneten 2 bzw. 3 und wieder zurück in den Anker 1 umgelenkt. Durch diese Umlenkung wird die Zahl der Durchflutungen des Arbeitsluftspalts d2 bzw. d3 und somit auch die auf den Anker 1 Wirkende Magnetkraft gegenüber einem herkömmlichen Aktuator erhöht. Infolgedessen ist bei geringem Arbeitsluftspalt lediglich ein geringer Erregerstrom erforderlich, um den Anker 1 zu dem entsprechenden Elektromagneten 2 bzw. 3 zu bewegen und dort festzuhalten, d. h. die mittlere Leistungsaufnahme des Aktuators ist gering.

Beim vorliegenden, nicht maßstäblich gezeichneten Ausführungsbeispiel sind die Aussparungen 10, 10', 10" derart dimensioniert, daß ihre magnetischen Widerstände bei maximalem Arbeitsluftspalt d1 bzw. d2 kleiner sind als der magnetische Widerstand dieses Luftspaltes. Die Umlenkung der magnetischen Flußlinien 5 wird somit im wesentlichen erst dann wirksam, wenn der Anker 1 sich dem entsprechenden Elektromagneten auf einen bestimmten Abstand genähert hat. Dieser Abstand kann durch entsprechende Vergrößerung der Abmessungen der Aussparungen 10. 10', 10" soweit vergrößert werden, daß der überwiegende Teil der magnetischen Flußlinien 5 bereits bei maximalem Luftspalt d1 bzw. d2 umgelenkt wird.

Claims (5)

1. Elektromagnetischer Aktuator mit einem hin- und herbeweglichen Anker (1), der mindestens eine in Bewegungsrichtung des Ankers (1) verlaufende Aussparung (10, 10', 10") aufweist, und mindestens einem Elektromagneten (2, 3) zur Erzeugung einer auf den Anker (1) wirkenden Magnetkraft, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Elektromagnet (2, 3) ein Joch (22, 32) mit einer Erregerspule (20, 30) und einem in der Erregerspule eingebetteten Hilfsjoch (23, 33) aufweist, so daß eine Fläche zwischen dem Anker (1) und dem mindestens einen Elektromagneten (2, 3) mehr als zweimal von einem von diesem Elektromagneten (2, 3) erzeugten und den Anker (1) durchflutenden magnetischen Fluß durchdrungen wird.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker mehrere ringförmig angeordnete Spalte als Aussparungen (10, 10', 10") auf­ weist.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei einander gegenüberliegende Elektromagnete (2, 3) aufweist, zwischen denen der Anker (1) hin- und herbeweglich gelagert ist.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (1) mit einem Ventil in Wirkverbindung steht.

5. Verwendung eines elektromagnetischen Aktuators nach einem der vorherigen Ansprüche zur Steuerung des Gaswechsels in einer Brennkraftmaschine.