EP1131540A1 - Elektromagnetischer antrieb - Google Patents

Elektromagnetischer antrieb

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EP1131540A1
EP1131540A1 EP99958043A EP99958043A EP1131540A1 EP 1131540 A1 EP1131540 A1 EP 1131540A1 EP 99958043 A EP99958043 A EP 99958043A EP 99958043 A EP99958043 A EP 99958043A EP 1131540 A1 EP1131540 A1 EP 1131540A1
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EP
European Patent Office
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electromagnetic drive
drive according
armature
lever
valve
Prior art date
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EP99958043A
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EP1131540B1 (de
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Heinz Leiber
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Individual
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Publication of EP1131540B1 publication Critical patent/EP1131540B1/de
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F01L9/21Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2105Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids comprising two or more coils
    • F01L2009/2109The armature being articulated perpendicularly to the coils axes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2305/00Valve arrangements comprising rollers

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic drive with the features of the preamble of claim 1.
  • the primary goal in the design of such drives is to achieve the lowest possible losses in the air gap and in the iron circuit of the electromagnets and the lowest possible weight of the movable mass.
  • an integration of the armature into a pivotable armature lever was carried out in accordance with the prior art mentioned. Since, according to the physical laws, the mass of a rotation system is related to the square of the translation, the ratio of the distance of the armature from the pivot point of the lever to the distance of the action on the element to be driven from the pivot point less than 1 was also selected.
  • the invention is based on the object of providing a further possibility for reducing the electrical losses of the drive and the weight of the moving mass.
  • the patent claim 1 includes drives according to the state of the art, but also known drives, the armature of which performs a linear movement.
  • the at least one electromagnet mentioned in claim 1 must have at least one active, i.e. Have lifting pole.
  • the armature is preferably driven by two electromagnets, but, as will be shown later, the drive can also be implemented by means of a winding which works practically alternately with different poles.
  • the electromagnet is preferably bipolar, but electromagnets with more than two poles are also conceivable, e.g. B. also pot magnets.
  • a design is also possible in which only one of the poles is active, that is to say direct attraction of the armature causes lifting work, while the other pole only provides information about the armature mounting.
  • a solution with an electromagnet and an active pole is conceivable. The following considerations led to the dimensioning of the drive according to the invention.
  • the anchor mass is determined by the requirements for maximum driving force.
  • the limiting variable here is the force flux density in the iron circle, at which saturation occurs.
  • the anchor dimensioning is determined by the total yoke width and the yoke length.
  • the entire yoke width is in turn determined by the distance between the two legs, which is dimensioned from the point of view of magnetic scattering losses. Overall, the entire yoke width should be kept as small as possible.
  • the anchor thickness corresponds approximately to the width of the yoke leg. It is now possible to optimize the anchor weight by choosing the yoke width as narrow as possible with the greatest possible yoke depth. In order to minimize the weight, there is a ratio of yoke depth to total yoke width, which is unusual for magnets.
  • the magnet By dimensioning a long magnet, the magnet can be oversized in the force balance, which has particular advantages, for example for the opening magnet of the outlet valve or the closing magnet of the inlet valve, which have to overcome the gas forces.
  • the torsion bar In the known system with anchor lever mentioned at the outset, the torsion bar is also used as a bearing for the anchor lever. The torsion bar experiences an additional strain.
  • the anchor is connected via one or more anchor levers to a tube which is supported at least on both sides and absorbs the bearing forces.
  • the torsion bar can be located inside the tube and it is completely relieved of additional bending forces.
  • the system In addition to the linear expansion of the valve and the cylinder head, the system must be adjustable to relatively large tolerances of the valve, the valve seat, the cylinder head and the housing of the actuator.
  • the housing can be rotated about the axis of rotation of the anchor tube or also of the torsion bar or about an axis of rotation further from the anchor.
  • the housing is in a bed and is fixed by a resilient counter bearing. The adjustment is done e.g. B. by two nuts, one mother is the so-called anvil and is adjusted for adjustment and the second nut is used for detection.
  • a further optimization consists in designing the magnetic circuit in such a way that grain-oriented material can be used, which is inexpensive and only saturates at force flux densities of around 1.9 Teslar. Normal magnetic material has a force flux density of 1.4 Teslar when saturation begins. This enables a considerable increase in force per unit area, which results in smaller magnets and lower armature masses.
  • a long magnet with a large pole area has disadvantages in terms of inductance and thus time behavior; therefore it is proposed to split the yoke leg and two Use coils.
  • the described design of the long magnet also has the advantage that the overall width is relatively small, which in turn allows a relatively low cylinder head.
  • Coil design is a cost-driving factor.
  • the yoke is divided to insert the coil into the magnetic circuit, which means losses at the joints.
  • the coils are designed so that they can be inserted in the window between the two yoke legs. The maximum width is dimensioned accordingly.
