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Die
Erfindung betrifft einen Linearaktuator, der für Antriebe verschiedener Art
verwendet werden kann. Besonders geeignet ist er als Antrieb zur
Betätigung
hydraulischer und pneumatischer Ventile. Ein spezieller Anwendungsfall
des Linearaktuators ist die Betätigung
von Gaswechselventilen bei Verbrennungsmotoren.
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Bei
der Betätigung
der genannten Ventile sind z.T. hohe Forderungen an die Dynamik
gestellt. Öffnungs-
und Schließvorgänge müssen für schnelle Anwendungen
im Bereich einiger Millisekunden durchgeführt werden können. Im
allgemeinen werden hierbei Verstellwege im Bereich einiger Millimeter
benötigt,
wobei gegen hohe Drücke
gearbeitet werden muss.
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Zur
Ansteuerung benannter Gaswechselventile existiert eine Vielzahl
technischer Lösungen, deren
Gemeinsamkeiten im Vorhandensein magnetischer Anordnungen bestehen,
deren beweglicher Teil der Ventilschäfte der Gaswechselventile in
die gewünschte
Positionen beim Gaseinlass- oder -ausstoß befördert. Hierbei werden an diese
Anordnungen eine Reihe von Anforderungen gestellt, die die Exaktheit
der Bewegungsabläufe,
deren möglichst sanfte
Beendigung in den Endpunkten (Soft-Landing-Problem) sowie eine möglichst
hohe Stellgeschwindigkeit betreffen. Daneben sollen die Anordnungen
zur Ventilbetätigung
möglichst
geringen Bauraum in Anspruch nehmen, energiearmen Betrieb ermöglichen,
hohe Zuverlässigkeit
garantieren und im Aufbau unkompliziert sein. Die bekannten Anordnungen
entsprechen diesen Forderungen in unterschiedlicher Weise jeweils
in Teilbereichen.
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In
der
DE 19735375 und
DE 19744714 werden elektromagnetische
Aktuatoren zum betätigen eines
Gaswechselventils vorgeschlagen, deren Läufer (Anker), welche Kraft
auf das Gaswechselventil ausüben,
durch Elektromagneten in den Endlagen des Hubes gehalten werden
und durch Federn von einer Endlage zur anderen bewegt werden. Nachteilig
an diesen Anordnungen ist, dass die läuferpositionsabhängigen Kraftkurven
eines Elektromagneten starke Nichtlinearitäten aufweisen, was insbesondere
beim „Soft-Landing" durch starken Kraftanstieg Probleme
verursacht.
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Weiterhin
sind die vorgeschlagenen Anordnungen nicht oder nur bedingt in der
Lage Teilhübe auszuführen als
auch das während
des Betriebes sich ändernde
Ventilspiel auszugleichen.
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Die
DE 101 42 670 empfiehlt
einen elektromechanischen Aktuator für einen Ventiltrieb, dessen Konstruktion
das „Soft-Landing-Problem" u.a. durch einen
vergrößerten Abstand
zwischen Anker und Polfläche
der Elektromagnete lösen
soll. Unabhängig von
der tatsächlichen
Tauglichkeit der Lösung
besitzt diese durch ihren rotationssymmetrischen Aufbau eine ungünstige Ausnutzung
des vorhandenen Bauraumes. Weiterhin ist ein stromloses Halten in
den Endlagen nicht möglich,
was zu einer Erhöhung
der Verlustleistung führt.
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Eine
weitere Lösung
wird in der
DE 101 26 211 vorgeschlagen.
Diese Lösung
soll zwar eine Verbesserung der Zuverlässigkeit durch konstruktiv
bedingte Minderung von Reibung und Verschleiß bewirken, der rotationssymmetrische
Aufbau bewirkt aber wiederum eine ungünstige Ausnutzung des vorhandenen
Bauraumes, der durch die Vielzahl übereinander angeordneter Magnete
noch verschlechtert wird.
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Auch
die
DE 101 25 767 beinhaltet
eine Lösung,
mit der die Zuverlässigkeit
eines Gaswechselventilantriebes gesteigert werden soll. Der dazu
vorgeschlagene Aufbau einer Anordnung mit ringförmigen Magneten ist einerseits
wenig raumsparend und andererseits aufwendig in der Fertigung.
