EP1214721B1 - Elektromagnetischer aktuator - Google Patents

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EP1214721B1
EP1214721B1 EP00960670A EP00960670A EP1214721B1 EP 1214721 B1 EP1214721 B1 EP 1214721B1 EP 00960670 A EP00960670 A EP 00960670A EP 00960670 A EP00960670 A EP 00960670A EP 1214721 B1 EP1214721 B1 EP 1214721B1
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EP
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armature
electromagnet
electromagnetic actuator
actuator according
changeover valve
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EP00960670A
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Heinz Leiber
Thomas Leiber
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/14Pivoting armatures
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic actuator with the features of the preamble of claim 1.
  • Such an actuator is for example in the older Patent Application DE 198 24 537 A1.
  • the gear ratio is i for both Electromagnets same.
  • the invention is based on the object, the proposed Actuator to further optimize.
  • the opening magnet must because of the relative large gas forces at the exhaust valve a relatively large lifting work Afford. Therefore, to save power, should the working air gap should be as small as possible, which is a smaller one Gear ratio i for the opening magnet requires.
  • the closing magnet develops at a larger gear ratio a higher force on the valve axis.
  • the closing magnet small.
  • the effective anchor mass is determined by the Shaping the anchor (e.g., with a trapezoidal cross-section) slightly increased.
  • the opening magnet gets a small middle Air gap, which reduces the performance.
  • the magnets is designed as a characteristic magnet.
  • the Opening magnet designed as a two-pole solenoid plunger, wherein the opening member opposite the armature part is formed such that in the electromagnet immersed anchor parts are closer to the pivot axis as the, those dipping anchor parts assigned Pole ends of the yoke.
  • the use of a characteristic magnet for the opening magnet is known per se from EP 0 970 298 A1. Across from the second electromagnet is the anchor as Flat anchor formed. The electromagnets are there as Pot magnets formed, wherein the anchor is a linear Up and down movement performs. In the prior art is the anchor slidably mounted. The by manufacturing tolerances unavoidable air gap differences are relatively high Transverse forces result, whereby frictional forces are effected.
  • the use of a characteristic magnet has the advantage that the high gas forces because of the higher telecontrol force overcome more easily such an electromagnet can be.
  • the swiveling Anchor is the moving mass of the anchor by the invention and thus the energy requirement kept small.
  • the usage one or more rolling bearings for the pivoting movement the anchor has the advantage that by manufacturing tolerances conditional lateral forces on the storage low Frictional losses bring with it.
  • punched parts for the anchor and / or the yokes which can be produced as a fine stamped parts, can Tolerances and eddy current losses are kept small.
  • the yoke can be adjusted to the anchor.
  • the Use of the inventively designed characteristic magnet is also without the use of the features of the A1 possible.
  • Fig. 1 are two two-pole electromagnets 1 and 2 the yokes 1a and 2a and windings 1b and 2b, respectively, are shown respectively.
  • An associated with this electromagnet 1 and 2 Anchor 3 is attached to a lever which at his left end pivotally mounted about the pivot axis 4
  • the bearing can be designed as a roller bearing, wherein one or more rolling bearings can be used.
  • the forces acting on the armature 3 spring forces are here by a torsion bar, z. B. torsion bar or rotary tube 6, and the valve spring 9 applied.
  • the torsion bar runs in the direction of the pivot axis and at least partially in a tube 7 formed by the lever 8 becomes. At the other end of the lever 8 this acts on one only indicated valve stem 10, to which the force the valve spring 9 acts.
  • the solenoid 2 is the opening magnet.
  • the hatched anchor 3 has here in cross section the shape of a trapezoid with non-parallel side surfaces.
  • the center 3b of the lower anchor part is closer to the pivot axis 4 than the center 3a of the upper anchor part.
  • the poles of the electromagnets are arranged so that they are associated with the anchor parts with the centers 3a and 3b. It follows that the transmission ratio i 1 of the electromagnet 1 is greater than the transmission ratio i 2 of the electromagnet 2.
  • the anchor could also have the shape of a rhombus or a polygon.
  • Electromagnet 11 associated part of the Ankers 13 is a flat anchor, is here in addition to the Electromagnet 12 associated anchor part as a plunger anchor formed with immersion parts 13a and 13b and the poles 12c of the yoke 12a are the immersion parts 13a and 13b in FIG the position shown obvious and for the pivoting movement suitably designed so that small air gaps form.
  • the armature 13 and the Yokes 11a and 12a preferably composed of stamped parts, So they are laminated. Through the rolling bearing and the yokes that can be adjusted to the armature can be radial Air gaps are kept very small. The system effects here like a reluctance motor.
  • the yokes of the magnets 1 and 2 are shown in Figs. 1 and 2 designed as U-magnets. They can also be called E-magnets or E / U magnets may be formed.

