DE19955079A1 - Elektromagnetischer Antrieb - Google Patents

Abstract

Es wird ein elektromagnetischer Antrieb beschrieben, der einen elektromagnetisch hin- und herbewegbaren Anker aufweist. Durch die Bewegung des Ankers und damit wird ein Element, insbesondere das Ventil eines Verbrennungsmotors, angetrieben. DOLLAR A Zur Verminderung des Energiebedarfs des Antriebs wird das Verhältnis der Jochtiefe zur Jochbreite der Elektromagnete und der Ankerlänge zur Ankerbreite größer als 1,5, vorzugsweise größer 2, gewählt.

Description

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

Ein derartiger Antrieb ist aus der DE 197 12 063 A1, bzw. der Veröffentlichung der entsprechenden internationalen Anmeldung PCT/EP 98/01719 bekannt.

Das oberste Ziel bei der Auslegung solcher Antriebe besteht darin, möglichst geringe Verluste im Luftspalt und im Eisenkreis der Elektromagnete und ein möglichst gerin­ ges Gewicht der beweglichen Masse zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen wur­ de gemäß dem genannten Stand der Technik eine Integration des Ankers in einen schwenkbaren Ankerhebel vorgenommen. Da nach den physikalischen Gesetzen die Masse eines Rotationssystems mit dem Quadrat der Übersetzung zusammenhängt, wurde dort zusätzlich das Verhältnis des Abstands des Ankers vom Schwenkpunkt des Hebels zu dem Abstand der Einwirkung auf das anzutreibende Element vom Schwenkpunkt kleiner 1 gewählt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine weitere Möglichkeit zur Verminde­ rung der elektrischen Verluste des Antriebs und des Gewichts der bewegten Masse zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Patentanspruch 1 umfaßt Antriebe gemäß dem genannten Stand der Technik, aber auch bekannte Antriebe, deren Anker eine Linearbewegung ausführt.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der im Anspruch 1 erwähnte wenigstens eine Elektromagnet muß mindestens einen aktiven, d. h. Hubarbeit leistenden Pol aufweisen.

Vorzugsweise wird der Anker durch zwei Elektromagnete angetrieben, jedoch ist, wie später noch gezeigt wird, der Antrieb auch mittels einer Wicklung realisierbar, die praktisch abwechselnd mit unterschiedlichen Polen zusammenarbeitet. Vorzugswei­ se sind der, bzw. die Elektromagnete zweipolig ausgebildet, jedoch sind auch Elek­ tromagnete mit mehr als zwei Polen denkbar, z. B. auch Topfmagnete. Bei zweipoli­ ger Ausbildung und schwenkbarer Lagerung des Ankers ist auch eine Ausbildung möglich, bei der nur einer der Pole aktiv ist, d. h. direkt eine Anziehung des Ankers bewirkt also Hubarbeit leistet, während der andere Pol nur den Rückschluß über die Ankerlagerung bewirkt. In Kombination dieser Möglichkeiten ist eine Lösung mit ei­ nem Elektromagneten und einem aktiven Pol denkbar.

Die folgenden Überlegungen führten zu der erfindungsgemäßen Bemessung des Antriebs.

Grundsätzlich wird die Ankermasse bestimmt durch die Anforderungen nach maxi­ maler Antriebskraft. Die begrenzende Größe ist hier die Kraftflußdichte im Eisenkreis, bei der Sättigung eintritt. Die Ankerdimensionierung wird bestimmt durch die ge­ samte Jochbreite und die Jochlänge. Die gesamte Jochbreite wird wiederum be­ stimmt durch den Abstand zwischen den beiden Schenkeln, der nach den Gesichts­ punkten von magnetischen Streuungsverlusten dimensioniert wird. Insgesamt soll die gesamte Jochbreite möglichst klein gehalten werden. Die Ankerdicke entspricht un­ gefähr der Breite des Jochschenkels. Nun ist eine Optimierung des Ankergewichts dadurch möglich, daß die Jochbreite möglichst schmal gewählt wird bei möglichst großer Jochtiefe. Zur Minimierung des Gewichtes kommt hier ein Verhältnis von Jochtiefe zur gesamten Jochbreite zustande, welches außergewöhnlich ist für Ma­ gnete. Herkömmliche Magnete werden in der Regel so dimensioniert, daß etwa ein quadratisches Verhältnis von Breite zur Länge entsteht. Um minimales Ankergewicht zu erreichen wird bei der Erfindung, ein Verhältnis gewählt, welches jenseits des Faktors 1,5 insbesondere größer 2, vorzugsweise größer 3 ist. Es entsteht hier ein relativ langer und dünner Anker, der entsprechend gelagert werden muß.

Durch die Dimensionierung eines langen Magneten läßt sich der Magnet in der Kraftbilanz überdimensionieren, was besondere Vorteile hat, z. B. für den Öffnungs­ magneten des Auslaßventils oder den Schließmagneten des Einlaßventils, welche die Gaskräfte zu überwinden haben. Bei dem eingangs erwähnten, bekannten Sy­ stem mit Ankerhebel wird der Drehstab zugleich als Lagerstelle für den Ankerhebel verwendet. Dabei erfährt der Drehstab eine zusätzliche Biegebelastung. Bei der Di­ mensionierung eines langen Magneten mit entsprechend langem Anker, gemäß der Erfindung ist dies nicht möglich; daher wird, gemäß einer Weiterbildung der Erfin­ dung der Anker über einen oder mehrere Ankerhebel mit einem Rohr verbunden, welches zumindest beidseitig gelagert ist und die Lagerkräfte aufnimmt. Der Dreh­ stab kann sich im Inneren des Rohres befinden und er ist völlig entlastet von zusätz­ lichen Biegekräften.

