DE19922424C2 - Elektromagnetischer Stellantrieb - Google Patents
Elektromagnetischer StellantriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb, insbesondere für
ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine.
Stellantriebe für Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen
sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwellenbetätigten Ventilen
werden elektromagnetisch betätigte Ventile zum Öffnen und
Schließen in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle
angesteuert. Dabei muß der Stellantrieb in der Lage sein, ho
he Kräfte aufzubringen, insbesondere beim Öffnen eines Aus
lassventils, und die jeweilige Endstellung des Gaswechselven
tils beim Öffnen und Schließen muß mit Sicherheit erreicht
werden.
Aus der DE 197 35 375 C1 ist ein elektromagnetischer Stellan
trieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine be
kannt, der einen ferromagnetischen Spulenkörper mit einer
darin eingesetzten Wicklung sowie einen Anker aufweist, der
mit einem Ankerschaft im Spulenkörper verschieblich ist, wo
bei der Anker in mindestens einer Endstellung an der Polflä
che des Spulenkörpers anliegt. Der Anker wird von zwei Federn
in einer Mittelstellung zwischen zwei Elektromagneten gehal
ten.
Durch Bestromung eines der Elektromagnete kann der Anker in
die jeweilige, dem Elektromagneten zugeordnete Endstellung
angezogen und dort gehalten werden. Um den Stellantrieb von
einer Endstellung in die andere zu überführen, wird die
Bestromung der haltenden Spule beendet und die andere Spule
bestromt, wodurch der Anker unter der Kraft der Federn sowie
des eingeschalteten Elektromagneten in die andere Endstellung
bewegt wird. Der Anker sowie der Ankerschaft und das davon
angetriebene Gaswechselventil sowie die Federn stellen zusam
men einen Feder-Masse-Schwinger dar. Dessen Eigen- oder Resonanzfrequenz
ist entscheidend für die Geschwindigkeit, mit
der der Anker zwischen den Endstellungen bewegt werden kann.
Da man bei einem derartigen Stellantrieb naturgemäß minimale
Schaltzeiten von einer zur anderen Endstellung haben möchte,
was insbesondere bei Gaswechselventilen von Brennkraftmaschi
nen wichtig ist, muß man die Eigen- oder Resonanzfrequenz des
Federmasseschwingers so hoch wie möglich wählen.
Eine Möglichkeit dies zu erreichen, wäre die Verwendung har
ter Ventilfedern. Der Federhärte ist jedoch durch die vom
Elektromagneten aufbringbare Kraft eine Grenze gesetzt, da bei
einer zu harten Feder kein sicheres Anziehen in die Endstel
lung oder Halten in der Endstellung mehr gewährleistet wäre.
Ein anderer Ansatzpunkt könnte darin gesehen werden, den An
ker möglichst leicht zu bauen. Die Fläche des Ankers ist je
doch durch die aufzubringende Kraft vorgegeben, und der Dicke
des plattenförmigen Ankers sind aus Stabilitätsgründen Gren
zen gesetzt, da ein zu dünner Anker sich im angezogenen Zu
stand verbiegen könnte. Dies hätte zur Folge, daß ein sanftes
Aufsetzen nicht mehr gewährleistet werden kann.
Aus der DE 195 30 121 A1 ist ein ähnlicher elektromagneti
scher Stellantrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraft
maschine bekannt, bei dem die Wicklung in Schlitze des Spu
lenkörpers eingesetzt ist und der Anker an Stellen, die den
Bereichen der Schlitze zugewandt liegen, eine Eintiefung zur
Verringerung der Dicke des plattenförmigen Ankers hat. Die
Dicke des Ankers ist somit an Stellen, in denen kein Magnet
fluss in den Anker eingekoppelt wird, verringert. Hierdurch
werden Material und Gewicht eingespart. Dadurch ist der An
ker leichter, und die Resonanzfrequenz des Federmasseschwin
gers liegt höher.
