DE19955067A1 - Elektromagnetischer Aktuator - Google Patents

Abstract

Es wird ein elektromagnetischer Aktuator zum Antreiben eines Ventils eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei dem ein den Anker tragender Hebel schwenkbar gelagert ist. Auf den Hebel wirken zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte ein. Es sind zur Verstellung des Hebels zwei dreipolige Elektromagnete vorgesehen. DOLLAR A Die äußeren Schenkel der Elektromagnete nähern sich vorzugsweise zu den Enden hin aneinander an, und der Einwirkbereich des Hebels auf den Ventilschaft liegt außerhalb des Wirkbereichs der Magnete.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Elektromagnetische Aktuatoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruchs 1 sind aus der WO 97/17561 bekannt. Dort steht zwei dreipoligen Elektro­ magneten ein schwenkbarer Ankergegenüber. Die mittleren Schenkel der beiden Magnete weisen einen Kanal auf, durch den über ein Kraftübertragungsteil eine nach unten gerichtete Federkraft auf den Anker übertragen wird. Ein zweites Kraftübertra­ gungsteil überträgt durch einen zweiten Kanal im Mittelschenkel des anderen Magne­ ten die Ankerbewegung auf den Ventilschaft. Der gesamte Hebel ist hier als Anker ausgebildet und steht den Magnetpolen gegenüber.

Ein ähnlicher Antrieb ist aus der DE 196 28 860 A1 bekannt. Auch dort ist der Anker als schwenkbarer Hebel ausgebildet. Das Zentrum des Ankers liegt näher zur Schwenkachse als das andere Ende des Hebels, das auf dem Schaft, bzw. einem Verbindungsteil mit dem Schaft des Ventils aufliegt und auf diesen einwirkt (Überset­ zungsverhältnis i < 1). Der Einwirkbereich des Hebels liegt auch hier innerhalb des Wirkbereichs der beiden auf den Anker einwirkenden Elektromagnete, weshalb der Schaft des Ventils das Joch des einen Magneten durchsetzen muß. Auf das Ventil wirkt eine Ventilfeder in Schließrichtung des Ventils ein. Die entgegen gerichtete zweite Feder wirkt auf den Hebel über einen das Joch des andern Elektromagneten durchsetzenden Stößel ein. Die Elektromagnete sind als zweipolige Elektromagnete ausgebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bewegte Masse des Hebels klein zu halten, um damit den Energieaufwand für den Antrieb zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche beinhalten Weiterbildungen der Erfindung.

Die Verwendung von dreipoligen Elektromagneten (EMagneten) hat im Vergleich zum zweipoligen Magnet (U-Magnet) den Vorteil, daß die Ankerdicke aus Magnet­ flußgründen geringer sein darf, nämlich nur ca. 50%. Damit wird auch das Ankerge­ wicht, also das Gewicht der zu bewegenden Masse verkleinert. Zum Teil wird diese Gewichtsverringerung dadurch wieder zunichte gemacht, daß die Gesamtbreite der Pole der Magnete beim dreipoligen Magneten und damit auch die notwendige An­ kerbreite größer ist als beim U-Magnet. Diese Ankerbreite wird durch die Annähe­ rung der Enden der Außenschenkel wieder verringert. Es muß ein Kompromiss ge­ funden werden zwischen einem noch akzeptablen Streufluß zwischen den Außen­ schenkeln und dem Mittelschenkel und einer möglichst geringen Gesamtpol- und damit Ankerbreite.

Die Ventilbetätigung liegt außerhalb des Wirkbereichs der Magnete. Dadurch wird einer Störung des Magnetflusses durch die Kanäle vermieden und das Überset­ zungsverhältnis i des Abstands des Zentrums des Ankers von der Schwenkachse zu dem Abstand des Einwirkpunkts des Hebels auf den Ventilschaft von der Schwenk­ achse gegenüber dem obigen Stand der Technik weiter verkleinert, was den Wir­ kungsgrad erhöht. Das Vermeiden der Kanäle im Mittelschenkel hat auch den Vorteil, daß der Wickelraum optimiert werden kann.

Vorzugsweise wird der Anker in der Drehachsrichtung aus Lamellen zusammenge­ setzt. Die Lamellen müssen dann mit einem schwenkbaren Ankerrohr verbunden werden. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Antriebs wird eine große konstruktive Freiheit der Gestaltung erreicht.