  • a particular problem is the requirement for a small time constant in the case of relatively large magnets with a corresponding inductance.
  • a small time constant is required for position control in order to ensure that the valve touches down at a low speed.
  • the magnetic circuit reacts quickly to the corresponding control signals.
  • This is achieved in that, as mentioned above, several coils are used due to the yoke subdivision and are connected in parallel. For example, four coils can be provided, which are connected together by parallel connection. Since these coils have the same time constant in comparison to a coil, the necessary flooding is achieved in four coils in less than a quarter of the time.
  • the task of the magnets is to apply the lifting work to cover the mechanical and gas losses.
  • the armature should achieve a closed or an open valve position in its end positions. Over 70 percent of the work cycle is used for the closed position. In order to keep the necessary holding energy small, the coil current is clocked. However, a separate holding coil can also be used. This holding coil with a correspondingly large number of turns enables the holding energy ie drastically reduce performance. In order to make the heat dissipation inexpensive, the coils are relatively thin and have a relatively large surface due to the advantages of the long magnet. In addition, full pieces can be placed between the yoke and the coil former for better heat dissipation. These full pieces can be laminated and made of a good heat-conducting material, but magnetic material can also be used to reduce iron losses. There is also a combination of both options. The coils are preferably embedded in the base body, they can also be cast in there if necessary.
  • a major problem is mastering the different lengths that cylinder head and valve experience during heating.
  • hydraulic elements are often used to compensate for play or magnets with a large air gap are used.
  • the hydraulic play compensation elements are very complex and are limited in the play compensation, since otherwise there is a risk that the drive is operated outside of its central position.
  • an overstroke spring according to the prior art mentioned at the beginning can also be used.
  • the overstroke is relatively small, e.g. B. limited to a few tenths and does not have a very strong effect on the holding energy with a relatively small transmission ratio from the magnet to the valve axis.
  • This Uberhubfeder has the advantage that when placing, d. H. Essentially only closing the valve mass as
  • the remaining mass is decoupled by the overtravel spring.
  • the overstroke spring is preferably designed in such a way that a large part of the mass components are seated on a small lever arm and therefore do not directly affect the effective effective mass.
  • the magnet can be moved to a smaller residual air gap.
  • the residual air gap must be dimensioned so large that it can cope with valve wear and temperature expansion without the armature resting fully. If the armature rests before the valve closes, there would be no valve tightness.
  • Fig. La a detail of Fig. 1;
  • Fig. 2a u. 2b the construction and storage of the anchor
  • Fig. 3 shows the electromagnetic drive of the
  • an anchor lever 1 is connected to a pipe section 2. It transmits the forces for actuating the valve via an overtravel spring 3 to the bearing housing 1f with a bearing 4 to the valve stem 6.
  • the valve stem has a flexible valve stem part 6a.
  • the Uberhubfeder 3 requires a bias; this can be set using an adjusting piece, for example an eccentric 5.
  • a second stop 5a limits the overstroke.
  • the function of the Uberhubfeder ⁇ is described in more detail in the prior art mentioned at the beginning.
  • the magnet systems consist of a closing magnet 7 and an opening magnet 8.
  • the opening magnet 8 is designed to be larger than the closing magnet, because it has to generate a greater amount of lifting work for overcoming the gas forces when opening the outlet valve.
  • the two magnetic yokes are made in one piece and made of grain-oriented material, which enables low iron losses with high power flux densities. In zones with a change of direction of the yoke, the yoke can spread out to larger cross sections. It is possible to work in the yoke legs with a smaller cross-section and the grain-oriented optimal flow direction.
  • the magnets each have two double coils 9 and 10. These double coils are present twice per yoke leg when the yoke is divided. The double coils are connected in parallel to enable a lower inductance and thus to get a faster time behavior. However, they can also be operated as individual coils or in series.
  • Fig. 4 shows two possible yoke designs with a divided 7c and a closed leg 7b.
  • the divided leg parts are made of two double coils 13 and 13a.
  • One or two power amplifiers can be used for this.
  • the coils are connected in parallel. However, it is also conceivable for these to be closed briefly in whole or in part in order to brake the armature.
  • a holding coil 13c is accommodated thereon.
  • the magnets 7 and 8 are each fixed in FIG. 1 via a centering pin 12. This protrudes on both sides into two housing plates, of which only the rear 13 is visible.
  • the magnets are clamped over relatively long bolts 14, the bolt between the yokes not being magnetic.
  • the bracing takes place after the magnetic yoke is adapted to the armature so that homogeneous air gaps are created.
  • a better heat dissipation for the magnetic coils is achieved by designing the plates accordingly. So that good heat dissipation takes place on both sides, the coils are embedded by corresponding elevations 15 of the base plates 13 and 13a.
  • the entire drive is supported on both sides in bearing shells consisting of webs 20 of the actuator box 21. This web is shown in dashed lines behind the magnet 8.