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Aus
den Nachteilen der bekannten Lösungen
ergibt sich die Aufgabe, einen Linearaktuator zu entwickeln, der
eine einfache, verschleißarme
und wenig Raum beanspruchende Konstruktion aufweist und in seiner
Funktion eine möglichst
exakte Vorherbestimmung oder Steuerung des Betätigungsweges ermöglicht.
Außerdem
sollte der Linearaktuator einen energiesparenden Betrieb ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Gestaltung des Linearaktuators gemäß den Merkmalen des Hauptanspruches.
In den zugehörigen
Unteransprüchen
werden besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Linearaktuators
beansprucht.
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Die
Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Das
Ausführungsbeispiel
bezieht sich auf einen Linearaktuator im Einsatz als Linearaktuator
zur Betätigung
von Gaswechselventilen eines Verbrennungsmotors.
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Dabei
zeigen die zugehörigen
Zeichnungen in
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1:
eine Prinzipskizze eines Basiselementes des erfindungsgemäßen Linearaktuators
mit einer Läuferposition,
die dem geöffneten
Ventil entspricht
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2:
eine Prinzipskizze eines Basiselementes des erfindungsgemäßen Linearaktuators
mit einer Läuferposition,
die die Mitte des Ventilarbeitsbereiches darstellt
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3:
eine Prinzipskizze einer mehrpoligen Ausführung des erfindungsgemäßen Linearaktuators in
oberer Ruhelage
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4:
die Darstellung des Bewegungsablaufes des Ventilstößels und
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5:
die Darstellung des Bewegungsablaufes des Linearaktuatorläufers mit
stromlosen Haltebereichen
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Gemäß 1 besteht
ein Basiselement des erfindungsgemäßen Linearaktuators aus zwei
U-förmigen
Blechpaketen 1, deren Öffnungen,
beabstandet durch einen Luftspalt 2, zueinander gerichtet sind.
Die Schenkel dieser Blechpakete, die auch Pole 3 bezeichnet
werden, sind mit einer Statorwicklung 4 bewickelt. Die
Pole 3 können
auch ungeblecht gefertigt, gehören
aber auch in dieser Ausführungsform zum
Wesensbereich der Erfindung.
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Im
Luftspalt 2 befindet sich als Läufer ein Permanentmagnet 5,
dessen Magnetisierungsrichtung 6 parallel zur Ausrichtung
der Pole 3 angeordnet ist. Die Höhe h des Permanentmagneten 5 ist
so ausgelegt, dass sie kleiner als der mittlere Polabstand d der
Blechpakete 1 ist. Beidseitig des Permanentmagneten 5 ist
ein geringer Luftspalt 7 zu den Polen 3 des Blechpaketes 1 vorhanden.
Die Bewegungsrichtung des Läufers
verläuft
senkrecht zur Magnetisierungsrichtung 6 des Permanentmagneten 5.
Befindet sich der Permanentmagnet 5 als Läufer in
der Mitte der durch die U-förmigen Blechpakete 1 gebildeten Pole 3,
so ist im unbestromten Zustand der Statorwicklung 4 die
erzeugte Kraft in Bewegungsrichtung des Läufers gleich null.
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Werden
nun die Statorwicklungen 4 auf den Blechpaketen 1 in
einer Weise bestromt, dass alle Teilwicklungen zum Entstehen eines
magnetischen Flusses durch die Luftspalte 2 und 7 und
die Blechpakete 1 in einer umlaufenden Richtung beitragen, tritt
auf der Seite des Permanentmagneten 5, die sich parallel
zum in den Statorwicklungen 4 erzeugten Magnetfluss befindet,
ein magnetischer Fluss in Richtung der Magnetisierung des Permanentmagneten 5 auf.
Auf der gegenüberliegenden
Seite wirkt dieser Magnetfluss gegen die Magnetisierungsrichtung 6 des
Permanentmagneten 5.
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Das
hat zur Folge, dass auf der Seite gleicher Magnetisierungsrichtungen
Anziehungskräfte zwischen
dem Permanentmagneten 5 und den Polen 3 in Bewegungsrichtung
des Läufers
erzeugt werden, während
auf der gegenüberliegenden
Seite Abstoßungskräfte zwischen
dem Permanentmagneten 5 und den Polen 3 entstehen.
Resultierend ergibt sich eine Kraft in Bewegungsrichtung, zu der
sowohl die erzeugten Anziehungs- als auch die Abstoßungskräfte beitragen.
