DE19936581C1 - Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei dem als Vergußmasse für die Erregerspule ein Metall bzw. eine Metallegierung verwendet wird - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, bei dem zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zwischen den Erregerspulen und den Spulenfenster als Vergußmasse ein Metall und/oder eine Metallegierung eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagneti­ schen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, die jeweils aus einem Magnetjoch mit einem Spulenfenster und einer im Spulenfenster durch eine Vergußmasse fixier­ ten Erregerspule bestehen, wie es z. B. aus der DE 197 27 414 A1 bekannt ist.

Ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung besteht im wesentlichen aus dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, die durch mindestens ein Bauteil aus einem nicht ferromagnetischen Material voneinander getrennt sind. Dieses Bauteil kann beispielsweise durch ein Gehäuseteil gebildet werden. Zwischen den Elektro­ magneten, dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, befindet sich die aus einem ferromagnetischen Material bestehende Ankerplatte, die durch Bestromen der Erregerspule des Öffnermagneten oder der Erregerspule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Das Magnetjoch des Öffnermagneten weist eine Durchführung für einen Ventilstößel auf, der die auf die Ankerplatte einwirken­ den Kräfte auf mindestens ein Gaswechselventil überträgt.

Der Aktor kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß die Aktorfeder auf der dem Gaswechselventil entgegengesetzten Seite des Aktors an der Außenseite des Schließermagneten angeordnet ist. Dazu ist in Verlängerung des Ventilstößels ein einen Aktorfederteller aufweisender Federstößel angeordnet, der in einer Durchfüh­ rung im Magnetjoch des Schließermagneten gelagert ist. Das Magnetjoch des Schließermagneten weist eine die Durchführung des Federstößels umgebende, eine Wandung bildende Ausformung auf, in der ein Innengewinde eingearbeitet ist. In das Innengewinde der Wandung ist ein Schraubdeckel eingeschraubt, der zusammen mit der Wandung einen Hohlraum bildet, in dem die auf dem Aktorfederteller aufliegen­ de Aktorfeder angeordnet ist.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funktionelle Einheit, wobei das Gaswechselventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nocken­ wellen, mittels einer Ventilfeder und einem Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zylinderkopfes gezogen wird.

Ist eine funktionelle Einheit aus einem Aktor und einem Gaswechselventil an der Brennkraftmaschine montiert, werden der Ventilschaft des Gaswechselventils, der Ventilstößel und der Federstößel des Aktors gegeneinander gepreßt. Durch Verdre­ hen des Schraubdeckels kann die Vorspannung der Aktorfeder verändert werden, wodurch die Ruhelage der Ankerplatte einstellbar ist. In der Ruhelage der funktio­ nellen Einheit sollte sich die Ankerplatte in der Mitte zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet befinden, wobei die Ventilfeder und die Aktorfeder vorge­ spannt sind. Der Ventilteller des Gaswechselventils befindet sich dabei in der Mittel­ stellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Gaswechselventil geschlossen ist, und der Position, in der das Gaswechselventil maximal geöffnet ist.

In den Spulenfenstern der Magnetjoche der Elektromagnete sind die Erregerspulen mittels einer Vergußmasse fixiert. Diese Vergußmasse besteht in der Regel aus einem Kunststoff, beispielsweise einem zwei Komponenten Werkstoff, der in flüssi­ ger Form in das Spulenfenster gegeben wird. Nach dem Einsetzen der Erregerspule in das Spulenfenster wird die Vergußmasse in einem thermischen Aushärteverfahren verfestigt. Um den Füllgrad der Vergußmasse zu erhöhen kann dieser Prozeß im Vakuum durchgeführt werden.

Der Nachteil auf Kunststoff basierender Vergußmassen besteht in der geringen Wärmeleitfähigkeit, durch welche die in den Erregerspulen entstehende Wärme nicht in ausreichender Weise abgeführt werden kann, und durch den die Aktoren Schaden leiden können. Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit werden einem Kunststoff übli­ cher Weise metallische Partikel zugesetzt, wodurch sich die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes jedoch nicht im erforderlichen Maß verbessert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, die jeweils aus einem Magnetjoch mit einem Spulenfenster und einer im Spulenfenster durch eine Vergußmasse fixierten Erregerspule bestehen, anzugeben, bei dem die Wärmeleitfä­ higkeit zwischen der Erregerspule und dem Spulenfensters des Magnetjoches ver­ bessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst, wonach die Vergußmasse ein Metall und/oder eine Metal­ legierung ist.