  • the counter bearing is formed by corresponding cutouts in the housing 13.
  • the resilient counter bearing 22 is fastened to the actuator box 21 with two screws 23. All drives of a cylinder bank are housed in this actuator box.
  • the housing 21 is adjusted and fixed using two nuts.
  • This arm is shown in dashed lines behind the valve stem 6, 6a and the centering of the valve fork 6b and is shown enlarged in FIG.
  • the extension arm 24 of the housing 13 is clamped by two nuts 25. For adjustment, these are rotated on the screw 26 until the correct adjustment of the valve and armature position is ensured via the stroke sensor 27. The upper nut is locked for fixation.
  • z. B two screws conceivable, the first screw forming the anvil for the housing and the second screw being used for the determination.
  • a torsion spring 16 lies in the bore of the anchor tube 2.
  • the anchor is shown in more detail in FIGS. 2a and 2b.
  • FIG. 2a and 2b show the anchor tube 2 shown in section. It is connected in Fig. 2a with three lever parts lb to ld representing the armature lever. These three lever parts comprise the armature 17 shown.
  • This armature 17 is interrupted by a valve actuation unit 18, which essentially consists of the overtravel spring 3, the bearing housing 1 a and the bearing 4. Armature 17 and valve actuation unit 18 are welded to the lever parts.
  • the tube 2 is mounted on both sides on parts 19 and 19a of the housing plates 13 and 13a according to FIG. 1 to absorb the relatively large anchor forces. Rolling bearings are preferably used and the bearings are designed as external bearings.
  • the torsion bar 16 (torsion spring) running in the tube 2 can be completely relieved of bending loads. It is connected to pipe 2 on one side (left) and clamped in part 19a on the other side. There is no axial play here.
  • the length (depth) 1 and the width b of the anchor are shown in FIG. 2a.
  • the magnetic yokes opposite the armature have corresponding dimensions.
  • FIG. 2b shows a simplified embodiment of the anchor fastening.
  • the two anchor parts 17 are welded here with only one anchor lever le and the tube 2.
  • the welds are characterized in the usual way by wedge-shaped, dark notches.
  • the anchor lever corresponds to Fig. 5a.
  • Fig. 3 shows the arrangement in perspective.
  • the armature tube 2 is connected to the magnetically conductive armature levers 1b to 1d.
  • the joints that are made by welding can also be seen here. So that the magnetic flux of the two magnets is not influenced by the armature tube 2, this is preferably made of non-conductive or non-conductive or non-magnetic material.
  • the anchor tube 2 is mounted in the bearings 19 and 19a and receives the torsion bar 16.
  • the long magnet 7 can be seen, which is cut open in the front part to show the valve joint 4.
  • the magnet 7 shows a recess 20a for the interruption of the yoke for the introduction of two double coils.
  • This recess is also useful for the overtravel spring, which projects into the yoke during the lifting movement.
  • the anchor is also designated 17 here.
  • a magnetically conductive filler can also be used.
  • the anchor is drawn at a distance from the anchor tube 2. However, this can also rest directly on the anchor tube, as shown in FIGS. 2a and 2b.
  • Fig. 5 shows an alternative valve actuation.
  • the valve is, as is known from the prior art, via a Compression spring 30 pressed towards the closed position.
  • the torsion bar 16 acts against the compression spring.
  • the spring forces are in balance.
  • the power transmission takes place via a roller 31 equipped with a roller bearing, which is connected to the armature lever 1c. This is designed to be slightly springy due to its legs in order to reduce the impact forces when it is placed on the valve stem.
  • a compression spring 32 articulated on a relatively small lever arm can additionally be used.
  • 5a shows, instead of the roller, a slide 33 which is welded into the anchor and which may be surface-coated at the slide. This part is also designed to be resilient to reduce the impact load.
  • the compression spring support can be stored in a ball bearing 34.
  • FIGS. 5 and 5a and 5b do not require any bending zones in the valve stem, because they can compensate for the offset caused by the pivoting of the lever 1c.
  • the upper valve stem part 35 is made of material with low temperature expansion, e.g. B. invar steel and flanged or welded to the valve stem 36.
  • the hollow valve stem 36/37 filled with sodium Due to the temperature compensation, the difference between the roller 31, or slide 33 and valve stem 36/37 between the cold and warm valve is significantly lower, so that the impact speed of the roller 31 and thus the bearing load and the holding energy are significantly lower.
  • Fig. 5c includes a slider 39 which is rotatably mounted on a shaft 39a.
  • This slider corresponds to the conventional cam drive via swivel lever.
  • This can also be mounted in a spherical cap in order to fully adapt to the valve stem head.
  • This slider preferably has a slight clamping so that a small surface pressure arises when it is put on when opening the valve.
  • FIG. 6 differs from FIG. 5 only by a different design of the poles 40 of the opening magnet 41 and a matching design of the armature 42.