Bei einer Ausgestaltung des Antriebs derart, daß der eine Außenpol der Ankerlage­ rung gegenübersteht, also einen inaktiven Pol darstellt, erreicht man den Vorteil, daß bei großem Luftspalt im wesentlichen der dicker ausgebildete Mittenpol mit dem in­ aktiven Außenpol wirksam ist, so daß praktisch nur ein Luftspalt zum Tragen kommt. Bei kleiner werdendem Luftspalt kommt dann auch der zweite Außenpol zur Wirkung.

Anhand der Fig. 1 bis 3 der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

In Fig. 1 sind zwei Elektromagnete 1 und 2 gezeigt, die als dreipolige Elektromagnete mit einem aus zwei Außenschenkeln 3 und 4 und einem Mittelschenkel 5 bestehen­ den Magnetkreis und einer Wicklung 6 auf dem dicker ausgebildeten Mittenschenkel 5 ausgebildet sind. Die Pole 3a, 4a und 5a stehen einem entsprechend breit ausge­ bildeten Anker 7 gegenüber, der in einem Hebel 8 integriert ist. Der Hebel 8 ist an einem Ankerrohr 9 befestigt, das um eine Achse 10 schwenkbar gelagert ist. In der Achse 10 ist eine Torsionsfeder (Torsionsstab) 18 angeordnet, der mit dem Rohr 9 verbunden ist. Der Torsionsstab 10 erzeugt die Gegenfederkraft zu einer auf ein Ventil 11 wirkenden Ventilfeder 12, die in Richtung Schließen des Ventils gerichtet ist.

Der Mittelschenkel 5 ist mit dem Quersteg 13 durch eine Schwalbenschwanzverbin­ dung 14 verbunden, kann aber auch angeschweißt sein.

Die Enden der Schenkel 3 und 4 laufen aufeinander zu. Hierdurch kann die Breite 15 der Polenden und damit des Ankers 7 verkleinert werden. Durch die Teilung des Ma­ gnetflusses kann der Anker dünn ausgebildet werden, was die erwähnten Vorteile bringt.

Mit dem Hebel 8 ist ein Kraftübertragungsteil 16 schwenkbar verbunden. Dieses Teil 16 liegt in einer Vertiefung 17 des Ventilschafts 11a. Diese Verbindung stellt eben­ falls ein Schwenklager dar. Durch die beiden Schwenklager kann der bei der Schwenkung des Hebels 8 auftretende Querversatz ausgeglichen werden.

Jeder Magnet wird durch mehrere Schrauben 19 verspannt, was bei einem lamel­ lierten Eisenkreis sehr wichtig ist, da die Lamellen dazu tendieren, sich fächerartig auszudehnen. Daher sollten mindestens drei Schrauben verwendet werden. Bei Verwendung einer vierten Schraube am unteren Ende des Schenkels 5 müssen die­ se auf dem Seitenblech 19a isoliert werden, um Wirbelströme über die Schrauben zu vermeiden. Außerdem müssen diese Schrauben unmagnetisch sein.

Bei der Fig. 2 liegt der Hebel 8' auf dem Kopf 20 des Ventilschafts 11a' auf. Der Ven­ tilschaft ist in einem Bereich 11b biegsam ausgebildet, so daß er den durch die Schwenkbewegung auftretenden Querversatz teilweise, aufnehmen kann. Die nach unten wirkende Federkraft wird hier durch eine entsprechende Schraubenfeder 21 übernommen, welche in Fig. 1 durch eine Torsionsfeder(-stab) gebildet ist.

Die Fig. 3 zeigt einen der Fig. 1 entsprechenden Aktuator, bei dem das dem Magne­ ten 2' zugeordnete Ankerteil und die Polenden des Magnehen 2' einen Kennlinien­ magneten bilden. Hierzu weist der Anker 7' polartige Erhebungen 7a auf, denen auf der Elektromagnetseite dazu passende Ausnehmungen 30 in den Polen zugeordnet sind. Hierdurch wird die Magnetkennlinie des Antriebs in bekannter Weise beeinflußt, was schnellere Schaltzeiten, insbesondere bei Gaskräften ermöglicht.