Neben der Längenausdehnung des Ventils und des Zylinderkopfes muß das System justierbar sein auf relativ große Toleranzen des Ventils, des Ventilsitzes, des Zylin­ derkopfs und des Gehäuses des Antriebs. Hierzu wird vorgeschlagen, daß das Ge­ häuse um die Drehachse des Ankerrohres oder auch des Drehstabes oder um eine weiter ab vom Anker liegende Drehachse drehbar ist. Das Gehäuse liegt in einem Lagerbett und wird über ein federndes Gegenlager fixiert. Die Justage erfolgt z. B. durch zwei Muttern, wobei eine Mutter den sogenannten Amboß darstellt und zur Einstellung verstellt wird und die zweite Mutter zur Feststellung verwendet wird.

Eine Weiteroptimierung besteht in einer Gestaltung des Magnetkreises in der Art, daß kornorientiertes Material eingesetzt werden kann, welches kostengünstig ist und erst bei Kraftflußdichten von in der Gegend um 1,9 Teslar in die Sättigung kommt. Normales Magnetmaterial weist bei beginnender Sättigung eine Kraftflußdichte von 1,4 Teslar auf. Damit ist eine erhebliche Kraftsteigerung pro Flächeneinheit möglich, was kleinere Magnete und geringere Ankermassen zur Folge hat.

Ein langer Magnet mit großer Polfläche hat aber Nachteile in der Induktivität und da­ mit dem Zeitverhalten; daher wird vorgeschlagen, den Jochschenkel zu teilen und zwei Spulen einzusetzen. Die beschriebene Bauform des langen Magneten hat au­ ßerdem den Vorteil, daß die Baubreite relativ gering ist, was wiederum einen relativ niedrigen Zylinderkopf erlaubt. Ein kostentreibender Faktor ist die Spulenauslegung.

Oft wird zum Einbringen der Spule in den Magnetkreis das Joch geteilt, was an den Stoßstellen Verluste bedeutet. In der erfindungsgemäßen Ausführung werden die Spulen so gestaltet, daß sie in dem Fenster zwischen den beiden Jochschenkeln eingeführt werden können. Dementsprechend ist die maximale Breite bemessen.

Ein besonderes Problem, stellen die Anforderungen an kleine Zeitkonstante bei rela­ tiv großen Magneten mit entsprechender Induktivität dar. Eine kleine Zeitkonstante ist erforderlich zur Stellungsregelung, damit erreicht wird, daß das Ventil mit kleiner Geschwindigkeit aufsetzt. Dazu ist es notwendig, daß der Magnetkreis schnell auf die entsprechenden Regelsignale reagiert. Das wird dadurch gelöst, daß wie oben erwähnt durch die Jochunterteilung mehrere Spulen verwendet und parallel ge­ schaltet werden. Es können zum Beispiel jeweils vier Spulen vorgesehen sein, die durch Parallelschaltung zusammen geschaltet sind. Da diese Spulen im Vergleich zu einer Spule die selbe Zeitkonstante haben, ist bei vier Spulen in weniger als einem Viertel der Zeit die notwendige Durchflutung erreicht. Die Aufgabe der Magnete ist, einmal das Aufbringen der Hubarbeit zur Abdeckung der mechanischen und der Gasverluste. Andererseits soll durch den Anker in seinen Endstellungen eine ge­ schlossene oder eine offene Ventilstellung erreicht werden. Über 70 Prozent des Ar­ beitstaktes wird für die Schließstellung benützt. Um die notwendige Halteenergie klein zu halten wird der Spulenstrom getaktet. Es kann aber auch eine gesonderte Haltespule verwendet werden. Durch diese Haltespule mit entsprechend großer Win­ dungszahl läßt sich die Halteenergie, d. h. die Leistung drastisch reduzieren. Um die Wärmeabfuhr günstig zu gestalten sind die Spulen relativ dünn und durch die Vor­ teile des langen Magneten mit relativ großer Oberfläche versehen. Zusätzlich können Füllstücke zwischen Joch und Spulenkörper zur besseren Wärmeabfuhr eingebracht werden. Diese Füllstücke können lamelliert und aus gut wärmeleitenden Material sein, aber es kann auch Magnetmaterial zur Reduzierung der Eisenverluste ver­ wendet werden. Es ist auch eine Kombination von beiden Möglichkeiten gegeben. Die Spulen sind vorzugsweise in den Grundkörper eingebettet, sie können fallweise auch dort eingegossen werden.