Bewegt sich nun der Läufer
in Bewegungsrichtung, so wird die erzeugte Kraft positionsabhängig nach Überschreiten
eines Maximums zu Null werden, wenn der Permanentmagnet 5 sich
innerhalb eines Pols 3 mittig gemäß 2 befindet.
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Ändert man
die Bestromungsrichtung in den Statorwicklungen 4, so ändert sich
auch die Richtung der Kraftwirkung des Permanentmagneten 5.
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Befindet
sich der Permanentmagnet 5 zwischen den Positionen gem.
der 1 und 2, so wird der Permanentmagnet 5 einen
Fluss innerhalb der Pole 3 erzeugen, welcher aus Sicht
der Pole 3 unsymmetrisch ist: Größerer Fluss im näheren Pol 3, kleinerer
Fluss im entfernteren Pol 3. Das hat zur Folge, dass auch
im unbestromten Zustand eine resultierende Kraft in Bewegungsrichtung
entsteht, die versucht, den Läufer
von der Position gem. 1 in Richtung der Position gem. 2 zu
ziehen.
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Diese
Kraft – die
Reluktanzkraft – ist
besonders beim Einsatz von Federn zur Unterstützung der Bewegung des Läufers von
Vorteil, da sie gegen die Federkraft wirkt und damit ein (nahezu)
stromloses Halten des Läufers
ermöglicht.
Dies ist der Fall im Schnittpunkt der Federkraftkurve mit der Motorkraftkurve.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das
Basiselement des erfindungsgemäßen Linearaktuators
zu einer Anordnung mit 2, 3 oder mehreren weiteren
Permanentmagneten 5 erweitert werden. Im Falle der Auslegung
mit mehr als einem Permanentmagneten 5 sind die benachbarten
Permanentmagnete 5 mit jeweils entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung 6 angeordnet. Der
mittlere Abstand der Permanentmagneten 5 entspricht vorteilhaft
dem mittleren Abstand d der Pole 3.
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Mit
dem Einsatz mehrerer Permanentmagnete 5 ist auch der Einsatz
mehrerer Pole 3 möglich, so
dass quasi ein „Stapel
von Basiselementen" entsteht.
Hierdurch ist auf überraschend
einfache Weise eine Anpassung an vorgegebene Anwendungsbedingungen
des Linearaktuators möglich
ist. Eine solche Anordnung zeigt 3.
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Der
erfindungsgemäße Linearaktuator
bietet mit seinen Merkmalen die Auslegung sowohl als Baueinheit
mit rechteckigem, auch asymmetrischem, Querschnitt als auch als
Baueinheit mit rundem Querschnitt. Als besonders vorteilhaft erweist
sich jedoch die Ausgestaltung mit rechteckigem Querschnitt bei:
Einerseits wird ein sehr einfacher mechanischer Aufbau erreicht,
indem auf ein inneres Statorteil verzichtet werden kann, andererseits
wird eine bessere Ausnutzung des Bauraumes erreicht. Es ist möglich, eine
geringe Breite des Linearaktuators bei gleichzeitig begrenzter Bauhöhe zu wählen, wodurch wiederum
eine sehr gute Einpassung des Linearaktuators als Antriebsorgan
der Gaswechselventile in die Gegebenheiten des Bauraumes im Zylinderkopfbereich:
Er lässt
sich jeweils sehr gut in die Zwischenräume zwischen den Ventilen einordnen.
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Das
geringe Bauvolumen des erfindungsgemäßen Linearaktuators wird durch
einen weiteren Vorteil hinsichtlich seiner Verwendung als Ventilantrieb
ergänzt:
Die erfindungsgemäße Gestaltung
des Linearaktuators gewährleistet
auch eine sehr geringe bewegte Masse, wodurch ein Antrieb mit hoher
Dynamik bei geringem Energiebedarf und gleichzeitig großer Kraftwirkung
entsteht. Hierzu trägt
auch eine erfindungsgemäß gewählte einphasige
Ansteuerung bei, die eine geringe Permanentmagnetrnasse gestattet.
Mechanisch stellt der erfindungsgemäße Linearaktuator eine sehr
robuste Baugruppe dar.
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Wird
der elektrische Teil des erfindungsgemäßen Linearaktuators in bereits
bekannter Weise mit einer geeignet dimensionierten Feder kombiniert, die
so ausgelegt ist, dass die Ruhelage des Gesamtsystems sich in der
Mitte des Arbeitshubes befindet, entsteht durch die Ausnutzung der
Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems eine besonders geringe
Verlustleistung des Linearaktuatorischen Antriebssystems. Besonders
förderlich
hierbei wirkt sich der Umstand aus, dass durch die Auslegung des
Linearaktuators als Reluktanzmotor ein stromloses Halten des Läufers in
den Endlagen durch Wirkung der Reluktanzkraft möglich ist.