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Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein derartiger Aktuator ist beispielsweise in der älteren Patentanmeldung DE 198 24 537 A1 beschrieben.
Üblicherweise ist das Übersetzungsverhältnis i für beide Elektromagnete gleich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den vorgeschlagenen Aktuator weiter zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Für den Schließmagneten gilt, daß er wegen der Ventilschließkraft eine große Haltekraft aufweisen muß. Andererseits muß er wegen der beim Schließen geringen Gaskräfte eine relativ kleine Hubarbeit leisten.
Demgegenüber muß der Öffnungsmagnet wegen der relativ großen Gaskräfte beim Auslaßventil eine relativ große Hubarbeit leisten. Um Leistung zu sparen, sollte deshalb der Arbeitsluftspalt möglichst klein sein, was ein kleineres Übersetzungsverhältnis i für den Öffnungsmagneten erfordert.
Dagegen entwickelt der Schließmagnet bei größerem Übersetzungsverhältnis eine höhere Kraft an der Ventilachse.
Aus diesen Überlegungen resultiert die Auslegung des Aktuators mit unterschiedlichem i für die beiden Elektromagnete.
Bei dieser Auslegung der Elektromagnete wird der Schließmagnet klein. Die effektive Ankermasse wird durch die Formgebung des Ankers (z.B. mit trapezförmigem Querschnitt) geringfügig erhöht.
Der Öffnungsmagnet bekommt einen kleinen mittleren Luftspalt, was die Leistung vermindert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird wenigstens einer der Magnete als Kennlinienmagnet ausgebildet. Hierbei ist darauf zu achten, daß die Bemessungsregel des Patentanspruchs 1 eingehalten wird. Vorzugsweise wird der Öffnungsmagnet als zweipoliger Tauchanker ausgebildet, wobei das dem Öffnungsmagneten gegenüberliegende Ankerteil derart ausgebildet ist, daß die in den Elektromagneten eintauchenden Ankerteile näher zur Schwenkachse liegen als die, diesen eintauchenden Ankerteilen zugeordneten Polenden des Jochs.
Die Verwendung eines Kennlinienmagneten für den Öffnungsmagneten ist an sich aus der EP 0 970 298 A1 bekannt. Gegenüber dem zweiten Elektromagneten ist der Anker als Flachanker ausgebildet. Die Elektromagnete sind dort als Topfmagnete ausgebildet, wobei der Anker eine lineare Auf- und Abbewegung ausführt. Beim Stand der Technik ist der Anker gleitgelagert. Die durch Fertigungstoleranzen unvermeidlichen Luftspaltunterschiede haben relativ hohe Querkräfte zur Folge, wodurch Reibungskräfte bewirkt werden. Die Verwendung eines Kennlinienmagneten hat den Vorteil, daß die hohen Gaskräfte wegen der höheren Fernwirkungskraft eines solchen Elektromagneten leichter überwunden werden können. Im speziellen Fall des schwenkbaren Ankers wird durch die Erfindung die bewegte Masse des Ankers und damit der Energiebedarf klein gehalten. Die Verwendung eines oder mehrerer Wälzlager für die Schwenkbewegung des Ankers hat den Vorteil, daß durch Fertigungstoleranzen bedingte Querkräfte auf die Lagerung geringe Reibungsverluste mit sich bringen. Durch die Verwendung von Stanzteilen für den Anker und/oder die Joche, die als Feinstanzteile hergestellt werden können, können Toleranzen und Wirbelstromverluste klein gehalten werden. Außerdem kann das Joch zum Anker justiert werden. Die Verwendung der erfindungsgemäß ausgebildeten Kennlinienmagneten ist auch ohne die Verwendung der Merkmale des A1 möglich.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
  • Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel
  • Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel
  • In der Fig. 1 sind zwei zweipolige Elektromagnete 1 und 2 gezeigt, die Joche 1a bzw. 2a und Wicklungen 1b bzw.2b aufweisen. Ein diesen Elektromagneten 1 und 2 zugeordneter Anker 3 ist an einem Hebel befestigt, der an seinem linken Ende schwenkbar um die Schwenkachse 4 gelagert ist, Die Lagerung kann als Wälzlager ausgebildet sein, wobei ein oder mehrere Wälzlager verwendet werden können. Die auf den Anker 3 wirkenden Federkräfte werden hier durch einen Torsionsstab, z. B. Drehstab oder Drehrohr 6, sowie die Ventilfeder 9 aufgebracht. Der Torsionsstab verläuft in Richtung der Schwenkachse und zumindest teilweise in einem Rohr 7, das durch den Hebel 8 gebildet wird. Am anderen Ende des Hebels 8 wirkt dieser auf einen nur angedeuteten Ventilschaft 10 ein, auf den die Kraft der Ventilfeder 9 wirkt.
    Der Elektromagnet 2 ist der Öffnungsmagnet.
    Der schraffiert dargestellte Anker 3 hat hier im Querschnitt die Form eines Trapezes mit nicht parallelen Seitenflächen. Damit liegt das Zentrum 3b des unteren Ankerteils näher bei der Schwenkachse 4 als das Zentrum 3a des oberen Ankerteils. Die Pole der Elektromagneten sind so angeordnet, daß sie den Ankerteilen mit den Zentren 3a und 3b zugeordnet sind. Daraus folgt, daß das Übersetzungsverhältnis i1 des Elektromagneten 1 größer als das Übersetzungsverhältnis i2 des Elektromagneten 2 ist. Alternativ könnte der Anker auch die Form einer Raute oder eines Polygons aufweisen.
    In der Fig. 2 sind ähnlich wie in Fig. 1 zwei Elektromagnete 11, 11a, 11b und 12, 12a und 12b vorgesehen, denen ein schwenkbar gelagerter Anker 13 gegenüber steht, der auf einen Ventilschaft 20 einwirkt. Der Hebel 18 ist hier in Wälzlagern 15 gelagert. Hier erzeugt der Torsionsstab 16 die gesamten Federkräfte. Auch hier gilt, daß i1 > i2 ist.
    Während der dem Elektromagneten 11 zugeordnete Teil des Ankers 13 ein Flachanker ist, ist hier zusätzlich das dem Elektromagneten 12 zugeordnete Ankerteil als Tauchanker mit Eintauchteilen 13a und 13b ausgebildet und die Pole 12c des Jochs 12a sind den Eintauchteilen 13a und 13b in der gezeigten Stellung naheliegend und für die Schwenkbewegung geeignet ausgebildet, so daß sich kleine Luftspalte ausbilden. Wie erwähnt, werden der Anker 13 und die Joche 11a und 12a vorzugsweise aus Stanzteilen zusammengesetzt, sie sind also lamelliert. Durch die Wälzlagerung und die zum Anker justierbaren Joche können die radialen Luftspalte sehr klein gehalten werden. Das System bewirkt hier wie ein Reluktanzmotor.
    Die Joche der Magnete 1 und 2 sind in den Fig. 1 und 2 als U-Magnete ausgebildet. Sie können auch als E-Magnete oder E/U-Magnete ausgebildet sein.