  • the poles 40 are stepped, here with two steps.
  • the armature 42 has a corresponding step on the side facing the opening magnet in such a way that the armature 42 fits into the opening of the stepped poles while maintaining small air gaps.
  • the widths and depths 40a and 42a of the poles 40 and the armature 42 are essential for the good effect of the magnet 41. Characteristic curve formation is possible with the result that the lifting force of the magnets is considerably higher with large air gaps.
  • This design of the magnet 41/42 is of particular importance when mounting the armature by means of the roller bearing, since relatively large transverse forces arise in the armature due to tolerances.
  • 7 shows a corresponding design of the poles of the closing magnet 50 and 50a of an outlet valve drive and the associated armature 52.
  • the yokes and the armatures of the opening and closing magnets of an actuator, in particular of the exhaust valve drive, can be designed with the above-mentioned characteristic shaping.
  • FIG. 8 shows different versions with a second rotary tube connected in parallel.
  • Fig. 8a the acting on the valve stem 6 lever 1, the armature 17, the bearing tube 2 and the torsion bar 16.
  • a second torsion bar 16a with bearing tube 2a and a lever le are provided, the spring forces of this torsion bar 16e being bundled with the forces of the torsion spring 16 via a connecting member 60.
  • a valve spring 30 acts on the valve stem and the armature movement is transmitted to the valve by a slide 33.
  • a connecting member 60 transmits the forces of the second torsion spring 16a to the lever 1.
  • valve spring 30 is replaced by the torsion bar spring 16a, which engages under the valve stem head 61 via the connecting member 60.
  • the torsion spring 16 acts on the valve stem via a slider.
  • the connecting member is not rotatably mounted on the lever 1c, but is rigidly connected to it.
  • the transmission member is a leaf spring 60a, which also engages under the valve stem plate 61.
  • the second lever 1c is not supported on a tube.
  • a bearing part 63 is connected on the one hand to the tube 2 of the torsion spring 16 and on the other hand to a bearing point of the torsion bar 16a. The transverse forces are supported on a bearing point 64.
  • Fig. 9 shows an arrangement in which a main lever 70 is pivoted by a secondary lever 71 by the two electromagnets 72 and 73.
  • the levers 70 and 71 are connected to the tube 74, in the interior of which the torsion spring 75 is accommodated.
  • the secondary lever 71 carries the armature or represents the armature. It is designed as a long magnet.
  • valve stem 76 takes place, similarly to FIG. 1, via an overstroke spring 78 attached to the main lever 70 at 77, which is located at the front end of the
  • Main lever 70 two stops 79 are assigned to limit deflection.
  • a bending zone 76a is provided in the valve stem.
  • This arrangement has an extremely low overall height, makes better use of the magnet length, has a low weight and there is a decoupling of the overtravel spring from the armature lever.
  • FIG. 10a and 10b show two electromagnetic drives in which the armature is not pivoted but is moved up or down by the electromagnets.
  • Fig. 10b the magnets 80 and 81 are twice as long as in Fig. 10a and a corresponding armature 82 is provided.
  • the magnets and armatures in both figures are designed for the same power flux density. The following dimensions apply:
  • Anchor height h b / 2 b / 4
  • Anchor volume (2b + 2K) L x b / 2 (b + 2K) 2L x b / 4
  • an anchor weight of 72g resulted with a design according to FIG. 10a and an anchor weight of only 47g with a design according to FIG. 10b.
  • the drive may need to be installed at an angle in the motor due to lack of space.
  • the yokes of the electromagnets, which are deeply designed according to the invention, and according to the armatures, which are deeply designed according to the invention need not be formed in one piece, but can also be composed of two or more parts; the magnets can also be composed of a plurality of partial magnets, it being possible for one or more anchors to be provided.
  • a torsion bar is provided for generating at least part of the spring forces.
  • the two spring forces, for. B. to generate by coil springs.
  • a spring arranged in the valve axis then acts on the lever 1c from above. This results in a lower load on the lever bearing.
  • 11a shows two three-pole electromagnets 100 and
  • FIG. 101 which face the anchor 102.
  • 11b and 11c show views of the magnetic poles.
  • the winding 103 can be designed according to FIG. 11b or as a pot winding according to FIG. 11c.
  • Fig. Lld again two three-pole electromagnets are shown, here a pole 104 is not active, so does not contribute to the lifting work. Analogously, it is also possible to design the electromagnets as two-pole and then to use only one active pole.
  • FIG. 11f shows a combination of FIG. 11 with the use of only one active pole.
  • the magnetic circuit 110 of FIG. 11g corresponds to an E core corresponding to FIGS. 11a and 11b.
  • the pole spacing of the outer legs 111 and 112 is as small as possible in order to keep the width 113a of the armature 113 small.