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Der
erfindungsgemäße Linearaktuator
wird einphasig angesteuert. Das bietet den Vorteil, dass man eine
geringere Bauhöhe
bei ausreichender Kraftwirkung erreichen kann und gleichzeitig eine sehr
einfache Ansteuerung möglich
wird: Die einphasige Ansteuerung ermöglicht die Ausführung eines Ventilhubes
ohne Umkehrung des Stromes, wobei während der Flugphase eine Absenkung
des Stromes vorteilhaft ist. Auch dies trägt zu einem verlustarmen Ventilantrieb
durch den erfindungsgemäßen Linearaktuator
bei.
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Der
beanspruchte Linearaktuator ist auch besonders gut geeignet, kurze
Hübe zu
realisieren und gestattet durch die Möglichkeit von Teilhüben die Ventilöffnung in
jeder Position innerhalb des Arbeitsbereiches. Sein Kraftprofil
entspricht im wesentlichen den für
die Betätigung
von Gaswechselventilen notwendigen Anforderungen.
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Der
erfindungsgemäße Linearaktuator
ermöglicht
durch einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Beschleunigungskraft
und Läuferposition bei
konstantem Strom große
Beschleunigungskräfte zu
Beginn und zum Ende des Bewegungsvorganges.
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Während bei
Lösungen
des Standes der Technik durch rotationssymmetrischen Aufbau der Ventilantriebe
eine Reduzierung des Verschleißes und
der Reibung erreicht werden soll, ist beim erfindungsgemäßen Linearaktuator
dieser Effekt durch eine lose Verbindung des Läufers zum Ventil erreichbar.
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Die
Auslegung des beanspruchten Linearaktuators erfolgt in der Art,
dass zu Beginn des Öffnungsvorganges
des Ventils eine hohe Antriebskraft vorhanden ist und gleichzeitig
die Möglichkeit
besteht, oberhalb der oberen Ventilendlage in eine Position zu fahren,
die beim zusätzlichen
Einsatz von Federn ein weitestgehend stromloses Halten des Läufers gegen
die Federkraft ermöglicht.
In einem vorliegenden Beispiel ist dies so realisiert, dass bei einem
Läuferweg
von +/-5mm die Haltekraft des Linearaktuators mit umgekehrtem Vorzeichen
gleich der Federkraft ist.
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Ermöglicht wird
dies durch eine nicht feste Verbindung zwischen Ventil und Läufer. D.h.,
die stromlose Halteposition des Läufers ist nicht identisch mit
der oberen Endlage des Ventils. In 4 und 5 sind
die Bewegungsabläufe
dargestellt – bei
bekannten Systemen verhalten sich Läufer- und Ventilposition gem. 4.
In beiden Fällen
ist die obere Endlage des Ventils bei +4 mm Läuferauslenkung erreicht.
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Ein
anschlagbedingter Verschleiß ist
bei der Erfindung nicht gegeben, da der Linearaktuator bedingt durch
das Reluktanzprinzip selbst keinen Anschlag innerhalb des Arbeitsbereiches
aufweist
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Der
erfindungsgemäße Linearaktuator
zeichnet sich durch seine Vorteile auch für Anwendung außerhalb
des gewählten
Ausführungsbeispiels
aus: Er bietet durch seine hohe Dynamik, Geschwindigkeit und Präzision exzellente
Voraussetzungen für
Anwendungen in der Verpackungsindustrie, der (Micro-)Montage und
bei allgemeinen Automationsaufgaben.
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Die
elektronische Ansteuerbarkeit und der einfache und robuste Aufbau
und die damit verbundenen niedrigen Kosten lassen die Barrieren
für viele Anwendungen
verschwinden, die die Linearaktuatortechnik bisher aus diesen Anwendungen
ausgeschlossen hat.
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- 1
- Blechpaket
- 2
- Luftspalt
- 3
- Pol
- 4
- Statorwicklung
- 5
- Permanentmagnet
- 6
- Magnetisierungsrichtung
- 7
- Luftspalt
- d
- Abstand
(der Pole 3)
- h
- Höhe (des
Permanentmagneten 5)
- p
- Abstand
(der Permanentmagneten 5)