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Die vorliegende Erfindung betrifft eine monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Derartige Vorrichtungen sind zum Realisieren verschiedener Stell- und Schaltfunktionen allgemein bekannt, wobei insbesondere eine Ventilsteuerung oder Nockenwellenverstellung mit einer derartigen Aktuatorvorrichtung realisiert wurde.
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Für derartige Stell- bzw. Steueraufgaben besteht das generelle Problem eines Zusammenhangs zwischen einer jeweils vorhandenen Drucksituation und einem Querschnitt, welcher etwa zur Ventilsteuerung gesperrt oder geöffnet werden muss. Insbesondere wenn Querschnitte (aufgabenbedingt) groß werden, stellt dies beträchtliche Anforderungen an die Magnetkraft, die sich entsprechend vergrößern muss. Soll zudem in einem speziellen Anwendungsfall (etwa einem Sekundärluftventil eines Kraftfahrzeugs zum Einleiten zusätzlicher Frischluft in einen Abgastrakt, z. B. während eines Kaltstarts) diese Funktionalität in einem sehr kleinen Bauraum erfolgen, ist mit bekannten Lösungen über die gesamte Kraft-Weg-Kennlinie eine Magnetkraft von praktisch nicht mehr als 20 N zu realisieren. Allerdings bringt gerade der beschriebene Anwendungsfall das Erfordernis, eine höhere Verschlusskraft für das Ventil zu realisieren, typischerweise mindestens 30 N, gegen welche der Aktuator arbeiten muss.
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Weiter verkompliziert wird diese Aufgabe durch Einbau- bzw. Betriebsbedingungen vor Ort, da typischerweise im Betrieb das Ventil durch Ruß oder Öl verklebt wird. Diese Ablagerungen erfordern dann insbesondere in der Anfangsphase der Ventilbewegung eine weiter deutlich erhöhte Kraft, um die so vorhandene, unerwünschte Haftwirkung zu überwinden.
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Aus dem Stand der Technik ist es dabei bekannt, insbesondere hohe Anfangskräfte durch den sogenannten Platteneffekt, zu realisieren, so dass insbesondere eine (unerwünschte) Haftwirkung überwunden werden kann. Derartige Vorgehensweisen besitzen jedoch den Nachteil, dass der Kraftverlauf entlang der weiteren Kraft-Weg-Kennlinie stark abfällt, so dass insbesondere bei hohen Druckdichtigkeit-Erfordernissen eine zuverlässige Dichtwirkung nicht gewährleistet werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung, insbesondere Schaltaktuatorvorrichtung zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Ventil, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs im Hinblick auf eine erreichbare magnetische Stellkraft, Einfachheit des Aufbaus, eine Dichtwirkung unter Druckbeaufschlagung sowie Unempfindlichkeit gegenüber Maß- und Einbautoleranzen zu verbessern, dabei insbesondere eine solche gattungsgemäße Vorrichtung auch für belastete Umgebungsbedingungen wie etwa eine Verschmutzung und Ablagerung durch Ruß oder Öl geeignet zu machen.
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Die Aufgabe wird durch die monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, des unabhängigen Anspruchs 9 sowie durch die Verwendung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist zunächst die Ankereinheit so vorgesehen und ausgebildet, dass sie als Reaktion auf die Bestromung der stationären Spulenvorrichtung mittels magnetischer Abstoßung aus einer ersten, stromlos stabilen Anschlagposition in eine zweite, stromlos instabile Position bewegt werden kann. Vorteilhaft ermöglicht es die Ausgestaltung der Ankereinheit mittels einer (typischerweise scheibenförmigen) Permanentmagneteinheit, weiterbildungsgemäß mit mindestens einer benachbarten Polscheibe vorgesehen, dass die Ankereinheit damit in der ersten Anschlagposition stabil an einem dort vorgesehenen Kernabschnitt haften kann, wobei sehr hohe Kräfte (typischerweise 80 N oder höher) erzielbar sind. Dies führt vorteilhaft dazu, dass selbst eine extreme Druckbelastung des Ankers ein sicheres Verschließen (in dieser ersten Anschlagposition) gewährleistet.
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Zusätzlich erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ankerstößeleinheit in axialer Richtung mehrteilig ausgebildet ist, wobei ein erster Ankerstößelabschnitt (welcher typischerweise fest am Permanentmagnetabschnitt der Ankereinheit ansitzt) über eine Zugfeder oder dergleichen auf Zug belastbaren Kraftspeicher axial beweglich mit dem zweiten Ankerstößelabschnitt verbunden ist, und wobei dann der zweite Ankerstößelabschnitt, endseitig mit einem Ventilteller oder dergleichen Dichtelement versehen, bei Zugbelastung und in der ersten Anschlagposition in geeigneter Weise den Ventilverschluss vornimmt.