Dabei besteht die Möglichkeit das Metall und/oder die Metallegierung in flüssigem Zustand in das Spulenfenster einzubringen. Da der Wicklungsdraht der Erregerspu­ len eine Isolierung aufweist, ist dabei zu beachten, daß die Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metallegierung unterhalb der Temperatur ist, bei der die Isolierung des Wicklungsdrahtes in irgend einer Weise degradieren kann.

Die andere Möglichkeit besteht darin, das Metall und/oder die Metallegierung in fester Form in das Spulenfenster einzubringen.

Die Erregerspule kann beispielsweise von dem Metall und/oder der Metallegierung umgeben und in das Spulenfenster eingepreßt werden.

Das Umgeben der Erregerspule mit dem Metall und/oder der Metallegierung erfolgt beispielsweise, indem die Erregerspule mit dem als Folie oder als Blech vorgefertig­ ten Material der Metall und/oder der Metallegierung eingewickelt wird. Alternativ kann die Erregerspule in einem separaten Arbeitsschritt mit dem Material der Metall und/oder Metallegierung umgossen werden. Das Metall oder die Metallegierung sollte dabei so gewählt werden, daß eine zumindest geringfügige Kaltverformung des Metalls und/oder der Metallegierung möglich ist, ohne den Wicklungsdraht der Erregerspule zu beschädigen. Insbesondere darf die Kaltverformung des Metalls und/oder der Metallegierung beim Einpressen der mit dem Metall und/oder der Metallegierung umgebenen Erregerspule in das Spulenfenster den Wicklungsdraht nicht beschädigen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erregerspule von keil­ förmig ausgearbeiteten Formstücken des Metalls und/oder der Metallegierung im Spulenfenster eingeklemmt wird.

Die keilförmig ausgearbeiteten Formstücke des Metalls und/oder der Metallegie­ rung können dabei von einer am Magnetjoch befestigten Abdeckung fixiert werden.

Dabei ist vorgesehen, daß die Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metal­ legierung höher als die maximale Betriebstemperatur des Aktors ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist schließlich vorgesehen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metalls und/oder der Metallegierung an den der Erre­ gerspule und des Spulenfensters angepaßt wird.

Durch den erfindungsgemäßen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung wird die in der Erregerspule anfallende Wärme zuverlässig über die aus einem Metall und/oder einer Metallegierung bestehenden Vergußmasse an das Magnetjoch abgeführt, wodurch Schäden an den Aktoren vermieden werden.

Im folgenden wird ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit einer aus einem Metall und/oder einer Metallegierung bestehende Vergußmasse anhand von drei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit vier Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteue­ rung,

Fig. 2 die schematische Darstellung des Magnetjochs eines Elektromagne­ ten, bei dem die Metallegierung in flüssiger Form in das Spulenfen­ ster eingebracht ist.

Fig. 3 die schematische Darstellung des Magnetjochs eines Elektromagne­ ten, bei dem die Metallegierung fest, in der Form von Blechen in das Spulenfenster eingebracht ist.

Fig. 4 die schematische Darstellung des Magnetjochs eines Elektromagne­ ten, bei dem die Metallegierung ebenfalls fest, in der Form von Keilen in das Spulenfenster eingebracht ist.

In Fig. 1 ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung dargestellt, der im wesentlichen aus zwei Elektromagneten, dem Öffnermagnet 3 und dem Schließer­ magnet 2 besteht. Die Elektromagneten bestehen jeweils aus dem Magnetjoch 2.1, 3.1 mit dem Spulenfenster 2.2, 3.2 und der im Spulenfenster 2.2, 3.2 eingesetzten Erregerspule 2.3, 3.3 Zur thermischen Anbindung der Erregerspulen 2.3, 3.3 an das Magnetjoch 2.1, 3.1 ist in das Spulenfenster 2.2, 3.2 eine Vergußmasse 9 einge­ bracht, die aus einem Metall oder einer Metallegierung besteht. Die Elektromagne­ ten werden durch zwei aus einem nicht ferromagnetischen Material gefertigte Di­ stanzstücke 4 voneinander getrennt. Zwischen den Distanzstücken 4 oszilliert die Ankerplatte 5, an der der Ventilstößel 6.1 befestigt ist, der die auf die Ankerplatte 5 einwirkenden Kräfte über eine Durchführung im Magnetjoch 3.1 des Öffnermagne­ ten 3 auf ein Gaswechselventil überträgt.

