DE69825713T2

DE69825713T2 - Elektromagnetischer Betätiger mit Verbundkernanordnung

Info

Publication number: DE69825713T2
Application number: DE69825713T
Authority: DE
Inventors: Hans J. Williamsburg Sailer; James Anthony Nitkiewicz
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 1997-12-09
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: DE69825713D1; EP0923091B1; US6049264A; EP0923091A1; JPH11273945A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor für einen Fahrzeugmotor und spezieller eine Kernbaugruppe eines Aktors vom Magnetspulen-Typ, der eine Vielzahl von geschichteten Blechen und einen sich bewegenden Anker aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein herkömmlicher elektromagnetischer Aktor zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Verbrennungsmotors umfasst im Allgemeinen einen "Öffnungs"- und einen "Schließ"-Elektromagneten, welche, wenn sie erregt werden, eine elektromagnetische Kraft erzeugen, die auf einen Anker einwirkt. Der Anker wird durch ein Paar identischer, parallel angeordneter Federn vorbelastet. Der Anker ist mit einem Gaswechselventil des Motors gekoppelt. Der Anker ruht, wenn sich die Federn im Gleichgewicht befinden, ungefähr in der Mitte zwischen dem Öffnungs- und dem Schließ-Elektromagneten. Wenn der Anker durch eine magnetische Kraft entweder in der geschlossenen oder in der geöffneten Position gehalten wird (am Öffnungs- oder Schließ-Elektromagneten anliegend), wird von den Federn potenzielle Energie gespeichert. wenn die magnetische Kraft abgeschaltet wird, während sich der Anker in der geöffneten Position befindet, wird die potenzielle Energie der Feder in kinetische Energie der sich bewegenden Masse umgewandelt, und sie bewirkt, dass sich der Anker zu dem Schließ-Elektromagneten hin bewegt. Falls die Reibung ausreichend gering ist, kann der Anker dann in der geschlossenen Position "eingefangen" werden, indem Strom an den Schließ-Elektromagneten angelegt wird.
Im Allgemeinen umfasst jeder Elektromagnet eines herkömmlichen elektromagnetischen Aktors eine Vielzahl von geschichteten Blechen, die miteinander verbunden sind und damit den Kern des Aktors definieren. Diese Konstruktion des Kerns bietet den Vorteil eines hohen Wirkungsgrades durch eine Minimierung der Wirbelstromverluste in dem magnetischen Material. Jedoch besteht ein Nachteil dieser Konstruktion darin, dass die spanende Bearbeitung der Bleche in einer zur Ausrichtung der Bleche senkrechten Ebene durchgeführt werden muss, wodurch die Bleche dazu neigen, auseinander gespreizt zu werden. Dies kann eine schlechte Maßhaltigkeit und eine Gratbildung zur Folge haben. Ferner wird im Allgemeinen eine durch den Kern hindurchführende Öffnung zur Aufnahme einer mittels Presspassung eingesetzten Buchse vorgesehen, die zur Abstützung einer eine hin- und hergehende Bewegung ausführenden Welle des Aktors dient. Die Konstruktion des Kerns aus geschichteten Blechen kann die mittels Presspassung eingesetzte Buchse infolge der Spreizung der einzelnen Bleche nicht stützen.
In JP 02 240 473 A wird eine Kernbaugruppe offenbart, die ein Metallplattenmaterial von großer Dicke umfasst, welches zwischen zwei oder mehreren Blechen aus Metallplattenmaterialien angeordnet ist, die dieselbe Umfangsform wie das dicke Metallplattenmaterial aufweisen. Das in der Mitte befindliche dicke Metallplattenmaterial weist eine Öffnung zur Führung einer Welle eines Ankers auf.
In EP 0 795 881 A wird in der Beschreibung des Standes der Technik eine Kernbaugruppe offenbart, die dünne magnetische Platten umfasst, welche sowohl rechts als auch links von einer dickeren zentralen Platte aufgeschichtet sind, wobei in der letzteren Platte ein Loch zum Einsetzen einer Stößelstange ausgebildet ist.
In DE 297 12 502 U wird eine elektromagnetische Aktor-Baugruppe mit einer oberen und einer unteren elektromagnetischen Vorrichtung offenbart. Ein Anker ist zwischen der oberen und der unteren elektromagnetischen Vorrichtung angeordnet und wird von den Vorrichtungen betätigt.