Ein großes Problem besteht in der Beherrschung der unterschiedlichen Längenaus­ dehnungen, die Zylinderkopf und Ventil während der Aufheizung erfahren. Nach dem Stand der Technik werden häufig hydraulische Elemente zum Spielausgleich einge­ setzt oder Magnete mit großen Luftspalt verwendet. Die hydraulischen Spielausglei­ chelemente sind sehr aufwendig und sind im Spielausgleich begrenzt, da sonst die Gefahr besteht, daß der Antrieb außerhalb seiner Mittellage betrieben wird. Es kann jedoch auch eine Überhubfeder nach dem eingangs erwähnten Stand der Technik verwendet werden. Bei zusätzlicher Verwendung einer Temperaturkompensation im Gehäuse oder im Ventil ist der Überhub relativ gering, z. B. auf wenige Zehntel be­ schränkt und wirkt sich bei einem relativ kleinen Übersetzungsverhältnis vom Magnet zur Ventilachse nicht sehr stark auf die Halteenergie aus. Diese Überhubfeder hat den Vorteil, daß beim Aufsetzen, d. h. Schließen des Ventils im Wesentlichen nur die Ventilmasse als Stoßbelastung wirkt. Durch die Überhubfeder ist die restliche Masse abgekoppelt. Vorzugsweise wird die Überhubfeder so gestaltet, daß ein Großteil der Massenanteile auf kleinem Hebelarm sitzt und damit nicht direkt in die effektive Mas­ se eingeht. Gleichzeitig kann der Magnet auf kleineren Restluftspalt gefahren wer­ den. Der Restluftspalt muß so groß bemessen werden, daß er auftretenden Ven­ tilverschleiß und eine Temperaturausdehnung verkraftet, ohne daß der Anker voll aufliegt. Wenn der Anker aufläge bevor das Ventil schließt, wäre keine Ventildichtheit gegeben.

Zur Übertragung der Antriebskraft vom Anker auf das Ventil gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die geringste Magnetkraft und bewegte Massen und damit auch Energie erfordert eine direkte Ankopplung des Ventils an die Ankerbewegung.

Es ist jedoch auch möglich, das Ventil über eine eigene, konventionelle Ventildruck­ feder zu entkuppeln. Hierbei kann die Torsionsfeder und/oder eine Zug- oder Druck­ feder die notwendige Gegenkraft liefern. Diese Lösungen bieten Vorteile in der Montage, sind aber nachteilig wegen größeren bewegten Massen, höheren Magnet­ kräften und höherem Energiebedarf.

Anhand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines elektromagnetischen Antriebs

Fig. 1a ein Detail der Fig. 1.

Fig. 2a und 2b den Aufbau und die Lagerung des Ankers.

Fig. 3 den elektromagnetischen Antrieb der Fig. 1 in perspektivischer Darstellung.

Fig. 4 die möglichen Ausbildungen der Joche eines Elek tromagneten.

Fig. 5, 5a, 5b und 5c alternative Antriebsmöglichkeiten für den Ventilschaft.

Fig. 6 und 7 besondere Ankerausbildungen.

Fig. 8 verschiedene Anordnungen mit zwei Torsions­ federn.

Fig. 9 einen anderen Aufbau eines elektromagnetischen Antriebs.

Fig. 10a und 10b die Gegenüberstellung zweier Antriebe mit linearer Ankerbewegung einmal mit kurzen und einmal mit langem (tiefem) Anker und entsprechenden Elektro­ magneten.

Fig. 11a bis 11 g zeigt verschiedene mögliche Ausbildungen des oder der Elektromagnete.

In Fig. 1 ist ein Ankerhebel 1 mit einem Rohrstück 2 verbunden. Er überträgt die Kräfte zur Betätigung des Ventils über eine Überhubfeder 3 auf das Lagergehäuse 1f mit einem Lager 4 auf den Ventilschaft 6. Der Ventilschaft weist ein biegsames Ven­ tilschaftteil 6a auf. Die Überhubfeder 3 benötigt eine Vorspannung; diese kann über ein Einstellstück, zum Beispiel einen Exzenter 5, eingestellt werden. Ein zweiter An­ schlag 5a begrenzt den Überhub. Die Funktion der Überhubfeder ist in dem eingangs genannten Stand der Technik näher beschrieben.

Die Magnetsysteme bestehen aus einem Schließmagneten 7 und einem Öffnungs­ magneten 8. In dem Ausführungsbeispiel ist der Öffnungsmagnet 8 größer als der Schließmagnet ausgebildet, weil er beim Auslaßventil zum Öffnen eine größere Hu­ barbeit für die Überwindung der Gaskräfte erzeugen muß. Die beiden Magnetjoche sind einteilig ausgebildet und aus kornorientiertem Material gefertigt, welches geringe Eisenverluste bei großen Kraftflußdichten ermöglicht. In Zonen mit einer Rich­ tungsänderung des Jochs kann das Joch eine Aufspreizung auf größere Quer­ schnitte aufweisen. In den Jochschenkeln kann mit kleinerem Querschnitt und der kornorientierten optimalen Flußrichtung gearbeitet werden. Die Magnete besitzen je zwei Doppelspulen 9 und 10. Diese Doppelspulen sind pro Jochschenkel zweimal vorhanden, wenn das Joch geteilt ist. Die Doppelspulen sind parallel geschaltet, um eine geringere Induktivität zu ermöglichen und damit ein schnelleres Zeitverhalten zu erhalten. Sie können jedoch auch als Einzelspulen oder in Reihenschaltung betrie­ ben werden.

Fig. 4 zeigt zwei mögliche Jochgestaltungen mit einem unterteilten 7c und einem ge­ schlossenen Schenkel 7b. Die unterteilten Schenkelteile werden von zwei Doppel­ spulen 13 und 13a umfaßt. Hierzu können eine oder auch zwei Endstufen verwendet werden. Die Spulen sind parallel geschaltet. Es ist jedoch auch denkbar, daß diese ganz oder teilweise zur Abbremsung des Ankers kurz geschlossen werden.