In der Verlängerung des Ventilstößels 6.1 liegt auf der Ankerplatte 5 ein Federstößel 7.1 auf, der in einer Durchführung im Magnetjoch 2.1 des Schließermagneten 2 gelagert ist, und der die auf die Ankerplatte 5 einwirkenden Kräfte auf die Aktorfeder 7.2 überträgt. Dazu ist an dem der Ankerplatte 5 entgegengesetzten Ende des Federstößels 7.1 ein Aktorfederteller 7.3 ausgearbeitet, auf dem die Aktorfeder 7.2 aufliegt, und über den die Aktorfeder 7.2 den Federstößel 7.1 gegen die Ankerplatte 5 preßt. Auf der Seite des Aktorfedertellers 7.3 ist an dem Federstößel 7.1 ein nicht dargestellter Magnetfeldgeber angebracht, der Teil einer Vorrichtung zur Bestim­ mung der Position der Ankerplatte 5 ist.

Die Aktorfeder 7.2 befindet sich in einer radialsymmetrisch um die Durchführung des Federstößels 7.1 ausgebildeten, eine Wandung bildende Ausformung des Ma­ gnetjochs 2.1 des Schließermagneten 2. Die Wandung weist auf der Innenseite ein Gewinde auf, in das ein Schraubdeckel 8 eingeschraubt ist. Mittels des Schraub­ deckels 8 kann die Vorspannung der Aktorfeder 7.2 verändert werden.

In der Fig. 2 ist das Magnetjoch 3.1 des Öffnermagneten 3 dargestellt, bei dem die Erregerspule 3.3 in das Spulenfenster 3.2 eingesetzt ist. Als Vergußmasse 9 ist eine Metallegierung, eine Zinn-Blei-Legierung verwendet worden, die im flüssigen Zu­ stand in das Spulenfenster 3.2 eingebracht wurde. Die Zinn-Blei-Legierung schmilzt in einem Temperaturbereich von 200-210°Celsius. Bei diesen Temperaturen be­ steht beim Vergießen der Erregerspule 3.3 in dem Spulenfenster 3.2 mit der Zinn- Blei-Legierung für die Isolierung des Wicklungsdrahtes der Erregerspule 3.3 nicht die Gefahr einer Degradation. Zudem ist bei dieser Temperatur gewährleistet, daß die Festigkeit der Vergußmasse 9 beim Betrieb des Aktors, bei dem Temperaturen von typisch 160° Celsius erreicht werden, nicht abnimmt. Zur Vermeidung von Gasblasen in der Zinn-Blei-Legierung und an der Oberfläche der Erregerspule 3.3 kann das Vergießen der Erregerspule 3.3 im Spulenfenster 3.2 im Vakuum und/oder durch die Verwendung elastomechanischer Schwingungen erfolgen. Die Zinn-Blei-Legierung ist dabei so gewählt, daß der thermische Ausdehnungskoeffizi­ ent der Zinn-Blei-Legierung mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Magnetjochs genau übereinstimmt.

In der Fig. 3 ist das Magnetjoch 3.1 des Öffnermagneten 3 dargestellt, bei dem die als Vergußmasse 9 verwendete Metallegierung in fester Form als Blech in das Spu­ lenfenster 3.2 eingebracht ist. Dazu wird die Erregerspule 3.3 in das Blech der Metallegierung eingelegt, eingepreßt oder eingegossen. Die Metallegierung ist dabei so gewählt, daß eine Kaltverformung der Metallegierung ohne Beschädigung der Erregerspule 3.3 möglich ist. Eine Kaltverformung der Metallegierung erfolgt gege­ benenfalls beim Umgeben der Erregerspule 3.3 mit der Metallegierung sowie beim Einsetzen der mit der Metallegierung umgebenen Erregerspule 3.3 in das Spulen­ fenster 3.2. Das Einsetzen der mit der Metallegierung umgebenen Erregerspule 3.3 erfolgt durch einen Preßvorgang. Gegebenenfalls wird die das Spulenfenster 3.2 aufweisende Oberfläche des Magnetjochs 2.1, 3.1 und das die Erregerspule 3.3 umgebende Blech der Metallegierung nach dem Preßvorgang plan geschliffen.