In Anbetracht des angeführten Standes der Technik besteht Bedarf an der Bereitstellung eines elektromagnetischen Aktors mit einer Ankerbaugruppe, welche die Wirbelströme minimiert und trotzdem in der Lage ist, eine Buchse zur Abstützung einer eine hin- und hergehende Bewegung ausführenden Welle, die einen Anker trägt, aufzunehmen, und wobei die Welle so geführt wird, dass sie daran gehindert wird, sich um ihre Längsachse zu drehen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den oben genannten Bedarf zu erfüllen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kernbaugruppe für einen elektromagnetischen Aktor bereitgestellt, wobei die Kernbaugruppe umfasst: eine Vielzahl von geschichteten Blechen, die sich entlang einer Stapelungsachse erstrecken, wobei die besagten Bleche alle im Großen und Ganzen dieselbe Dicke in Richtung der Stapelungsachse aufweisen, und ein massives Kernblechelement mit einander gegenüberliegenden Seiten, wobei das besagte Kernelement im Großen und Ganzen zentral bezüglich der besagten Vielzahl von geschichteten Blechen angeordnet ist, so dass jede Seite des besagten Kernelements ein Blech aus der besagten Vielzahl von Blechen berührt, wobei das besagte Kernelement eine Dicke in Richtung der besagten Stapelungsachse aufweist, die wesentlich größer als die Dicke eines Bleches ist, wobei das besagte Kernelement eine durch es hindurchführende zentrale Öffnung aufweist, die im Großen und Ganzen senkrecht zu der besagten Stapelungsachse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement wenigstens einen sich von dem besagten massiven Element aus in einer im Großen und Ganzen zu der besagten Stapelungsachse senkrechten Richtung erstreckenden Bolzen aufweist, wobei dieser Bolzen dazu dient, ein Verdrehen eines eine hin- und hergehende Bewegung ausführenden Ankers zu verhindern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektromagnetischer Aktor zur Anbringung an einem Zylinderkopf eines Motors bereitgestellt, wobei der Aktor umfasst: einen ersten und einen zweiten Elektromagneten, die in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind, wobei jeder der besagten Elektromagneten eine Kernbaugruppe und eine mit der Kernbaugruppe verbundene Spule aufweist, wobei jede Kernbaugruppe umfasst: eine Vielzahl von geschichteten Blechen, die sich entlang einer Stapelungsachse erstrecken, wobei die besagten Bleche alle im Großen und Ganzen dieselbe Dicke in Richtung der besagten Stapelungsachse aufweisen, ein massives Kernelement mit einander gegenüberliegenden Seiten, wobei das besagte Kernelement im Großen und Ganzen zentral bezüglich der besagten Vielzahl von geschichteten Blechen angeordnet ist, so dass jede Seite des besagten Kernelements ein Blech aus der besagten Vielzahl von Blechen berührt, wobei das besagte Kernelement eine Dicke in Richtung der besagten Stapelungsachse aufweist, die wesentlich größer als die Dicke eines Bleches ist, wobei das besagte Kernelement eine durch es hindurchführende zentrale Öffnung aufweist, die im Großen und Ganzen senkrecht zu der besagten Stapelungsachse angeordnet ist, und eine Buchse in der besagten Öffnung, einen Anker, der so angebracht ist, dass er eine hin- und hergehende Bewegung zwischen den besagten Elektromagneten ausführen kann, und eine Welle, die mit dem besagten, Anker gekoppelt ist und über die besagten Buchsen so abgestützt wird, dass sie eine hin- und hergehende Bewegung ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte massive Kernelement wenigstens einen sich von ihm aus in einer zu der besagten Stapelungsachse senkrechten Richtung erstreckenden Bolzen aufweist und der besagte Anker wenigstens eine Öffnung zur Aufnahme des besagten Bolzens aufweist, so dass der besagte Bolzen den besagten Anker bei dessen Bewegung führen kann.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Kernbaugruppe für einen elektromagnetischen Aktor bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen eines massiven zentralen Kernelements mit einer ersten und einer zweiten Seite und mit einer gewissen Dicke, die zwischen den besagten Seiten definiert ist, wobei der besagte Kern eine Oberseite und eine Unterseite sowie eine sich von der besagten Oberseite zu der besagten Unterseite durch ihn hindurch erstreckende zentrale Öffnung aufweist, Aufschichten einer Vielzahl von Blechen, so dass sie sich von jeder Seite des besagten Kernelements aus nach außen erstrecken, wobei jedes Blech aus der besagten Vielzahl von Blechen eine Dicke aufweist, die wesentlich kleiner als die besagte gewisse Dicke ist, und Verbinden der besagten Vielzahl von Blechen miteinander und mit dem besagten Kernelement, um die besagte Kernbaugruppe zu definieren, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bolzen vorgesehen wird, der sich von dem Kernelement aus in einer zu einer Stapelungsachse senkrechten Richtung erstreckt, und dass in einem Anker wenigstens eine Öffnung zur Aufnahme des besagten Bolzens vorgesehen wird, so dass der besagte Bolzen den besagten Anker bei dessen Bewegung führen kann.