Schließlich ist in Fig. 4 ein Aktuator gezeigt, bei dem jeweils der eine Außenpol 40, bzw. 41, der hier als Ankerrohr 43 ausgebildeten Lagerung des Hebels 42 gegen­ übersteht. Der Luftspalt zwischen dem Anker, zu dem hier auch das Ankerrohr 43 gehört, ist hier unabhängig von der Stellung des Hebels 42, d. h. der linke Außenpol ist inaktiv. Der rechte Außenpol 44 soll, was hier der Einfachheit halber nicht darge­ stellt ist, an seinem Ende nach links geführt sein, um die erwähnte Annäherung der Außenpole und damit eine Verkleinerung der Ankerbreite zu erreichen.

Claims (14)

1. Elektromagnetischer Aktuator zum Antreiben eines Ventils (11) eines Verbren­ nungsmotors, bei dem ein auf den Ventilschaft (11a) einwirkender, elektroma­ gnetisch beeinflußter Hebel (8) um eine Schwenkachse (10) schwenkbar gela­ gert ist, bei dem zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte auf den Hebel (8) einwirken und ihn ohne zusätzliche auf ihn einwirkende Kräfte in eine Zwi­ schenstellung stellen und bei dem zeitweise auf den Anker zwei entgegenge­ setzt gerichtete, durch wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) mit drei Polen (3a, 4a, 5a) (E-Magnet) erzeugte Kräfte einwirken, die den Anker in zwei End­ stellungen bringen, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (7) Teil eines schwenkbaren Hebels (8) ist, der den Polen (3a, 4a, 5a) des wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) gegenübersteht, daß der Einwirkbereich des Hebels (8) auf den Ventilschaft (11a) außerhalb des Wirkbereichs des wenigstens einen Elektromagneten (112) liegt und daß gegebenenfalls zusätzlich die äußeren Schenkel (3, 4) des wenigstens einen Magneten (1, 2) an ihren Enden sich ein­ ander annähern.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer in Richtung Schließstellung auf das Ventil einwirkenden Ventilfeder (12) außerhalb des Wirkbereichs des Elektromagneten (1, 2) eine Gegenfeder (21) auf den Hebel (8) einwirkt.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer in Richtung Schließstellung auf das Ventil einwirkenden Ventilfeder (12) ein in der Schwenkachse (10) wirkender Torsionsstab (18) we­ nigstens zum Teil die Gegenfederkraft erzeugt.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Schwenkachse sitzender Torsionsstab (18) die entgegengesetzten Federkräfte wenigstens teilweise erzeugt.

5. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hebel (8) mit einem schwenkbar gelagerten Rohr (43) verbunden ist, und daß der eine äußere Pol (41, 42) diesem als ein Teil des Ankers dienenden Rohr (43) gegenübersteht (Fig. 4).

6. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mittlere Schenkel (5) in ein Verbindungsteil (13) der äu­ ßeren Schenkel (3, 4) eingesetzt ist (14).

7. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mittelschenkel (5) die Wicklung (6), insbesondere eine Bandspule in ihm integriert ist.

8. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einwirkung des Hebels (8) auf den Ventilschaft (11a') durch Aufliegen des Hebels (8') auf dem Kopf (20) des Ventilschafts (11a') oder eines zwischen geschalteten Kraftübertragungsteils erfolgt, und daß im Schaft (11a') oder Übertragungsteil ein elastisches Ausweichglied (11b) für ein Aus­ weichen eines Teils des Ventilschafts (1a') oder des Übertragungsteils aus der Ventilachse vorgesehen ist.

9. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß andern Hebel (8) ein Kraftübertragungsteil (16) schwenkbar gelagert ist und daß diese Kraftübertragungsteil (17) gelenkig mit dem Schaft (11a) verbunden ist.

10. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens die Pole eines Magneten (2'), insbesondere des Öffnungsmagneten und der diesen zugeordnete Ankerteil (7') als Kennlinien­ magnet ausgebildet sind (Erhebungen 7a und passende Ausnehmungen 30).

11. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abstände der Zentren der den Polen des wenigstens ei­ nen Elektromagneten zugeordneten Ankerteilen von der Schwenkachse unter­ schiedlich groß sind.

12. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektromagnete (1, 2) über mindestens drei Schrauben (19) verspannt sind, wobei die dritte Schraube auf den Mittelschenkel (5) ein­ wirkt.

13. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von drei, vorzugsweise vier Schrauben der Schraubenkopf von den Seitenplatten (19a) elektrisch isoliert ist.

14. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß der Mittelschenkel (5) aus magnetisch sehr gut leitfähigem Material, vorzugsweise kornorientiertem Material besteht.