    Claims (9)

    1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils (10) mit einem Elektromagneten (1) zum Schließen des Gaswechselventils und einem Elektromagneten (2) zum Öffnen des Gaswechselventils, mit einem zugehörigen das Gaswechselventil (10) betätigenden Anker (3) und mit auf den Anker (3) wirkenden, entgegengesetzt gerichteten Federkräften (6, 9), die ohne Betätigung eines Elektromagneten (1, 2) den Anker (3) in eine Zwischenstellung zwischen zwei Endstellungen stellen, wobei der Anker (3) durch die Elektromagneten (1, 2) wenigstens in der Nähe der Pole (2c) der Elektromagneten (1, 2) gehalten wird, wobei der Anker (3) um eine Schwenkachse (4) schwenkbar gelagert ist und wobei der Abstand l1 des Einwirkpunkts auf das Gaswechselventil von der Schwenkachse (4) größer als der Abstand l2 des Zentrums des Ankers von der Schwenkachse (4) ist mit einem Übersetzungsverhältnis i=l2/l1<1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (3) derart ausgebildet ist, daß das Zentrum (3b) des dem Öffnungsmagneten (2) gegenüberliegenden Ankerteils näher an der Schwenkachse (4) liegt als das Zentrum (3a) des dem Schließmagneten(1) zugeordneten Ankerteils und daß die Pole (1c, 2c) der Elektromagnete (1,2) diesen Ankerteilen gegenüber liegend angeordnet sind.
    2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Ankerteile als Tauchanker mit eintauchenden Ankerteilen (13a, 13b) ausgebildet ist.
    3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Elektromagneten zum Öffnen des Gaswechselventils (12) zugeordnete Ankerteil als Tauchanker (13a, 13b) ausgebildet ist und daß die in den Elektromagneten (12) eintauchenden Ankerteile (13a, 13b) näher zur Schwenkachse (4) liegen als die diesen eintauchenden Ankerteilen (13a, 13b) zugeordneten Polenden (12c) des Jochs (12a) des Elektromagneten (12).
    4. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektromagneten zum Schließen des Gaswechselventils (1) ein Flachanker (3) zugeordnet ist oder der Elektromagnet (1) einen Flachanker aufweist.
    5. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die schwenkbare Lagerung wenigstens ein Wälzlager (15) vorgesehen ist.
    6. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß der Anker (3) und/oder die Joche (1a, 2a) aus Stanzteilen zusammengesetzt sind.
    7. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Joche (1a, 2a) gegenüber dem Anker (3) justierbar sind.
    8. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete (1, 2) die Form eines E oder E/U aufweisen.
    9. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet zum Öffnen des Gaswechselventils zweipolig ist.
    EP00960670A 1999-09-21 2000-09-15 Elektromagnetischer aktuator Expired - Lifetime EP1214721B1 (de)

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    DE19945112A DE19945112A1 (de) 1999-09-21 1999-09-21 Elektromagnetischer Aktuator
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