Andere Aufgaben, Merkmale und charakteristische Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Funktionsweisen und Funktionen der zugehörigen Elemente der Konstruktion, die Kombination der Teile und die wirtschaftlichen Aspekte der Fertigung werden beim Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Ansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch besser ersichtlich, wobei all dies Bestandteile dieser Patentbeschreibung sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht eines elektromagnetischen Aktors mit Elektromagnet-Kernbaugruppen, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind; und
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Kernbaugruppe eines unteren Elektromagneten des elektromagnetischen Aktors von 1, die gemäß den Prinzipien einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird auf 1 Bezug genommen; sie zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten elektromagnetischen Aktor mit Elektromagnet-Kernbaugruppen, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind. Der elektromagnetische Aktor 10 umfasst eine allgemein mit 12 bezeichnete obere Gehäusebaugruppe, die einen oberen Elektromagneten 14 enthält, und eine allgemein mit 16 bezeichnete untere Gehäusebaugruppe, die einen unteren Elektromagneten 18 enthält. Die Elektromagneten 14 und 18 umfassen jeweils eine allgemein mit 20 bezeichnete Kernbaugruppe und eine Spulenbaugruppe 22. Ein im Großen und Ganzen rechteckiger Anker 24 ist so angeordnet, dass er eine Bewegung zwischen den Elektromagneten 14 und 18 ausführen kann. Der Anker 24 wird von einer eine hin- und hergehende Bewegung ausführenden Welle 26 getragen. Die Welle 26 ist so gestaltet, dass sie auf herkömmliche Weise mit einem Schaft eines Gaswechselventils (nicht dargestellt) eines Motors eines Fahrzeugs gekoppelt werden kann. Ein Paar einander entgegenwirkender Federn ist auf herkömmliche Weise mit dem Anker 24 verbunden. Eine Feder 27 ist in 1 dargestellt. Die andere Feder (nicht dargestellt) ist in der Nähe des Ventils des Zylinders angeordnet.
Die Erfindung wird nun für den unteren Elektromagneten 18 beschrieben. Es ist jedoch leicht einzusehen, dass die Prinzipien der Erfindung ebenso auf die Konstruktion des oberen Elektromagneten 14 anwendbar sind. Somit wird auf 2 Bezug genommen; sie zeigt die Kernbaugruppe 20, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Die Kernbaugruppe 20 umfasst eine Vielzahl von Blechen 28, die entlang einer Stapelungsachse A aufgeschichtet sind. Die Bleche besitzen in Richtung der Stapelungsachse A im Großen und Ganzen ein und dieselbe Dicke B und bestehen vorzugsweise aus weichem magnetischem Material M15 C5, Dicke 29 (29 gage). Es können jedoch auch andere geeignete Werkstoffe mit verschiedenen Dicken für die Bleche verwendet werden. Zwei Bleche aus der Vielzahl von Blechen 28 berühren einander gegenüberliegende Seiten 31 und 33 eines massiven zentralen Kernelements 30, so dass das Kernelement 30 im Großen und Ganzen zentral zwischen der Vielzahl von Blechen 28 angeordnet ist. Die einzelnen Bleche 28 sind im Großen und Ganzen E-förmig, wodurch Kanäle 32 zur Aufnahme der zugehörigen Spulenbaugruppe 22 (1) definiert werden.