In der Fig. 4 ist das Magnetjoch 3.1 des Öffnermagneten 3 dargestellt, bei dem als Vergußmasse 9 ein Metall und eine Metallegierung in fester Form in das Spulenfen­ ster 3.2 eingebracht ist. Das Metall und die Metallegierung sind jeweils als Hohlzy­ linder ausgebildet, dessen Wandstärke sich in Höhe des Hohlzylinders linear ändert. Die thermische Anbindung der Erregerspule 3.3 erfolgt dabei, indem beide geringfü­ gig unterschiedliche Außendurchmesser aufweisende Hohlzylinder im Spulenfenster 3.2 entsprechend dreieckigen Keilen gegeneinander verspannt werden und dabei die Erregerspule 3.3 im Spulenfenster 3.2 verspannen. Dabei ist der äußere Hohlzy­ linder 9.2 mit dem größeren Außendurchmesser aus dem Metall des Magnetjochs 3.1 gefertigt und zwischen dem Magnetjoch 3.1 und dem inneren Hohlzylinder 9.1 mit dem kleineren Außendurchmesser plaziert, wodurch der äußere Hohlzylinder 9.2 zur Magnetkraft des Elektromagneten beiträgt. Der innere Hohlzylinder 9.1 ist aus dem gleichen Material gefertigt, aus dem das Blech der Fig. 3 gefertigt ist, das eine Kaltverformung zuläßt ohne die Erregerspule 3.3 zu beschädigen. Der innere Hohlzylinder 9.1 ist zwischen dem äußeren Hohlzylinder 9.2 und der Erregerspule 3.3 plaziert. Bei der Montage des Magnetjochs 3.1 werden zuerst der innere Hohlzylinder 9.1 und die Erregerspule 3.3 in das Spulenfenster 3.2 eingesetzt. Anschließend wird der äußere Hohlzylinder 9.2 zwischen den inneren Hohlzylinder 9.1 und die Wandung des Spulenfensters 3.2 gepreßt.

Um ein Ablösen der gegeneinander verspannten Hohlzylinder 9.1, 9.2 zu vermeiden, wird das Spulenfenster 3.2 von einem beide Hohlzylinder 9.1, 9.2 fixierenden Dec­ kel 10 abgedeckt. Zur Befestigung des Deckeis 10 sind in dem Magnetjoch 3.1 am Rand des Spulenfensters 3.2 umlaufende Nuten ausgebildet, in die der Deckel 10 einhakt und einrastet. Dieser Deckel 10 kann vorteilhaft aus einem Material gefer­ tigt werden, beispielsweise aus einem Federstahl, das Fertigungstoleranzen kom­ pensieren kann.

Durch das Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung mit zwei Elektromagneten, bei dem die Erregerspulen 2.3, 3.3 durch eine aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehenden Vergußmasse 9 in den Spulenfenstern 2.2, 3.2 fixiert werden, wird die in den Erregerspulen 2.3, 3.3 anfal­ lende Wärme zuverlässig abgeführt, wodurch Schäden an den Aktoren vermieden werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, die jeweils aus einem Magnetjoch (2.1, 3.1) mit einem Spulenfenster (2.2, 3.2) und einer im Spulenfenster (2.2, 3.2) durch eine Ver­ gußmasse (9) fixierten Erregerspule (2.3, 3.3) bestehen, dadurch gekennzeich­ net, daß als Vergußmasse (9) ein Metall und/oder eine Metallegierung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall und/oder die Metallegierung im flüssigen Zustand in das Spulenfenster (2.2, 3.2) einge­ bracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsdraht der Erregerspule (2.3, 3.3) mit einer Isolierung versehen wird, und daß die Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metallegierung so gewählt wird, daß sie geringer ist als die Temperatur, bei der die Isolierung des Wicklungsdrah­ tes degradiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall und/oder die Metallegierung in fester Form in das Spulenfenster (2.2, 3.2) eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (2.3, 3.3) von dem Metall und/oder der Metallegierung umgeben und in das Spulen­ fenster (2.2, 3.2) eingepreßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (2.3, 3.3) von keilförmig ausgearbeiteten Formstücken des Metalls und/oder der Me­ tallegierung im Spulenfenster (2.2, 3.2) eingeklemmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmig ausge­ arbeiteten Formstücke des Metalls und/oder der Metallegierung von einer am Magnetjoch (2.1, 3.1) befestigten Abdeckung fixiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metallegierung höher gewählt wird als die maximale Betriebstemperatur des Aktors.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metalls und/oder der Me­ tallegierung an den der Erregerspule (2.3, 3.3) und des Spulenfensters (2.2, 3.2) angepaßt wird.