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Die erfindungsgemäß vorteilhafte Ausgestaltung der Verbindung des zweiten Ankerstößelabschnitts (entsprechend einem unteren Ventilteil) und dem ersten Ankerstößelabschnitt bewirkt vorteilhaft, dass ein Spielausgleich zwischen den Stößeln erfolgen kann, insbesondere auf diese Weise axialer Versatz, Spiel oder dergleichen Einbau- bzw. Fertigungstoleranzen elegant und einfach ausgeglichen werden, da beide Ankerstößelabschnitte nicht genau axial fluchten müssen. Auch bietet diese Konfiguration ideale Voraussetzungen für einen Einsatz unter Verschleißbedingungen, da auch verschleißbedingte geometrische Veränderungen, Spiel oder dergleichen auf diese Weise einfach durch den Kraftspeicher als Verbindungselement zwischen beiden Stößelabschnitten ausgeglichen bzw. aufgenommen werden können.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft ist die Aktuatorvorrichtung nunmehr so ausgebildet, dass als Reaktion auf die Bestromung der stationären Spulenvorrichtung diese auf die Permanentmagnetmittel einen abstoßenden magnetischen Effekt ausübt, mit der Wirkung, dass die Haftkraft der Permanentmagnetmittel in der ersten Anschlagposition (genauer: an einem dort vorgesehenen stationären Polabschnitt) aufgehoben wird und, vorteilhaft zusätzlich, ein weiterer, axial in der Bewegungsrichtung gelegener Spulenabschnitt der Spulenvorrichtung anziehend mit den Permanentmagnetmitteln zusammenwirkt, mit dem Effekt, dass daraufhin der Anker mit der Ankerstößeleinheit sich aus der ersten Anschlagposition bewegen kann.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft ist für diesen Betriebszustand die Verbindung zwischen den Ankerstößelabschnitten (im Bereich des Kraftspeichers) so ausgebildet, dass der erste Ankerstößelabschnitt einen (weiter bevorzugt impulsförmigen) axialen Schub auf den zweiten Ankerstößelabschnitt ausübt, mit dem vorteilhaften Effekt, dass durch eine solche Impulsbelastung des zweiten Ankerstößelabschnitts (bzw. eines endseitig daran ansitzenden Ventiltellers oder dergleichen) selbst ein durch Ruß oder Öl verklebter Ventilsitz zuverlässig geöffnet werden kann.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung ist es dabei sowohl möglich, durch geeignete, axial entlang der Stößeleinheit vorsehbare Puffereinheiten dieses Impulsverhalten geeignet zu beeinflussen bzw. zu dämpfen, genauso wie durch geeignete Ausbildung des Ventiltellers, etwa statisch, elastisch-umklappend oder dergleichen, ein geeignetes Verschluss- und Öffnungsverhalten, insbesondere als Reaktion auf die beschriebene Impulsbeaufschlagung des zweiten Ankerstößelabschnitts, erreicht werden kann.
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Die erfindungsgemäß realisierte monostabile Vorrichtung führt dann zu dem Effekt, dass während der Bestromung und durch die beschriebene Schubwirkung entlang der Ankerstößeleinheit etwa ein endseitig am zweiten Ankerstößelabschnitt sitzender Ventilteller ein Ventil öffnet und während der Bestromung geöffnet hält.
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Gleichzeitig ist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterbildungsgemäß (und auch unabhängig beansprucht) so ausgestaltet, dass wirksam ein Haften der Permanentmagnetmittel der Ankereinheit in dieser zweiten (Öffnungs-)Position verhindert wird, also etwa ein permanentmagnetisches Haften an einem dem Polabschnitt gegenüberliegenden Jochabschnitt oder dergleichen durch geeignete Ausgestaltung der permanentmagnetischen Flussführung unterbunden wird. Dies führt dann dazu, dass nach Beenden der Bestromung ein (rein permanentmagnetisches) Haften in der zweiten Position verhindert wird, vielmehr durch permanentmagnetische Anziehungswirkung gegenüber dem Polabschnitt ein Zurückbewegen in die erste Ausgangsposition und somit monostabiles Bewegungsverhalten erreicht wird.
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In konstruktiv besonders eleganter Weise wird dies dadurch bewirkt, dass ein flussleitend an der magnetischen Flussführung beteiligtes Gehäuse mehrteilig, insbesondere mittels eines radial vorgesehenen Schlitzes zwischen den axial verteilt vorgesehenen Einzel-Spuleneinheiten, so ausgebildet ist, dass in der zweiten Position kein permanentmagnetischer Haltefluss zustande kommt, vielmehr die Flussführung auch in dieser Position so ausgebildet ist, dass das permanentmagnetische Feld über einen Permanentmagnetkreis in Richtung auf den Polabschnitt, also in Richtung auf die erste Anschlagposition, geschlossen wird, so dass nach Beendigung der Bestromung dann die Permanentmagnetmittel durch Anziehungskraft die Ankereinheit in die erste Anschlagposition zurückführen.