Gemäß der Erfindung besitzt das massive zentrale Kernelement 30 Seiten 31 und 33, eine Oberseite 38 und eine Unterseite 40. Eine Dicke C des Kernelements 30, die zwischen den Seiten 31 und 33 oder in Richtung der Stapelungsachse definiert ist, ist wesentlich größer als eine Dicke B der einzelnen Bleche 28. Das zentrale Kernelement 30 ist ebenfalls E-förmig, besteht aus Silizium-Eisen und besitzt eine Dicke C von ca. 8–12 mm. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht das zentrale Kernelement 30 aus Silizium-Eisen mit 2,5% Silizium und besitzt eine Dicke von ca. 10 mm. Das Kernelement 30 weist außerdem eine durch es hindurchführende zentrale Öffnung 32 auf, die sich von der Oberseite 38 bis zur Unterseite 40 erstreckt. Die Öffnung 32 nimmt eine Buchse 34 auf, die mittels Presspassung in ihr angebracht ist. Folglich ist die Öffnung 32 im Großen und Ganzen senkrecht zur Stapelungsachse A angeordnet. Die Buchse 34 stützt die eine hin- und hergehende Bewegung ausführende Welle 26 (1) ab. Das Kernelement 30 kann außerdem eine oder mehrere Öffnungen 36 zur Aufnahme eines Stützbolzens 37 aufweisen. Der (bzw. die) Stützbolzen wird (werden) in Öffnungen im Anker 24 aufgenommen, um für eine zusätzliche Abstützung des eine hin- und hergehende Bewegung ausführenden Ankers 24 zu sorgen und somit ein Verdrehen desselben zu verhindern.
Die Bleche 28 und das Kernelement können mittels einer Schweißnaht 42 auf jeder Seite desselben aneinander befestigt sein.
Es ist leicht einzusehen, dass die Bleche 28 auch auf eine beliebige andere herkömmliche Art und Weise verbunden sein können, wie zum Beispiel durch eine Verriegelung oder mechanische Stauchungs-Anordnung, durch Kleben, Nieten oder eine Kombination dieser Verfahren. Nach dem Zusammenbau werden die Seiten 38 und 40 der Kernbaugruppe spanend bearbeitet, so dass sie im Wesentlichen parallel sind.
Durch Öffnungen 41 in der Kernbaugruppe 20 hindurch sind Bolzen 39 angeordnet, die zur Befestigung der Kernbaugruppe 20 an der Gehäusebaugruppe 16 dienen.
Es ist leicht zu erkennen, dass bei der zusammengesetzten Konstruktion der Kernbaugruppe gemäß der Erfindung die geschichteten Bleche 28 durch die Minimierung der Wirbelstromverluste für einen Kern mit hohem Wirkungsgrad sorgen, während das massive Kernelement eine einfache spanende Bearbeitung der Seiten 38 und 40 ermöglicht und eine gute Abstützung für das mittels Presspassung angebrachte Lager 34 gewährleistet, das in der Öffnung 32 des Kernelements 30 angeordnet ist. Das massive Kernelement 30 kann Ölkanäle enthalten, zwecks Schmierung des Lagers 34 über eine Ölleitung 43.

Claims

Kernbaugruppe für einen elektromagnetischen Aktor, wobei die Kernbaugruppe (20) umfasst: eine Vielzahl von geschichteten Blechen (28), die sich entlang einer Stapelungsachse (A) erstrecken, wobei die besagten Bleche alle im Großen und Ganzen dieselbe Dicke (B) in Richtung der Stapelungsachse aufweisen, und ein massives Kernblechelement (30) mit einander gegenüberliegenden Seiten (31, 33), wobei das besagte Kernelement im Großen und Ganzen zentral bezüglich der besagten Vielzahl von geschichteten Blechen angeordnet ist, so dass jede Seite des besagten Kernelements ein Blech aus der besagten Vielzahl von Blechen berührt, wobei das besagte Kernelement eine Dicke (C) in Richtung der besagten Stapelungsachse aufweist, die wesentlich größer als die Dicke eines Bleches ist, wobei das besagte Kernelement eine durch es hindurchführende zentrale Öffnung (32) aufweist, die im Großen und Ganzen senkrecht zu der besagten Stapelungsachse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement wenigstens einen sich von dem besagten massiven Kern aus in einer im Großen und Ganzen zu der besagten Stapelungsachse senkrechten Richtung erstreckenden Bolzen (37) aufweist, wobei dieser Bolzen dazu dient, ein Verdrehen eines eine hin- und hergehende Bewegung ausführenden Ankers (24) zu verhindern.
Kernbaugruppe nach Anspruch 1, welche ferner eine in der besagten ersten Öffnung angeordnete Buchse (34) umfasst.
Kernbaugruppe nach Anspruch 1, wobei jedes der besagten Bleche sowie das besagte Kernelement im Großen und Ganzen E-förmig sind.
Kernbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das besagte Kernelement aus Silizium-Eisen besteht.
Kernbaugruppe nach Anspruch 1, wobei Seiten der besagten Kernbaugruppe, welche senkrecht zu der besagten Stapelungsachse sind, spanend bearbeitet sind, so dass sie im Wesentlichen parallel sind.