Aus der DE-PS 678 793 ist ein elektromagnetischer Antrieb in
Form eines Hubmagneten etwas anderer Gattung bekannt, bei dem
der aus Eisen bestehende Spulenkörper zwei gegenüberliegende
Pole hat, die zwischen sich einen Luftspalt bilden. Der Anker
hat eine solche Form, dass er in den Luftspalt zwischen den bei
den Polen eintauchen kann, um den Magnetkreis zu schließen.
Der Anker ist bei einem Ausführungsbeispiel stabförmig und
bei einem anderen Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
elektromagnetischen Stellantrieb zu schaffen, dessen Anker
zur Erzielung einer hohen Resonanzfrequenz ein möglichst ge
ringes Gewicht und dennoch eine ausreichend hohe Biegestei
figkeit hat.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierte
Erfindung gelöst.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung ist der plattenför
mige Anker mit Profilstrukturen und der Spulenkörper mit ei
nem entsprechenden Negativprofil versehen. Die versteifenden
Stege verleihen dem plattenförmigen Anker eine hohe Biege
steifigkeit. Der eigentliche plattenförmige Bereich des An
kers kann daher sehr dünn ausgebildet werden. Die Resonanz
frequenz des Ankers ist entsprechend hoch, was ein schnelles
Schalten und sanftes Aufsetzen des Ankers erlaubt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhän
gigen Patentansprüchen definiert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen elektromagnetischen
Stellantrieb,
Fig. 2 eine Detaildarstellung des Ankers,
Fig. 3 eine Darstellung des Spulenkörpers mit einge
setzter Wicklung,
Fig. 4 eine Explosionsdarstellung von Spulenkörper
und Wicklung,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines weite
ren Ankers und
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung dieses Ankers
mit dem entsprechenden Spulenkern.
Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Stellantrieb 1 für ein
Tellerventil, das aus einem Ventilteller 2 mit einem Ventil
sitz 3 und einem Ventilschaft 4 besteht, der in einer gehäu
seseitigen Führung 5 gelagert ist und am oberen Ende mit ei
nem Kegelstück 6 versehen ist. Der Ventilteller 2 ist zwi
schen zwei Endstellungen bewegbar: In einer oberen Endstel
lung ist das Ventil geschlossen und in einer unteren Endstel
lung geöffnet. Eine zwischen der gehäuseseitigen Führung 5
und dem Ventilkegel 6 angeordnete Feder 8 beaufschlagt den
Ventilteller 2 in die Schließstellung.
Der elektromagnetische Stellantrieb 1 weist einen oberen fer
romagnetischen Spulenkörper 10 und einen unteren ferromagne
tischen Spulenkörper 12 auf, in die jeweils eine Wicklung 14
und 16 eingesetzt ist.
Innerhalb des oberen Spulenkörpers 10 ist ein Ankerschaft 17
verschieblich gelagert, der einen plattenförmigen Anker 18
aufweist, der zwischen den beiden Wicklungen 14 und 16 liegt.
Die der Ankerscheibe 18 zugeordneten Stirnseiten sind die
Polflächen 19 und 20 der beiden Spulenkörper 10 und 12. Sie
bilden die Anschläge für den Anker 18 und definieren damit
die obere und untere Endstellung des elektromagnetischen
Stellantriebes 1 in der das angetriebene Ventil geöffnet bzw.
geschlossen ist.
Eine weitere Feder 22 ist zwischen einem auf dem Ankerschaft
17 befestigten Federteller und einem gehäuseseitigen Anschlag
24 angeordnet und beaufschlagt den Anker 18 in Richtung der
Öffnungsstellung des Ventiltellers 2. Der Anker 18 liegt in
Fig. 1 auf dem Ventilschaft 4 auf, es sind aber auch andere
Konstruktionen möglich. So kann der Ankerschaft 17 zylindrisch
sein und sich von beiden Seiten des Ankers 18 weg er
strecken und durch die Spulenkörper 10, 12 laufen.