Bei der vorteilhafteren Ausbildung mit nicht unterteiltem Schenkel 7b des Joches 7 ist auf diesem noch eine Haltespule 13c untergebracht.

Die Magnete 7 und 8 sind in Fig. 1 jeweils über einen Zentrierstift 12 fixiert. Dieser ragt beidseitig in zwei Gehäuseplatten hinein, von denen nur die hintere 13 sichtbar ist. Die Magnete werden über relativ lange Bolzen 14 verspannt, wobei der Bolzen zwischen den Jochen nicht magnetisch sein darf. Die Verspannung erfolgt nachdem das Magnetjoch auf den Anker angepaßt ist, damit homogene Luftspalte entstehen.

Eine bessere Wärmeableitung für die Magnetspulen erfolgt durch eine entsprechen­ de Formgestaltung der Platten. Damit beidseitig eine gute Wärmeabführung erfolgt, werden die Spulen von entsprechenden Erhebungen 15 der Grundplatten 13 und 13a eingebettet.

Der gesamte Antrieb ist beidseitig in Lagerschalen bestehend aus Stegen 20 des Aktuatorkastens 21 gelagert. Dieser Steg ist hinter dem Magneten 8 gestrichelt ge­ zeichnet. Das Gegenlager wird durch entsprechende Aussparungen in dem Gehäuse 13 gebildet.

Das federnde Gegenlager 22 wird mit zwei Schrauben 23 am Aktuatorkasten 21 be­ festigt. In diesem Aktuatorkasten sind alle Antriebe einer Zylinderbank untergebracht.

Das Gehäuse 21 wird über zwei Muttern verstellt und fixiert. Dieser Arm ist hinter dem Ventilschaft 6, 6a und der Zentrierung der Ventilgabel 6b gestrichelt gezeichnet und in Fig. 1a vergrößert dargestellt. Der Auslegearm 24 des Gehäuses 13 ist von zwei Muttern 25 eingespannt. Zur Verstellung werden diese auf der Schraube 26 verdreht bis über den Hubsensor 27 die richtige Justage von Ventil und Ankerposi­ tion sichergestellt ist. Zur Fixierung wird die obere Mutter gekontert. Als Alternative sind auch z. B. zwei Schrauben denkbar, wobei wiederum die erste Schraube den Amboß für das Gehäuse bildet und die zweite Schraube zur Feststellung benutzt wird.

Eine Torsionsfeder 16 liegt in der Bohrung des Ankerrohres 2. Der Anker ist in der Fig. 2a und 2b näher dargestellt.

Die Fig. 2a und 2b zeigen das Ankerrohr 2 geschnitten dargestellt. Es ist in Fig. 2a mit drei den Ankerhebel darstellenden Hebelteilen 1b bis 1d verbunden. Diese drei Hebelteile umfassen den gezeichneten Anker 17. Dieser Anker 17 ist durch eine Ventilbetätigungseinheit 18 unterbrochen, die im wesentlichen aus der Überhubfeder 3, dem Lagergehäuse 1a und dem Lager 4 besteht. Anker 17 und Ventilbetäti­ gungseinheit 18 werden mit den Hebelteilen verschweißt. Das Rohr 2 ist zur Auf­ nahme der relativ großen Ankerkräfte beidseitig an Teilen 19 und 19a der Gehäuse­ platten 13 und 13a entsprechend Fig. 1 gelagert. Vorzugsweise werden Wälzlager eingesetzt und die Lager als Außenlager ausgebildet. Durch diese Lagerstellen kann der im Rohr 2 verlaufende Drehstab 16 (Torsionsfeder) völlig von Biegebelastungen entlastet werden. Er ist auf der einen Seite (links) mit dem Rohr 2 verbunden und auf der anderen Seite in dem Teil 19a eingespannt. Es tritt hier kein Axialspiel auf.

In Fig. 2a sind die Länge (Tiefe) l und die Breite b des Ankers eingezeichnet. Ent­ sprechende Maße haben die dem Anker gegenüberliegenden Magnetjoche.

Fig. 2b zeigt eine vereinfachte Ausführung der Ankerbefestigung. Die beiden Anker­ teile 17 sind hier mit nur einem Ankerhebel 1e und dem Rohr 2 verschweißt. Die Schweißstellen sind in der üblichen Weise durch keilförmige, dunkel gezeichnete Kerben gekennzeichnet. Der Ankerhebel entspricht der Fig. 5a.

