DE202009014192U1 - Monostable electromagnetic actuator device - Google Patents
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Abstract
Monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung, insbesondere Schaltaktuatorvorrichtung, mit
einer zum Durchführen eines Stellvorgangs als Reaktion auf eine Bestromung einer stationären Spulenvorrichtung (34, 42) antreibbaren, Permanentmagnetmittel (12) aufweisenden Ankereinheit mit einer ansitzenden Ankerstößeleinheit (10, 18),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ankereinheit so vorgesehen und ausgebildet ist, dass sie als Reaktion auf die Bestromung mittels magnetischer Abstoßung aus einer ersten stromlos stabilen Anschlagposition in eine zweite, stromlos instabile Position bewegt werden kann,
und die Ankerstößeleinheit axial mehrteilig ausgebildet ist, wobei ein erster Ankerstößelabschnitt (10) und ein zweiter Ankerstößelabschnitt (18) mittels eines auf Zug belastbaren Kraftspeichers (20), insbesondere Zugfeder, axial zueinander beweglich gekoppelt sind.Monostable electromagnetic actuator device, in particular Schaltaktuatorvorrichtung, with
an armature unit having a seated armature tappet unit (10, 18) for carrying out an actuating operation in response to an energizing of a stationary coil device (34, 42), having permanent magnet means (12),
characterized in that
the armature unit is provided and designed so that it can be moved in response to the energization by means of magnetic repulsion from a first normally non-stop position to a second, normally unstable position,
and the armature plunger unit is formed axially in several parts, wherein a first armature tappet portion (10) and a second armature tappet portion (18) are coupled to each other by means of a loadable on train force accumulator (20), in particular tension spring, axially to each other.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The present invention relates to a monostable electromagnetic actuator device according to the preamble of the main claim.
Derartige Vorrichtungen sind zum Realisieren verschiedener Stell- und Schaltfunktionen allgemein bekannt, wobei insbesondere eine Ventilsteuerung oder Nockenwellenverstellung mit einer derartigen Aktuatorvorrichtung realisiert wurde.Such devices are generally known for realizing various actuating and switching functions, wherein in particular a valve control or camshaft adjustment has been realized with such an actuator device.
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.For such adjusting or control tasks, there is the general problem of a relationship between an existing pressure situation and a cross section, which must be locked or opened for valve control about. In particular, when cross sections (due to the task) become large, this places considerable demands on the magnetic force, which must increase accordingly. If, in addition, in a specific application (such as a secondary air valve of a motor vehicle for introducing additional fresh air into an exhaust gas tract, eg during a cold start), this functionality takes place in a very small installation space, with known solutions over the entire force-displacement characteristic curve Magnetic force of practically not more than 20 N to realize. However, it is precisely the described application that brings the need to realize a higher valve closure force, typically at least 30 N, against which the actuator must operate.
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.To further complicate this task by installation or operating conditions on site, since typically in operation, the valve is bonded by soot or oil. These deposits then require a further significantly increased force, in particular in the initial phase of the valve movement, in order to overcome the unwanted adhesive effect which is thus present.
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.It is known from the prior art, in particular to realize high initial forces by the so-called disk effect, so that in particular an (undesirable) adhesive effect can be overcome. However, such procedures have the disadvantage that the force curve along the further force-displacement curve drops sharply, so that a reliable sealing effect can not be guaranteed especially for high pressure-tightness requirements.
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.Object of the present invention is therefore to provide a monostable electromagnetic actuator device, in particular Schaltaktuatorvorrichtung for use in connection with a valve, according to the preamble of the main claim in terms of achievable magnetic force, simplicity of construction, a sealing effect under pressure and insensitivity to Maß- and To improve installation tolerances, in particular to make such a generic device suitable for contaminated environmental conditions such as pollution and deposition by soot or oil.
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.The object is achieved by the monostable electromagnetic actuator device having the features of the main claim, the independent claim 9 and by the use of the features of the independent claim 13; advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
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.In an advantageous manner according to the invention, the armature unit is initially provided and designed such that it can be moved in response to the energization of the stationary coil device by means of magnetic repulsion from a first, normally-free stable stop position to a second, currentless unstable position. Advantageously, the design of the armature unit by means of a (typically disc-shaped) permanent magnet unit, further education provided with at least one adjacent pole disc that the anchor unit so that it can adhere stably in the first stop position on a core section provided there, with very high forces (typically 80 N or higher ) are achievable. This advantageously leads to even an extreme pressure load of the armature ensures a secure closing (in this first stop position).