Solange die Wicklungen 14 und 16 stromlos sind, wird der An
ker 18 von den beiden Federn 8 und 22 in der Mittelstellung
zwischen den beiden Polflächen 19 und 20 gehalten, wie dies
in Fig. 1 dargestellt ist.
Die beiden Wicklungen 14 und 16 werden jeweils von einer
Treiberschaltung 26, 27 bestromt, die von einer Regelschal
tung 28 angesteuert werden.
Um die Position des Ankers 18 und damit des Ventiltellers 2
messen zu können, ist zwischen der gehäuseseitigen Abstützung
24 und der Feder 22 ein Piezoelement 30 angeordnet, das die
Kraft der Feder 22 mißt.
In den Fig. 3 und 4 sind der obere Spulenkörper 10 und die
Wicklung 14 genauer dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung und
Fig. 3 den Spulenkörper 10 mit eingesetzter Wicklung 14. Der
Spulenkörper 10 besteht aus einem ferromagnetischen Material.
Er weist Schlitze 38 auf, in
die die Wicklung 14 so eingesetzt werden kann, daß ihre An
schlüsse 37 aus dem Spulenkörper 10 herausragen. Durch ein
Loch im Spulenkörper 10 läuft der Ankerschaft 17. Die Polflä
che 19 wird durch die Flächen 19a, 19b und 19c gebildet. An
dieser Polfläche 19 liegt der Anker 18 an, wenn er in der
entsprechenden Endstellung ist. Wie in Fig. 3 zu sehen ist,
entsteht an den Stellen, an denen sich im Spulenkörper die
Schlitze 38 befinden ein Bereich 36, wenn die Wicklung 14 in
den Spulenkörper 10 eingesetzt ist. In diesem Bereich 36 ist
die Polfläche 19 unterbrochen und wird so in die Flächen 19a,
19b und 19c geteilt.
Der Spulenkörper 12 mit der Wicklung 20 ist ähnlich aufgebaut
wie der Spulenkörper 10 mit der Wicklung 14. Zwischen diesen
beiden Spulenkörpern liegt der Anker 18, der in Fig. 2 genau
er dargestellt ist.
In Fig. 2 ist ein Anker 18 dargestellt, der auf einem Anker
schaft 17 befestigt ist, welcher von einem Rundzylinderstab
gebildet wird. Dieser Rundzylinderstab läuft durch ein Loch
im Spulenkörper 10 und im ähnlich aufgebauten Spulenkörper
12. Der Anker 18 besteht aus einem hochferromagnetischen Ma
terial und hat an den Stellen,
die dem Bereich 36 gegenüberliegen, Eintiefungen 35. Diese
Eintiefungen vermindern die Kraft des Elektromagneten nicht,
da der Anker 18 dennoch an den Flächen 19a, 19b, 19c der Polflä
che 19 flächig anliegt, an denen der magnetische Fluß in den
Anker 18 einkoppelt. Die Eintiefung 35 mindert die durch den
Elektromagneten des elektromagnetischen Stellantriebes ausüb
bare Kraft deshalb nicht, da im Bereich 36 über der in den
Schlitz 38 eingesetzten Wicklung 14 kein Magnetfluß in den
Anker eingekoppelt wird.
Die Eintiefung 35 beträgt bei einem 5 mm dicken Anker 18 zwi
schen 0,5 und 1 mm. Bei einem elektromagnetischen Stellan
trieb, der nur einen Elektromagneten aufweist, kann sie auch
tiefer, beispielsweise 2 mm sein. Vorzugsweise beträgt die
Dicke der Eintiefung zwischen 0,6 und 1 mm, besonders bevor
zugt sind etwa 0,8 mm Tiefe. Dann ist gewährleistet, daß der
Anker 18 ausreichende mechanische Stabilität hat, bzw. daß
die Restdicke im Bereich der Eintiefung ausreichend ist, um
zu verhindern, daß der Anker sich im Betrieb durchbiegt.