Fig. 3 zeigt die Anordnung in perspektivischer Darstellung. Das Ankerrohr 2 ist mit den magnetisch leitenden Ankerhebeln 1b bis 1d verbunden. Hier sind auch die Ver­ bindungsstellen zu sehen, die durch Schweißen hergestellt werden. Damit der Ma­ gnetfluß der beiden Magnete nicht vom Ankerrohr 2 beeinflußt wird, wird dieses vor­ zugsweise aus nicht oder schwach leitendem, oder unmagnetischem Material aus­ gebildet. Das Ankerrohr 2 ist in den Lagerstellen 19 und 19a gelagert und nimmt den Drehstab 16 auf. Auf der linken Bildhälfte ist der lange Magnet 7 zu sehen, der im vorderen Teil aufgeschnitten ist, um das Ventilgelenk 4 zu zeigen. Der Magnet 7 zeigt eine Aussparung 20a für die Unterbrechung des Joches zur Einbringung von je zwei Doppelspulen. Diese Aussparung ist auch nützlich für die Überhubfeder, die bei der Hubbewegung in das Joch hinein ragt. Der Anker ist auch hier mit 17 bezeichnet. Anstelle der vollen Aussparung beider Jochschenkel kann auch ein magnetisch lei­ tendes Füllstück verwendet werden. In dieser Figur ist der Anker mit Abstand zum An­ kerrohr 2 gezeichnet. Dieser kann jedoch auch direkt am Ankerrohr, wie in Fig. 2a und 2b gezeigt, anliegen.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ventilbetätigung. Das Ventil wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt, über eine Druckfeder 30 in Richtung Schließstellung gedrückt. Hier wirkt der Drehstab 16 gegen die Druckfeder. In der gezeichneten Mittellage sind die Federkräfte im Gleichgewicht. Die Kraftübertragung erfolgt über eine mit einem Wälzlager ausgestattete Rolle 31, die mit dem Ankerhebel 1c verbunden ist. Dieser ist durch seine Schenkel leicht federnd gestaltet, um die Stoßkräfte beim Aufsetzen auf den Ventilschaft zu reduzieren.

Zur Unterstützung des Drehstabes 16 kann zusätzlich eine an einem relativ kleinen Hebelarm angelenkte Druckfeder 32 verwendet werden.

Fig. 5a zeigt anstelle der Rolle ein Gleitstück 33, welches in den Anker einge­ schweißt ist und an der Gleitstelle oberflächenbeschichtet sein kann. Auch dieses Teil ist zur Reduzierung der Stoßbelastung federnd ausgebildet.

Fig. 5b zeigt die Seitenansicht. Zur Reduzierung der Gleitreibung auf dem Ventil­ schaft kann die Druckfederauflage in einem Kugellager 34 gelagert werden.

Dieses und eine exzentrische Auflage des Gleitstücks 33 bewirkt eine erwünschte Ventilverdrehung.

Die Antriebe der Fig. 5 und der Fig. 5a und 5b benötigen keine Biegezonen im Ven­ tilschaft, weil sie den durch die Schwenkung des Hebels 1c bewirkten Versatz selbst ausgleichen können.

Zur Kompensation der starken Ventilausdehnung ist das obere Ventilschaftteil 35 aus Material mit geringer Temperaturausdehnung, z. B. Invarstahl hergestellt und mit dem Ventilschaft 36 verbördelt oder verschweißt. Zur besseren Temperaturableitung aus dem Ventilteller ist der hohle Ventilschaft 36/37 mit Natrium gefüllt. Durch die Temperaturkompensation ist der Differenzweg zwischen Rolle 31, bzw. Gleitstück 33 und Ventilschaft 36/37 zwischen kaltem und betriebswarmem Ventil erheblich gerin­ ger, so daß die Auftreffgeschwindigkeit der Rolle 31 und damit die Lagerbelastung und die Halteenergie erheblich kleiner sind.

Fig. 5c beinhaltet ein Gleitstück 39, welches drehbar auf einer Welle 39a gelagert ist. Dieses Gleitstück entspricht dem herkömmlichen Nockenantrieb über Schwenkhebel. Dieses kann auch in einer Kugelkalotte gelagert sein, um sich dem Ventilschaftkopf voll anzupassen. Dieses Gleitstück besitzt vorzugsweise eine leichte Klemmung, damit beim Aufsetzen beim Ventilöffnen eine kleine Flächenpressung entsteht.

Die Fig. 6 unterscheidet sich von Fig. 5 nur durch eine andere Gestaltung der Po­ le 40 des Öffnungsmagneten 41 und einer dazu passenden Gestaltung des An­ kers 42. Die Pole 40 sind gestuft, - hier mit zwei Stufen - ausgebildet. Der Anker 42 weist auf der dem Öffnungsmagneten zugewandten Seite eine korrespondierende Stufung auf derart, daß der Anker 42 in die Öffnung der gestuften Pole unter Wah­ rung kleiner Luftspalte hineinpaßt. Für die gute Wirkung des Magneten 41 sind die Breiten und Tiefen 40a und 42a der Pole 40 und des Ankers 42 wesentlich. Dadurch ist eine Kennlinienformung möglich mit dem Ergebnis, daß die Hubkraft der Magne­ ten bei großen Luftspalten erheblich höher ist. Diese Ausbildung des Magneten 41/42 ist bei der Lagerung des Ankers mittels des Wälzlagers von besonderer Be­ deutung, da im Anker relativ große Querkräfte entstehen durch Toleranzen.

Die Fig. 7 zeigt eine entsprechende Ausbildung der Pole des Schließmagneten 50 und 50a eines Einlaßventilantriebs und des dazu gehörigen Ankers 52.

Die Joche und der Anker des Öffnungs- und des Schließmagneten eines Stellan­ triebs insbesondere des Auslaßventilantriebs kann mit der oben genannten Kennlini­ enformung gestaltet werden.

In Fig. 8 sind verschiedene Versionen mit parallel geschaltetem zweitem Drehrohr gezeigt. In Fig. 8a ist der auf den Ventilschaft 6 einwirkende Hebel mit 1, der Anker mit 17, das Lagerrohr mit 2 und der Drehstab mit 16 bezeichnet. Es ist ein zweiter Drehstab 16a mit Lagerrohr 2a und ein Hebel 1e vorgesehen, wobei die Federkräfte dieses Drehstabs 16e über ein Verbindungsglied 60 mit den Kräften der Drehfe­ der 16 gebündelt werden.