  • the outer magnetic circuit 115 and 116 is widened to reduce the stray fluxes between the middle leg 114 and the outer legs and to represent a large winding space.
  • the middle leg 114 is preferably made of grain-oriented material and is by positive engagement, for. B. dovetail guide 117 inserted into the yoke or welded to it.
  • the armature thickness in the case of the E-magnet corresponds approximately to that of the outer legs 115 and 116, which in turn has approximately 50% of the width of the middle leg 114.
  • the thickness of the armature 113 is only about 50% of the armature thickness of a U magnet.
  • the pole spacing is larger with the E magnet than with the U magnet. This disadvantage can be reduced by the measure of the pole widening.
  • the effective weight saving with this magnet shape is approx. 40% compared to the U magnet.
  • Another advantage is the use of the middle leg 113 as the core of the winding 119. This is particularly advantageous in the case of tape reels. An excellent fill factor can be achieved in this way. This is essential since the power loss of the coil depends very much on the angular space and fill factor.

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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. 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

Elektromagnetischer Antrieb
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein derartiger Antrieb ist aus der DE 197 120 63 AI, 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 wurde 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 Verminderung 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. Vorzugsweise sind der, bzw. die Elektroma- gnete zweipolig ausgebildet, jedoch sind auch Elektromagnete mit mehr als zwei Polen denkbar, z. B. auch Topfmagnete. Bei zweipoliger 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 einem 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 maximaler Antriebskraft. Die begrenzende Größe ist hier die Kraftflußdichte im Eisenkreis, bei der Sättigung eintritt. Die Ankerdimensionierung wird bestimmt durch die gesamte Jochbreite und die Jochlänge. Die gesamte Jochbreite wird wiederum bestimmt durch den Abstand zwischen den beiden Schenkeln, der nach den Ge- Sichtspunkten von magnetischen Streuungsverlusten dimensioniert wird. Insgesamt soll die gesamte Jochbreite möglichst klein gehalten werden. Die Ankerdicke entspricht ungefähr der Breite des Jochschenkels. Nun ist eine Optimierung des Ankergewichts dadurch möglich, daß die Joch- breite 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 Magnete. 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 Öffnungsmagneten des Auslaßventils oder den Schließmagneten des Einlaßventils, welche die Gaskräfte zu überwinden haben. Bei dem eingangs erwähnten, bekannten System mit Ankerhebel wird der Drehstab zugleich als Lagerstelle für den Ankerhebel verwendet. Dabei erfährt der Drehstab eine zusätzliche Bie- gebelastung. Bei der Dimensionierung eines langen Magneten mit entsprechend langem Anker, gemäß der Erfindung ist dies nicht möglich; daher wird, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Anker über einen oder mehrere Ankerhebel mit einem Rohr verbunden, welches zumindest beidseitig gelagert ist und die Lagerkräfte aufnimmt. Der Drehstab kann sich im Inneren des Rohres befinden und er ist völlig entlastet von zusätzlichen Biegekräften.
Neben der Längenausdehnung des Ventils und des Zylinder- kopfes muß das System justierbar sein auf relativ große Toleranzen des Ventils, des Ventilsitzes, des Zylinderkopfs und des Gehäuses des Antriebs. Hierzu wird vorgeschlagen, daß das Gehäuse 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 damit dem Zeitverhalten; daher wird vorgeschlagen, den Jochschenkel zu teilen und zwei Spulen einzusetzen. Die beschriebene Bauform des langen Magneten hat außerdem 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 relativ 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 geschaltet 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 geschlossene 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 Windungszahl läßt sich die Halteenergie, d. h. die Leistung drastisch reduzieren. Um die Warmeabfuhr gunstig zu gestalten sind die Spulen relativ dünn und durch die Vorteile des langen Magneten mit relativ großer Oberflache versehen. Zusätzlich können Fullstucke zwischen Joch und Spulenkorper zur besseren Warmeabfuhr eingebracht werden. Diese Fullstucke können lamelliert und aus gut wärmeleitenden Material sein, aber es kann auch Magnetmaterial zur Reduzierung der Eisenverluste verwendet werden. Es ist auch eine Kombination von beiden Möglichkeiten gegeben. Die Spulen sind vorzugsweise in den Grundkorper eingebettet, sie können fallweise auch dort eingegossen werden.