Durch die Eintiefung werden die mechanischen und die elektro
magnetischen Eigenschaften des Ankers 18 nicht verändert, und
er ist dennoch leichter.
Da der Anker 18 an seinem Randbereich keine einer Durchbie
gung entgegenwirkende Stabilität aufweisen muß, kann er nach
außen, d. h. zu den Flächen 19a und 19c hin verjüngt ausgebil
det werden. Dann muß die Polfläche 19 des Spulenkerns 10 das
entsprechende Negativprofil aufweisen, um sicherzustellen,
daß in der Endstellung der Anker flächig an der Polfläche 19
anliegt. Durch diese Bauweise kann der Anker weiter gewichts
reduziert werden, wodurch die Eigenfrequenz des Feder-Masse-
Schwingers weiter steigt.
Eine alternative Bauweise des Ankers zeigen die Fig. 5 und
6. Der Anker 18 hat versteifende Stege 40, 41, die seine
Biegesteifigkeit beispielsweise in Längsrichtung bei einem
Anker mit nicht-quadratischer Grundform erhöht. Da der Anker
18 flächig an der Polfläche 19 des Spulenkerns 12 anliegen
können muß, weist der Spulenkern eine entsprechende Negativ
profilierung mit entsprechenden Ausnehmungen 42, 43 auf.
Claims (7)
1. Elektromagnetischer Stellantrieb, insbesondere für ein
Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit
mindestens einem ferromagnetischen Spulenkörper (10, 12) in den eine Wicklung (14, 16) eingesetzt ist, und
einem Anker (18), der plattenförmig ausge bildet und mit einem Ankerschaft (17) im Spulenkörper (10, 12) verschieblich ist,
wobei, der Anker (18) in mindestens einer Endstellung ander Polfläche (19, 20) des Spulenkörpers (10, 12) anliegt und
der Anker (18) Profilstrukturen in Form von Stegen (40, 41) und der Spulenkörper (10, 12) entsprechende Negativprofil strukturen aufweist.
mindestens einem ferromagnetischen Spulenkörper (10, 12) in den eine Wicklung (14, 16) eingesetzt ist, und
einem Anker (18), der plattenförmig ausge bildet und mit einem Ankerschaft (17) im Spulenkörper (10, 12) verschieblich ist,
wobei, der Anker (18) in mindestens einer Endstellung ander Polfläche (19, 20) des Spulenkörpers (10, 12) anliegt und
der Anker (18) Profilstrukturen in Form von Stegen (40, 41) und der Spulenkörper (10, 12) entsprechende Negativprofil strukturen aufweist.
2. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Anker (18) eine nicht-quadratische Grundform hat und die
Stege (40, 41) in Längsrichtung des Ankers (18) verlaufen.
3. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wicklung (14, 16) in Schlitze (38) des Spulenkörpers (10,
12) eingesetzt ist und der Anker an Stellen, die den Berei
chen (36) der Schlitze (38) zugewandt liegen, mindestens eine
Eintiefung (35) zur Verringerung der Dicke des plattenförmi
gen Ankers (18) hat.
4. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke des Ankers (18) im Bereich der Eintiefung (35) so
groß ist, daß der Anker (18) ausreichende Biegesteifigkeit
hat.
5. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Eintiefung (35) zwei Längsnuten auf jeder Seite des An
kers (18) aufweist, die einer Polfläche (19, 20) zugewandt
sind.
6. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche
3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Eintiefung (35) bei einem 5 mm dicken Anker (18) zwischen
0,5 und 2 mm tief ist.
7. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke des Ankers (18) zum Rand hin abnimmt und die Pol
fläche (19, 20) des Spulenkörpers (10, 12) die entsprechende
Negativprofilierung aufweist.
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