In Fig. 8b wirkt entsprechend Fig. 5a eine Ventilfeder 30 auf den Ventilschaft ein und die Ankerbewegung wird durch ein Gleitstück 33 auf das Ventil übertragen. Auch hier überträgt ein Verbindungsglied 60 die Kräfte der zweiten Drehfeder 16a zum He­ bel 1.

In Fig. 8c ist die Ventilfeder 30 durch die Drehstabfeder 16a ersetzt, die über das Verbindungsglied 60 unter den Ventilschaftkopf 61 greift. Die Torsionsfeder 16 wirkt über ein Gleitstück auf den Ventilschaft.

In Fig. 8d ist das Verbindungsglied nicht drehbar am Hebel 1c gelagert, sondern da­ mit starr verbunden. Das Übertragungsglied ist eine Blattfeder 60a, die ebenfalls un­ ter den Ventilschaftteller 61 greift.

In Fig. 8e ist der zweite Hebel 1c nicht an einem Rohr gelagert. Hier ist ein Lager­ teil 63 einerseits mit dem Rohr 2 der Drehfeder 16 und andererseits mit einer Lager­ stelle des Drehstabs 16a verbunden. Die Querkräfte werden an einem Lagerpunkt 64 abgestützt.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung, bei der ein Haupthebel 70 durch einen Nebenhebel 71 von den beiden Elektromagneten 72 und 73 verschwenkt wird. Die Hebel 70 und 71 sind mit dem Rohr 74 verbunden, in dessen Innern die Torsionsfeder 75 unterge­ bracht ist. Der Nebenhebel 71 trägt den Anker oder stellt den Anker dar. Er ist als langer Magnet ausgebildet.

Die Kraftübertragung auf den Ventilschaft 76 erfolgt, ähnlich wie in Fig. 1 über eine bei 77 am Haupthebel 70 befestigte Überhubfeder 78, der am vorderen Ende des Haupthebels 70 zwei Anschläge 79 zur Durchbiegungsbegrenzung zugeordnet sind. Auch hier ist eine Biegezone 76a im Ventilschaft vorgesehen.

Diese Anordnung weist eine extrem niedrige Bauhöhe auf, bringt eine bessere Aus­ nutzung der Magnetlänge, hat ein geringes Gewicht und es ist eine Entkopplung der Überhubfeder vom Ankerhebel gegeben.

In Fig. 10a und 10b sind zwei elektromagnetische Antriebe dargestellt, bei denen der Anker nicht verschwenkt wird, sondern durch die Elektromagnete nach oben, bzw. unten bewegt wird. In Fig. 10b sind die Magnete 80 und 81 doppelt so lang, wie in Fig. 10a und es ist ein entsprechender Anker 82 vorgesehen.

Die Magnete und Anker in beiden Figur sind für die gleiche Kraftflußdichte ausgelegt. Es gelten folgenden Vermaßungen:

Man erkennt, daß für Fig. 10a eine Abhängigkeit von 2b (in der Klammer) und für Fig. 10b eine Abhängigkeit nur von 1 × b vorhanden ist, also das Ankervolumen und da­ mit das Ankergewicht deutlich geringer ist.

Bei einer vergleichbaren Auslegung ergab sich bei einer Auslegung entsprechend Fig. 10a ein Ankergewicht von 72 g und bei einer Auslegung entsprechend Fig. 10b ein Ankergewicht von nur 47 g.

Setzt man für b = 10, für K = 2 und für L = 20 ein, so ergibt sich für den Fall der Fig. 10a ein Volumen von 2400 (= 100%). Für die Fig. 10b ergibt sich ein Volumen von 1400, also ca. 58%. Bei einer dreifachen Länge verringert sich das Volumen auf 44%.

Wegen der vergrößerten Magnetlänge (Tiefe) muß gegebenenfalls der Antrieb aus Platzgründen schräg im Motor eingebaut werden.

Es sei noch erwähnt, daß die gemäß der Erfindung tief ausgebildeten Joche der Elektromagnete und entsprechend der gemäß der Erfindung tief ausgebildeten Anker nicht einstückig ausgebildet sein müssen, sondern auch aus zwei oder mehreren Teilen zusammengesetzt sein können; die Magnete können auch aus mehreren Teilmagneten zusammengesetzt sein, wobei ein oder mehrere Anker vorgesehen sein können.

In obigen beschriebenen Figuren ist jeweils ein Drehstab zur Erzeugung wenigstens eines Teils der Federkräfte vorgesehen. Es ist bei der Erfindung jedoch auch mög­ lich, die beiden Federkräfte, z. B. durch Schraubenfedern zu erzeugen. Im Beispiel der Fig. 5a wirkt dann eine in der Ventilachse angeordnete Feder auf den Hebel 1c von oben ein. Hierdurch wird eine geringer Belastung der Hebellagerung erreicht.

Fig. 11 zeigt verschiedene andere mögliche Ausbildungen für den oder die Elektro­ magnete als die vorhergehenden Figuren.