Ein großes Problem besteht in der Beherrschung der unterschiedlichen Langenausdehnungen, die Zylinderkopf und Ventil wahrend der Aufheizung erfahren. Nach dem Stand der Technik werden häufig hydraulische Elemente zum Spielausgleich eingesetzt 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 Uberhubfeder nach dem eingangs erwähnten Stand der Technik verwendet werden. Bei zusatzlicher Verwendung einer Temperaturkompensation im Gehäuse oder im Ventil ist der Uberhub relativ gering, z. B. auf wenige Zehntel beschrankt und wirkt sich bei einem relativ kleinen Übersetzungsverhältnis vom Magnet zur Ventilachse nicht sehr stark auf die Halteenergie aus . Diese Uberhubfeder hat den Vorteil, daß beim Aufsetzen, d. h. Schlie- ßen des Ventils im Wesentlichen nur die Ventilmasse als
Stoßbelastung wirkt. Durch die Uberhubfeder ist die restliche Masse abgekoppelt. Vorzugsweise wird die Uberhubfeder so gestaltet, daß ein Großteil der Massenanteile auf kleinem Hebelarm sitzt und damit nicht direkt m die ef- fektive Masse eingeht. Gleichzeitig kann der Magnet auf kleineren Restluftspalt gefahren werden. Der Restluftspalt muß so groß bemessen werden, daß er auftretenden Ventilverschleiß und eine Temperaturausdehnung ver- kraftet, 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 Ma- gnetkraft 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 Ventildruckfeder zu entkuppeln. Hierbei kann die Torsionsfeder und/oder eine Zug- oder Druckfeder die notwendige Gegenkraft liefern. Diese Lösungen bieten Vorteile in der Montage, sind aber nachteilig wegen größeren bewegten Massen, höheren Magnetkräften und höherem Energiebedarf .
Anhand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
zeigen :
Fig. 1: eine Seitenansicht eines elektromagnetischen Antriebs;
Fig. la: ein Detail der Fig. 1;
Fig. 2a u. 2b: den Aufbau und die Lagerung des Ankers;
Fig. 3 den elektromagnetischen Antrieb der
Fig.l in perspektivischer Darstellung;
Fig. 4: die möglichen Ausbildungen der Joche eines Elektromagneten;
Fig.5, 5a u. 5b alternative Antriebsmöglichkeiten für und 5c: den Ventilschaft;
Fig. 6 und 7: besondere Ankerausbildungen
Fig. 8: verschiedene Anordnungen mit zwei Tor- sionsfedern;
Fig. 9: einen anderen Aufbau eines elektromagnetischen Antriebs;
Fig. 10a u. 10b: die Gegenüberstellung zweier Antriebe mit linearer Ankerbewegung einmal mit kurzen und einmal mit langem (tiefem)
Anker und entsprechenden Elektromagneten.
Fig. 11a bis 11g: 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 Uberhubfeder 3 auf das Lagergehäuse lf mit einem Lager 4 auf den Ventilschaft 6. Der Ventilschaft weist ein biegsames Ventilschaftteil 6a auf. Die Uberhubfeder 3 benötigt eine Vorspannung; diese kann über ein Einstellstück, zum Beispiel einen Exzenter 5, eingestellt werden. Ein zweiter Anschlag 5a begrenzt den Überhub. Die Funktion der Uberhubfeder ■ ist in dem eingangs genannten Stand der Technik näher beschrieben.
Die Magnetsysteme bestehen aus einem Schließmagneten 7 und einem Öffnungsmagneten 8. In dem Ausführungsbeispiel ist der Öffnungsmagnet 8 größer als der Schließmagnet ausgebildet, weil er beim Auslaßventil zum Öffnen eine größere Hubarbeit 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 Richtungsänderung des Jochs kann das Joch eine Aufspreizung auf größere Querschnitte 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 betrieben werden.
Fig. 4 zeigt zwei mögliche Jochgestaltungen mit einem unterteilten 7c und einem geschlossenen Schenkel 7b. Die unterteilten Schenkelteile werden von zwei Doppelspulen 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 wer- den .
Bei der vorteilhafteren Ausbildung mit nicht unterteiltem Schenkel 7b des Joches 7 ist auf diesem noch eine Haltespule 13 c 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 nach- dem das Magnetjoch auf den Anker angepaßt ist, damit homogene Luftspalte entstehen. Eine bessere Wärmeableitung für die Magnetspulen erfolgt durch eine entsprechende Formgestaltung der Platten. Damit beidseitig eine gute Wärmeabführung erfolgt, werden die Spulen von entspre- chenden 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 befestigt. 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. la 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 Ankerposition 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 Ankerroh- res 2. Der Anker ist in der Fig. 2a und 2b näher darge- stellt.
Die Fig. 2a und 2b zeigen das Ankerrohr 2 geschnitten dargestellt. Es ist in Fig. 2a mit drei den Ankerhebel darstellenden Hebelteilen lb bis ld verbunden. Diese drei Hebelteile umfassen den gezeichneten Anker 17. Dieser An- ker 17 ist durch eine Ventilbetätigungseinheit 18 unterbrochen, die im wesentlichen aus der Uberhubfeder 3, dem Lagergehäuse la und dem Lager 4 besteht. Anker 17 und Ventilbetätigungseinheit 18 werden mit den Hebelteilen verschweißt. Das Rohr 2 ist zur Aufnahme der relativ gro- ßen Ankerkräfte beidseitig an Teilen 19 und 19a der Gehäuseplatten 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) 1 und die Breite b des Ankers eingezeichnet. Entsprechende Maße haben die dem Anker gegenüberliegenden Magnetjoche.