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.In addition, according to the invention it is provided that the armature tappet unit is formed in several parts in the axial direction, wherein a first armature tappet portion (which is typically firmly attached to the permanent magnet portion of the armature unit) via a tension spring or the like on train loadable power storage is axially movably connected to the second armature tappet portion, and then the second armature tappet portion, end provided with a valve plate or the like sealing element, performs the valve closure in a tensile load and in the first stop position in a suitable manner.
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.The invention advantageous embodiment of the connection of the second Ankerstößelabschnitts (corresponding to a lower valve member) and the first anchor tappet advantageously causes a clearance compensation between the plungers can be made, especially in this way axial offset, play or the like installation or manufacturing tolerances elegant and easy balanced be because both Ankerstößelabschnitte not exactly axially aligned. Also, this configuration provides ideal conditions for use under wear conditions, as well as wear-related geometric changes, game or the like in this way simply by the Force memory can be compensated or absorbed as a connecting element between the two tappet sections.
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.Advantageously in accordance with the invention, the actuator device is now designed so that, in response to the energization of the stationary coil device, it exerts a repulsive magnetic effect on the permanent magnet means, with the effect that the adhesive force of the permanent magnet means in the first stop position (more precisely: on a stationary pole section provided there) ) is lifted and, advantageously additionally, another, located axially in the direction of movement coil section of the coil device attractively cooperates with the permanent magnet means, with the effect that then the anchor with the armature tappet unit can move from the first stop position.
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.According to the invention, the connection between the armature tappet sections (in the region of the energy accumulator) is advantageously designed for this operating state in such a way that the first armature tappet section exerts a (more preferably pulse-shaped) axial thrust on the second armature tappet section, with the advantageous effect that such an impulse load of the second Ankerstößelabschnitts (or an end-sitting thereon valve disk or the like) can be reliably opened even by a soot or oil bonded valve seat.
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.In a development according to the invention, it is both possible to suitably influence or damp this impulse behavior by means of suitable buffer units which can be provided axially along the plunger unit, as well as by suitable design of the valve disk, such as static, elastic-overturning or the like, a suitable closure mechanism. and opening behavior, in particular in response to the described impulse loading of the second Ankerstößelabschnitts, can be achieved.
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.The monostable device realized according to the invention then leads to the effect that, during energization and due to the thrust action described along the armature plunger unit, a valve disk seated at the end on the second arm plunger portion opens a valve and keeps it open during the energization.
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.At the same time, the device according to the present invention (and also claimed independently) is designed to effectively prevent sticking of the permanent magnet means of the armature unit in this second (opening) position, such as permanent magnetic adhesion to a yoke portion opposite the pole portion or the like by suitable design the permanent magnetic flux guide is suppressed. This then leads to a (purely permanent magnetic) adhesion in the second position is prevented after completion of the energization, but rather by permanent magnetic attraction effect relative to the pole portion a return to the first starting position and thus monostable movement behavior is achieved.
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.In a structurally particularly elegant manner, this is achieved in that a housing involved in flux conduction of the magnetic flux guide is formed in several parts, in particular by means of a radially provided slot between the axially distributed single coil units, so that in the second position no permanent magnetic holding flux is established , Rather, the flux guide is formed in this position so that the permanent magnetic field via a permanent magnet circuit in the direction of the pole portion, ie in the direction of the first stop position is closed, so that after completion of energization then the permanent magnet means by attraction the anchor unit in return the first stop position.
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.Next advantageous during this operation is that preferably designed as a tension spring force storage means between the first and second anchor tappet portion in a spring-elastic manner then take the second anchor tappet portion tolerances compensating and ensure a stable re-closing of the valve seat.
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.While the present invention is particularly suitable for the described application of, for example, a secondary air valve, in which a high closing or sealing force must be ensured with a high magnetic force over a longer portion of the force-displacement curve, the present invention is not on this use limited, but is suitable in principle for any (electromagnetic) Stellaufgabe, even outside a valve operation, in which high actuating and closing forces, especially in conjunction with favorable tolerance compensation, must be realized.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings; these show in:
Die
In der in
Die dünnen Pfeile der
In diesem Betriebszustand übt die Zugfeder
Als Reaktion auf eine Bestromung der Ankereinheit
Im weiteren Verlauf dieser Bewegung erreicht dann, vergleiche die
Die
Dies führt zunächst vorteilhaft dazu, dass sich in der gewünschten monostabilen Weise die Ankereinheit im in der
Entsprechend schließt gemäß Pfeilbewegung
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