Fig. 11a zeigt zwei dreipolige Elektromagnete 100 und 101, die dem Anker 102 ge­ genüberstehen. Die Fig. 11b und 11c zeigen Aufsichten auf die Magnetpole. Die Wicklung 103 kann entsprechend Fig. 11b oder als Topfwicklung entsprechend Fig. 11c ausgebildet sein. In der Fig. 11d sind wieder zwei dreipolige Elektromagnete ge­ zeigt, wobei hier ein Pol 104 nicht aktiv ist, also nicht zur Hubarbeit beiträgt. Es ist analog dazu auch möglich die Elektromagnete zweipolig auszubilden und dann nur einen aktiven Pol zu benutzen.

Beim Beispiel der Fig. 11e ist nur eine Wicklung 105 vorgesehen, wobei je nach Stellung des Ankers 106 Pole 107 oder 108 wirksam sind. Wird durch die Federkräfte der Anker in die Nähe der Pole 107 oder 10ß gebracht, so kann die Wicklung 105 eingeschaltet werden und der Anker wird in Richtung der entsprechenden Pole be­ schleunigt. Um ein Anschwingen aus der Zwischenstellung zu erreichen, muß ent­ weder die Zwischenstellung unsymmetrisch liegen oder der Pol eines Elektroma­ gneten stärker ausgebildet sein. Schließlich ist in Fig. 11f eine Kombination der Fig. 11e mit der Verwendung nur eines aktiven Pols gezeigt.

Der Magnetkreis 110 der Fig. 11 g entspricht einem E-Kern entsprechend Fig. 11a und 11b.

Der Polabstand der äußeren Schenkel 111 und 112 ist möglichst klein, um die Breite 113a des Ankers 113 klein zu halten. Zur Reduzierung der Streuflüsse zwischen dem Mittelschenkel 114 und den Außenschenkeln und zur Darstellung eines großen Wic­ kelraumes ist der äußere Magnetkreis 115 und 116 aufgeweitet. Der Mittelschenkel 114 besteht vorzugsweise aus kornorientiertem Material und ist durch Formschluß, z. B. Schwalbenschwanzführung 117 in das Joch eingesetzt oder mit diesem ver­ schweißt.

Die Ankerdicke entspricht beim E-Magneten ungefähr dem der Dicke der Außen­ schenkel 115 und 116, der wiederum ca. 50% der Breite des Mittelschenkels 114 hat. Dadurch beträgt die Dicke des Ankers 113 nur etwa 50% der Ankerdicke eines U-Magneten. Ohne spezielle Maßnahmen ist der Polabstand beim E-Magneten größer als beim U-Magneten. Durch die Maßnahme der Polaufweitung kann dieser Nachteil vermindert werden. Die effektive Gewichtsersparnis beträgt bei dieser Ma­ gnetform ca. 40% im Vergleich zum U-Magneten.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Mitverwendung des Mittelschenkels 113 als Kern der Wicklung 119. Dies ist besonders vorteilhaft bei Bandspulen. Damit läßt sich ein ausgezeichneter Füllfaktor erzielen. Dies ist von wesentlicher Bedeutung, da die Verlustleistung der Spule sehr stark vom Winkelraum und Füllfaktor abhängt.

Beim E-Kern bietet sich außerdem an, vier Verspannschrauben 118 im Vergleich zu drei beim U-Kern einzusetzen, was hinsichtlich der Symmetrie der Verspann­ kräfte sehr günstig ist.

Hinsichtlich von Ausführungsformen, z. B. entsprechend der Fig. 11 mit zum Anker hin sich annähernden Polenden wird angemerkt, daß die Definition gemäß An­ spruch 1 Tiefe zur Breite der Joche größer 1,5 usw. sich auf die Jochbreite an den Enden der Joche bezieht und nicht auf die weiter abliegende Jochbreite.

Claims (42)

1. Elektromagnetischer Antrieb mit einem beweglich gelagerten, elektromagne­ tisch hin- und herbewegbaren Anker (17) der von wenigstens einem Elektro­ magneten (7, 8) in Endstellungen bewegt wird, wobei durch die Bewegung des Ankers (17) ein Element (6), insbesondere ein Ventil eines Verbren­ nungsmotors, angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Tiefe zur Breite der Joche der Elektromagnete (7, 8) und das Verhältnis der Tiefe zur Breite des Ankers (17) größer als 1,5 insbesondere größer 2 und gegebenenfalls größer 3 ist.

2. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Anker (17) zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte (16) einwir­ ken, die ohne Wirkung von Erregerströmen den Anker (17) in eine Zwischen­ stellung stellen.

3. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei schwenkbar gelagertem Anker die beiden Federkräfte wenigstens teilwei­ se durch eine Torsionsfeder (16) gebildet sind.

4. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federkräfte wenigstens teilweise durch Zug- und/oder Druckfe­ dern gebildet sind.

5. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Ventilfeder (30) vorgesehen ist, deren Federkraft auf den Ventilschaft (36) in Richtung Schließstellung des Ventils einwirkt.

6. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei schwenkbar gelagertem oder von einem schwenkbar gelagerten Hebel (1) getragenen Anker (17) der Anker (17) oder Hebel (1) mit einem schwenk­ bar gelagerten Rohr (2) oder rohrähnlichen Teil verbunden ist, daß dieses Rohr (2) oder Teil mit der wenigstens teilweise in dem Rohr oder Teil ver­ laufenden Torsionsfeder (16) verbunden ist und daß das Rohr (2) oder Teil außen gelagert ist.

7. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anker (17) über wenigstens einen, vorzugsweise drei, parallel im Abstand zueinander angeordnete Teilhebel (1b bis 1d) mit dem Rohr verbunden ist.

8. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Hebel (1) eine Überhubfeder (3) integriert ist, über die die Ankerbewegung auf das bewegbare Element (6) übertragen wird und die für diese zu übertragende Bewegung steif ist und nur bei stärkerer Bean­ spruchung (Überhub) als Feder wirksam ist.

9. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Hebels (1a), der das bewegbare Teil (6) antreibt, ein Gelenk (4) aufweist mit dem das bewegbare Element (6) verbunden ist.

10. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das anzutreibende Element der Schaft (6) eines Ventils ist und daß der Schaft (6) des Ventils biegsam ausgebildet ist.

11. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (1, 1a) auf dem Schaft (36, 37) des Ventils lose aufliegt.

12. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (1, 1a) über eine Rolle (31) oder dergleichen auf den Ventil­ schaft einwirkt.

13. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (1, 1a) über ein Gleitstück (33) auf den Ventilschaft (36, 37) einwirkt.

14. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel exzentrisch auf den Ventilschaft einwirkt.

15. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Magnetkerns (7, 8) und/oder des An­ kers (17) kornorientiert ist.

16. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne der Elektromagnete (7, 8) in Zonen (7a, 8a) mit Rich­ tungsänderung der Joche einen größeren Querschnitt aufweisen.

17. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern der Magnete einstückig ausgebildet ist (Fig. 1).

18. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an einem Joch eines Magneten zur Polflä­ che hin eine Unterteilung des Jochs in wenigstens zwei Jochteile (7b) vorge­ sehen ist (Fig. 4) und daß auf diesen Jochteilen jeweils wenigstens eine Spule, vorzugsweise jedoch zwei Spulen (13, 13a) aufgebracht sind und daß diese Spulen (13, 13a) parallel geschaltet sind (Fig. 4).

19. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens auf dem Joch des Schließmagneten (7) zu­ sätzlich eine Spule (13c) aufgebracht ist, die zum Halten des Ventils in der entsprechenden Stellung dient.

20. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne der Elektromagnete (7, 8) zwischen zwei Platten (13) des Gehäuses eingespannt und ausgerichtet sind.

21. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausrichtung der Joche zum Anker (17) die Magnete verdrehbar ge­ lagert sind.

22. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulen (9, 10, 11) mit den Platten (13) des Gehäuses über die Joche in wärmeleitender Verbindung stehen.

23. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeabfuhr Füllstücke (15) zwischen den Spulen (9, 11, 12) und den Jochen vorgesehen sind.

24. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmegabe Verrippungen vorgesehen sind.

25. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zur Justage der gesamte Antrieb um die Rohrachse oder um eine weiter ab vom Anker liegende Achse verdrehbar ist.

26. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 3 oder 5 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß die Torsionsfeder (16) als Stab mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist.

27. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß im Querschnitt gesehen die Pole (40) wenigstens eines der Elektromagnete (7, 8) gestuft (40a) ausgebildet sind und daß der An­ ker (42) eine im Querschnitt in diese Stufung passende Gegenstufung (42a) aufweist.

28. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsmagnet des Auslaßventils eine derartige Stufung aufweist.

29. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließmagnet des Einlaßventils eine derartige Stufung aufweist.

30. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gleitstück (39) am Hebel (1c) verdrehbar gelagert ist (Welle 39a) (Fig. 5c).

31. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitstück mittels einer Kugel und einer Kugelkalotte am Hebel ge­ lagert ist.

32. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß ein Haupthebel (70) zur Betätigung des Elements (z. B. des Ventilschafts 76) und ein den Anker darstellender oder ihn tragender, um einen Winkel gegenüber dem Haupthebel (70) verdreht angeordneter und mit dem Haupthebel verbundenen Nebenhebel (71) vorgesehen ist.

33. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß zur wenigstens teilweisen Erzeugung der Federkräfte zwei parallel geschaltete Torsionsfeder (16, 16a) vorgesehen sind.

34. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß beide Torsionsfedern (16, 16a) über ein Lagerrohr (2, 2a) mit einem He­ bel (1, 1e) verbunden sind, wobei die über die beiden Hebel (1, 1e) übertra­ genen Kräfte auf den Ventilschaft einwirken.

35. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Hebel (1) über ein Lagerrohr (2) mit der Torsionsfeder (16) ver­ bunden ist, und der andere Hebel (1c) direkt mit der Torsionsfeder (16a) ver­ bunden ist.

36. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Joche der Elektromagnete (7, 8) und/oder der Anker (17) aus zwei oder mehreren Teilen zusammengesetzt sind.

37. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Magnete hintereinander angeordnet sind, denen ein einteiliger oder mehrteiliger Anker gegenübersteht.

38. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafteinwirkbereich des Ankers oder des den Anker tragenden Hebels (3) auf den Ventilschaft (6) außerhalb des Wirkbereichs des wenigsten einen Elektromagneten liegt.

39. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Magnete einen E-Kern (110) aufweist, wobei die Enden (111, 112) der äußeren Schenkel zum Mittel­ schenkel (114) hin verlaufen.

40. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelschenkel (114) Träger der Wicklung (119) (vorzugsweise eine Bandspule) ist.

41. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mittelschenkel (114) durch Verschweißung und/oder durch eine schwalbenschwanzförmige Verbindung (117) mit dem Kern (115/116) verbunden ist.

42. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 39 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelschenkel (114) aus kornorientiertem Material besteht.