Fig. 2b zeigt eine vereinfachte Ausführung der Ankerbefe- stigung. Die beiden Ankerteile 17 sind hier mit nur einem Ankerhebel le 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 lb bis ld verbunden. Hier sind auch die Verbindungsstellen zu sehen, die durch Schweißen hergestellt werden. Damit der Magnetfluß der beiden Magnete nicht vom Ankerrohr 2 beeinflußt wird, wird dieses vorzugsweise aus nicht oder schwach leitendem, oder unmagnetischem Material ausgebildet. 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 Uberhubfeder, 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 leitendes Füllstück verwendet werden. In dieser Fig. ist der Anker mit Abstand zum Ankerrohr 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 lc 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 eingeschweißt 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 Ventilschaft 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 Ventilschaft, weil sie den durch die Schwenkung des Hebels lc 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 geringer, 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 ent- spricht 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 Pole 40 des Öffnungsmagneten 41 und einer dazu passenden Gestaltung des Ankers 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 Wahrung 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 Magneten bei großen Luftspalten erheblich höher ist. Diese Ausbildung des Magneten 41/42 ist bei der Lagerung des Ankers mittels des Wälzlagers von besonderer Bedeutung, da im Anker relativ große Querkräfte entstehen durch Toleranzen. Die Fig. 7 zeigt eine entsprechende Ausbildung der Pole des Schließmagneten 50 und 50a eines Emlaßventilantriebs und des dazu gehörigen Ankers 52.
Die Joche und der Anker des Offnungs- und des Schließma- gneten eines Stellantriebs insbesondere des Auslaßventilantriebs kann mit der oben genannten Kennlmienformung 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 st ein zweiter Drehstab 16a mit Lagerrohr 2a und ein Hebel le vorgesehen, wobei die Federkräfte dieses Drehstabs 16e über ein Verbindungsglied 60 mit den Kräften der Drehfeder 16 gebündelt werden.
In Fig. 8b wirkt entsprechend Fig. 5a eine Ventilfeder 30 auf den Ventilschaft ein und die Ankerbewegung wird durch ein Gleitst ck 33 auf das Ventil übertragen. Auch hier übertragt ein Verbindungsglied 60 die Kräfte der zweiten Drehfeder 16a zum Hebel 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 lc gelagert, sondern damit starr verbunden. Das Übertragungsglied ist eine Blattfeder 60a, die ebenfalls unter den Ventilschaftteller 61 greift. In Fig. 8e ist der zweite Hebel lc nicht an einem Rohr gelagert. Hier ist ein Lagerteil 63 einerseits mit dem Rohr 2 der Drehfeder 16 und andererseits mit einer Lagerstelle 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 untergebracht 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 Uberhubfeder 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 Ausnutzung der Magnetlänge, hat ein geringes Gewicht und es ist eine Entkopplung der Uberhubfeder 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. 10 b 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 Fig. sind für die gleiche Kraftflußdichte ausgelegt. Es gelten folgenden Vermaßungen:
Fig 10a Fig. 10b
Mitteljochbreite b b/2
Schenkelbreite b/2 b/4
Wicklungsdicke K K
Ankerhöhe h = b/2 b/4
Magnetbreite L 2L
Ankerfläche (2b + 2K)L (b + 2K)2L
Ankervolumen (2b + 2K)L x b/2 (b + 2K) 2L x b/4=
(b+2K)L x b/2
Man erkennt, daß für Fig. 10a eine Abhängigkeit von 2b (in der Klammer) und für Fig. 10b eine Abhängigkeit nur von 1 x b vorhanden ist, also das Ankervolumen und damit das Ankergewicht deutlich geringer ist.
Bei einer vergleichbaren Auslegung ergab sich bei einer Auslegung entsprechend Fig. 10a ein Ankergewicht von72g und bei einer Auslegung entsprechend Fig.10b ein Ankergewicht von nur 47g.
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 einge- baut 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 möglich, 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 lc von oben ein. Hierdurch wird eine geringer Belastung der Hebellagerung erreicht.
Fig. 11 zeigt verschiedene andere mögliche Ausbildungen für den oder die Elektromagnete als die vorhergehenden Figuren.
Fig. 11a zeigt zwei dreipolige Elektromagnete 100 und
101, die dem Anker 102 gegenüberstehen. 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. lld sind wieder zwei dreipolige Elektromagnete gezeigt, 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. lle 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 108 gebracht, so kann die Wicklung 105 eingeschaltet werden und der Anker wird in Richtung der entsprechenden Pole beschleunigt. Um ein Anschwingen aus der Zwischenstellung zu erreichen, muß entweder die Zwischenstellung unsymmetrisch liegen oder der Pol eines Elektromagneten stärker ausgebildet sein. Schließlich ist in Fig. llf eine Kombination der Fig. lle mit der Verwendung nur eines aktiven Pols gezeigt.