Elektromagnetischer Aktor zur Anbringung an einem Zylinderkopf eines Motors, wobei der Aktor (10) umfasst: einen ersten und einen zweiten Elektromagneten (14, 18), die in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind, wobei jeder der besagten Elektromagneten eine Kernbaugruppe (20) und eine mit der Kernbaugruppe verbundene Spule (22) aufweist, wobei jede Kernbaugruppe umfasst: eine Vielzahl von geschichteten Blechen (28), die sich entlang einer Stapelungsachse (A) erstrecken, wobei die besagten Bleche alle im Großen und Ganzen dieselbe Dicke (B) in Richtung der besagten Stapelungsachse aufweisen, ein massives Kernelement (30) mit einander gegenüberliegenden Seiten (31, 33), wobei das besagte Kernelement im Großen und Ganzen zentral bezüglich der besagten Vielzahl von geschichteten Blechen angeordnet ist, so dass jede Seite des besagten Kernelements ein Blech aus der besagten Vielzahl von Blechen berührt, wobei das besagte Kernelement eine Dicke (C) in Richtung der besagten Stapelungsachse aufweist, die wesentlich größer als die Dicke eines Bleches ist, wobei das besagte Kernelement eine durch es hindurchführende zentrale Öffnung (32) aufweist, die im Großen und Ganzen senkrecht zu der besagten Stapelungsachse angeordnet ist, und eine Buchse (34) in der besagten Öffnung, einen Anker (24), der so angebracht ist, dass er eine hin- und hergehende Bewegung zwischen den besagten Elektromagneten ausführen kann, und eine Welle (26), die mit dem besagten Anker gekoppelt ist und über die besagten Buchsen so abgestützt wird, dass sie eine hin- und hergehende Bewegung ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte massive Kernelement wenigstens einen sich von ihm aus in einer zu der besagten Stapelungsachse senkrechten Richtung erstreckenden Bolzen (37) aufweist und der besagte Anker wenigstens eine Öffnung zur Aufnahme des besagten Bolzens aufweist, so dass der besagte Bolzen den besagten Anker bei dessen Bewegung führen kann.
Elektromagnetischer Aktor nach Anspruch 6, wobei jedes der besagten Bleche sowie das besagte Kernelement im Großen und Ganzen E-förmig sind.
Elektromagnetischer Aktor nach Anspruch 7, wobei die besagte zentrale Öffnung in einem mittleren Schenkel der besagten E-Form angeordnet ist.
Elektromagnetischer Aktor nach Anspruch 6, wobei das besagte Kernelement aus Silizium-Eisen besteht.
Elektromagnetischer Aktor nach Anspruch 6, wobei Seiten der besagten Kernbaugruppe, welche senkrecht zu der besagten Stapelungsachse sind, spanend bearbeitet sind, so dass sie im Wesentlichen parallel sind.
Verfahren zum Herstellen einer Kernbaugruppe für einen elektromagnetischen Aktor, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen eines massiven zentralen Kernelements (30) mit einer ersten und einer zweiten Seite (31, 33) und mit einer gewissen Dicke (C), die zwischen den besagten Seiten definiert ist, wobei der besagte Kern eine Oberseite und eine Unterseite (38, 40) sowie eine sich von der besagten Oberseite zu der besagten Unterseite durch ihn hindurch erstreckende zentrale Öffnung (32) aufweist, Aufschichten einer Vielzahl von Blechen (28), so dass sie sich von jeder Seite des besagten Kernelements aus nach außen erstrecken, wobei jedes Blech aus der besagten Vielzahl von Blechen eine Dicke (B) aufweist, die wesentlich kleiner als die besagte gewisse Dicke (C) ist, und Verbinden der besagten Vielzahl von Blechen miteinander und mit dem besagten Kernelement, um die besagte Kernbaugruppe zu definieren, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bolzen (37) vorgesehen wird, der sich von dem Kernelement aus in einer zu einer Stapelungsachse (A) senkrechten Richtung erstreckt, und dass in einem Anker wenigstens eine Öffnung zur Aufnahme des besagten Bolzens vorgesehen wird, so dass der besagte Bolzen den besagten Anker bei dessen Bewegung führen kann.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das besagte Verbinden das Ausführen einer Schweißung entlang der Stapelungsrichtung der besagten Bleche beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner eine spanende Bearbeitung der Ober- und Unterseite der besagten Kernbaugruppe beinhaltet, so dass diese im Wesentlichen parallel sind.
Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner das Anbringen einer Buchse in der besagten Öffnung im Kernelement beinhaltet.