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Weiter vorteilhaft während dieses Betriebs ist, dass die bevorzugt als Zugfeder ausgestalteten Kraftspeichermittel zwischen dem ersten und dem zweiten Ankerstößelabschnitt in federnd-elastischer Weise dann den zweiten Ankerstößelabschnitt toleranzausgleichend mitnehmen und für ein stabiles Wieder-Verschließen des Ventilsitzes sorgen.
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Während sich die vorliegende Erfindung insbesondere für den beschriebenen Anwendungsfall etwa eines Sekundärluftventils eignet, bei welchem eine hohe Verschluss- bzw. Dichtkraft bei gleichzeitig hoher Magnetkraft über einen längeren Abschnitt der Kraft-Weg-Kennlinie gewährleistet sein muss, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Verwendung beschränkt, sondern eignet sich prinzipiell für jegliche (elektromagnetische) Stellaufgabe, auch außerhalb eines Ventilbetriebs, bei welcher hohe Stell- und Verschlusskräfte, insbesondere in Verbindung mit günstigem Toleranzausgleich, realisiert werden müssen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1: eine schematische Längsschnittansicht einer monostabilen elektromagnetischen Aktuatorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, in der erfindungsgemäßen ersten, stromlos stabilen Anschlagposition zum Verschluss des Ventils;
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2: eine Ansicht des Ausführungsbeispiels der 1, jedoch mit in die zweite Position bewegter Ankereinheit und dadurch geöffnetem Ventil;
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3: eine Detailansicht des Übergangsbereichs zwischen dem Paar von Ankerstößelabschnitten von 1 bzw. 2 mit in diesem Übergangsbereich vorgesehener Zugfeder zum Verbinden dieser Abschnitte;
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4–8: eine Abfolge der verschiedenen Bewegungen der Ankereinheit bzw. des Ventiltellers als Reaktion auf Bestromung bzw. Nicht-Bestromung mit darin verdeutlichtem Magnetfluss im Gehäuse bzw. in der Ankereinheit mit Permanentmagnetscheibe.
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Die 1 bis 3 verdeutlichen den konstruktiven Aufbau der vorliegenden Erfindung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform: Eine Ankereinheit bestehend aus einem langgestreckten ersten Ankerstößelabschnitt 10, einer daran befestigten Scheiben-Abfolge von Permanentmagnetscheibe 12 und dieser beidseits zugeordnetem Paar von Polscheiben 14, 16 wird axial fortgesetzt mit einem zweiten Ankerstößelabschnitt 18, wobei die Ankerstößelabschnitte 10, 18 entlang der axialen Richtung (Vertikalrichtung der 1) relativ zueinander bewegbar und auf Zug belastet verbunden sind durch eine Zugfeder 20 als Kraftspeicher, welche jeweilige Ringabsätze 22 und 24 der Ankerstößelabschnitte 10 bzw. 18 übergreift.
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In der in 1 gezeigten Position sitzt dabei die Ankereinheit durch permanentmagnetische Anziehung (vergleiche 4 mit dem die Ankerkraft beschreibenden Pfeil 30) in einer ersten stromlos stabilen und oberen Anschlagposition an einer stationären Jocheinheit 26 an, welche, mit weiteren flussleitenden und Gehäuseelementen 28, 32, ein eine stationäre Spuleneinheit 34 umschließendes Gehäuse ausbildet.
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Die dünnen Pfeile der 1 verdeutlichen insoweit den durch den Kernabschnitt 26 bzw. die Gehäuseabschnitte 28, 32 verlaufenden permanentmagnetischen Fluss, wobei die 4 den unbestromten Zustand der Spuleneinheit 34 beschreibt.
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In diesem Betriebszustand übt die Zugfeder 20 eine aufwärts gerichtete Zugkraft auf den zweiten Ankerstößelabschnitt 18 sowie einen endseitig daran ansitzenden Ventilteller 36 aus, so dass der Ventilteller 36 dichtend an einem schematisch gezeigten Ventilsitz 38 anliegt. Damit beschreibt die 1 (bzw. die 4) einen stabilen Verschlusszustand, welcher in der praktischen Realisierung eine Kraft von bis zu 80 N aufnehmen kann.