Der Magnetkreis 110 der Fig. 11g entspricht einem E - Kern entsprechend Fig. 11a und 11b.
Der Polabstand der äußeren Schenkel lllund 112 ist möglichst klein, um die Breite 113a des Ankers 113 klein zu halten. Zur Reduzierung der Streuflüsse zwischen dem Mit- telschenkel 114 und den Außenschenkeln und zur Darstellung eines großen Wickelraumes 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 verschweißt.
Die Ankerdicke entspricht beim E - Magneten ungefähr dem der Dicke der Außenschenkel 115 und 116, der wiederum ca. 50% der Breite des Mittelschenkels 114 hat. Dadurch beträgt die Dicke des Ankers 113 nur etwa 50% der Ankerdik- ke 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 Magnetform 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 wesent- licher 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 Verspannkräfte 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 Anspruch 1 Tiefe zur Breite der Joche größer 1,5 usw. sich auf die Joch- breite an den Enden der Joche bezieht und nicht auf die weiter abliegende Jochbreite.

Claims

P a t e n t an s p rü ch e
1. Elektromagnetischer Antrieb mit einem beweglich ge- lagerten, elektromagnetisch hin- und herbewegbaren Anker (17) der von wenigstens einem Elektromagneten (7, 8) in Endstellungen bewegt wird, wobei durch die Bewegung des Ankers (17) ein Element (6), insbesondere ein Ventil eines Verbrennungsmotors, an- getrieben 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) einwirken, die ohne Wirkung von Erregerströmen den Anker (17) in eine Zwischenstellung stellen.
3. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei schwenkbar gelagertem Anker die beiden Federkräfte wenigstens teilweise durch eine Torsionsfeder (16) gebildet sind.
4. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federkräfte wenigstens teilweise durch Zug- und/oder Druckfedern gebildet sind.
5. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, 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 schwenkbar gelagerten Rohr (2) oder rohrähnlichen Teil verbunden ist, daß dieses Rohr (2) oder Teil mit der wenigstens teilweise in dem Rohr oder Teil verlaufenden 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 gekennzeichnet, daß der Anker
(17) über wenigstens einen, vorzugsweise drei, parallel im Abstand zueinander angeordnete Teilhebel
(lb bis ld) mit dem Rohr verbunden ist.
8. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hebel (1) eine Uberhubfeder (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 Beanspruchung (Überhub) als Feder wirksam ist.
9. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Hebels (la), der das bewegbare Teil (6) antreibt, ein Gelenk (4) aufweist mit dem das bewegbare Element (6) verbun- den 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, la) auf dem Schaft (36, 37) des Ventils lose aufliegt.
12. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (1, la) über eine Rolle (31) oder dergleichen auf den Ventilschaft einwirkt.
13. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (1, la) 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 Ansprü- ehe 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Magnetkerns ( 7, 8) und/oder des Ankers (17) kornorientiert ist.
16. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne der Elek- tromagnete (7, 8) in Zonen (7a, 8a) mit Richtungsänderung der Joche einen größeren Querschnitt aufweisen .
17. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Anspru- ehe 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern der Magnete einstückig ausgebildet ist (Figl) .
18. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an einem Joch eines Magneten zur Polfläche hin eine Unterteilung des Jochs in wenigstens zwei Jochtei- le (7b) vorgesehen ist (Fig. ) 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 Ma- gnetkerne 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 gelagert sind.
22. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, 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 Füllstük- ke (15) zwischen den Spulen (9, 11, 12) und den Jo- chen vorgesehen sind.
2 . Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmegabe Verrippungen vorgesehen sind.
25. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprü- ehe 6 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ju- stage der gesamte Antrieb um die Rohrachse oder um eine weiter ab vom Anker liegende Achse verdrehbar ist .
26. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprü- ehe 3 oder 5 bis 25, dadurch 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 Quer- schnitt gesehen die Pole (40) wenigstens eines der Elektromagnete (7, 8) gestuft (40a) ausgebildet sind und daß der Anker (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, da- durch gekennzeichnet, daß der Schließmagnet des
Einlaßventils eine derartige Stufung aufweist.
30. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitstück (39) am Hebel (lc) 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 gelagert 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 we- nigstens 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 Hebel (1, le) verbunden sind, wobei die über die beiden Hebel (1, le) übertragenen 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) verbunden ist, und der andere Hebel (lc) direkt mit der Torsionsfeder (16a) verbunden 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, da- durch 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 Ansprü- ehe 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Magnete einen E - Kern (110) aufweist, wobei die Enden (111, 112) der äußeren Schenkel zum Mittelschenkel (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 gekennzeichnet, 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 .
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