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Als Reaktion auf eine Bestromung der Ankereinheit 34 (5) wird nunmehr, vergleiche den Feldlinienverlauf der 5, die permanentmagnetische Anziehungskraft der Permanentmagnetscheibe 12 auf die Kerneinheit 26 neutralisiert, und es entsteht eine in der 5 abwärts gerichtete Kraft (Pfeil 40) auf die Ankereinheit. Verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass durch Bestromung einer gegenüberliegend der Spuleneinheit 34 vorgesehenen zusätzlichen Spuleneinheit 42 (insoweit schließen die Spuleneinheiten 34 bzw. 42 in axialer Richtung den Permanentmagnetabschnitt 12 zwischen sich ein) eine Anziehungskraft auf die Ankereinheit, insbesondere den Permanentmagnetabschnitt 12, ausgeübt wird. Dies führt dazu, dass, wie die 5 zeigt, aus der (nach wie vor) ersten Anschlagposition sich die Ankereinheit abwärts in Richtung des Pfeils 40 in Bewegung setzt.
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Im weiteren Verlauf dieser Bewegung erreicht dann, vergleiche die 6 bzw. die Variante der 8 mit einem nicht-magnetischen Anschlagring 5 zwischen Gehäuseabschnitten 32 und 46, die Ankereinheit eine untere Anschlagposition, begrenzt von einem Jochabschnitt 44, welcher zusammen mit einem Gehäuseschalenabschnitt 46 die Spuleneinheit 42 mantelseitig umschließt. Während dieses Betriebs, vergleiche insbesondere die 2, kommt es bevorzugt zu einem Aneinanderstoßen der Ankerstößelabschnitte 10 und 18, in der Art, dass der Ankerstößelabschnitt 10 stirnseitig einen Impuls auf den zweiten Ankerstößelabschnitt 18 ausübt. Dies hat die vorteilhafte Wirkung, dass etwa eine durch Öl, Ruß oder dergleichen Verschmutzung bewirkte unerwünschte und krafterhöhende Haftung des Ventiltellers 36 am Sitz 38 aufgebrochen wird und so der Öffnungszustand der 2 erreicht wird. In dieser Rolle hält dann die Zugfeder beide Abschnitte 10, 18 in der gezeigten Weise aneinander, wobei weiterbildungsgemäß an dieser stirnseitigen Übergangsstelle geeignete Puffer- oder dergleichen Dämpfungsmittel vorgesehen sein können, um etwa unerwünschte Schläge zu mindern.
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Die 7 verdeutlicht dann, gegenüber der geöffneten Endlage (zweite Position) der 6, den Beginn der Rückwärtsbewegung der Ankereinheit zurück in die Ausgangssituation (4) bei unbestromten Spuleneinheiten. Es wird deutlich, dass in diesem Zustand der (ausschließlich durch Permanentmagnetscheibe 12 bewirkte) magnetische Flussverlauf durch den Gehäuseabschnitt 12 bzw. den Kernabschnitt 26 fließt, mithin also eine die Ankereinheit aufwärts bewegende permanentmagnetische Anziehungskraft, entlang der Pfeilrichtung 50 aufwärts gerichtet, ausübt.
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Dies führt zunächst vorteilhaft dazu, dass sich in der gewünschten monostabilen Weise die Ankereinheit im in der 7 gezeigten stromlosen Zustand zurück in die Aufwärtsposition bewegt und nicht etwa in der Öffnungsposition (2 bzw. 6) haftet. Der Vergleich der Flussverläufe von 6 bzw. 7 verdeutlicht, wie diese vorteilhafte Wirkung entsteht: Durch Vorsehen nämlich eines radial umlaufenden Schlitzes 52 zwischen einem oberen Gehäusemantelabschnitt 32 und einem unteren Gehäusemantelabschnitt 46 ist die Geometrie des Gehäuses so gestaltet, dass zu keinem Zustand ein (permanent-)magnetischer Flussverlauf durch den Gehäuseabschnitt 46 (bzw. einen inneren Jochabschnitt 44) laufen kann, mit anderen Worten, die Ankereinheit mit ihrer Permanentmagnetscheibe 12 nicht nach abwärts gezogen wird bzw. dort haftet. Vielmehr sorgt die mantelseitige Gehäuseschale 32, die auch in der zweiten Position mantelseitig die Scheibenanordnung 12, 14 16 unter Ausbildung eines Luftspalts umgibt, dafür, dass stets eine permanentmagnetische Anziehungskraft aufwärts, d. h. in Richtung auf die Kerneinheit 26, gerichtet ist.
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Entsprechend schließt gemäß Pfeilbewegung 50 die Ankereinheit in unbestromtem Zustand wiederum das Ventil, wobei die (starke) Permanentmagnetwirkung in Verbindung mit der toleranzausgleichenden Wirkung der Zugfeder 20 ein harmonisches, sicheres Schließen des Ventils bewirkt.
