EP1479879B2

EP1479879B2 - Elektromagnetischer Ventiltrieb mit Wirbelstromkreis für passive Rotorabbremsung

Info

Publication number: EP1479879B2
Application number: EP04008732A
Authority: EP
Inventors: Helmut Dr. Kellermann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-05-10
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: EP1479879B1; EP1479879A1; DE10321036A1; DE502004000098D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Ventiltrieb für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiger Ventiltrieb ist aus der DE 197 22 632 A1 bekannt. Bei herkömmlichen Motoren werden die Ventile durch eine von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle mechanisch gesteuert. Seit geraumer Zeit werden elektrisch gesteuerte Ventiltriebe erforscht, da diese eine höhere Leistungsausbeute bei geringem Spritverbrauch versprechen. Bei elektrischen Ventiltrieben unterscheidet man zwei grundsätzliche Varianten, nämlich sogenannte Hubaktuatoren, bei denen die Aktuatoren zur Ventilsteuerung durch Elektromagnete betätigt werden und sogenannte Drehaktuatoren, bei denen zur Ventilbetätigung ein auf einen Nocken wirkender Elektromotor vorgesehen ist. Bei elektrischen Ventiltrieben mit Hubaktuatoren ist ein axial verschieblicher Anker vorgesehen, der eine Ankerplatte aufweist. Auf beiden Seiten der Ankerplatte ist jeweils ein Elektromagnet angeordnet. Durch Bestromen des einen oder des anderen Elektromagneten kann jeweils ein Magnetfeld erzeugt werden, das den Anker in die eine bzw. in die andere Richtung zieht.
Ein Problem bei derartigen Hubaktuatoren besteht darin, dass der Anker beim Anziehen eines Elektromagneten mit relativ hoher Geschwindigkeit auf den anziehenden Elektromagnet auftrifft. Aus Gründen der Akustik und des Fahrkomforts ist es aber unbedingt erforderlich, dass die Ankerplatte möglichst sanft aufsetzt. Zwar versucht man, durch entsprechende Ansteuerung der Elektromagneten ein möglichst sanftes Aufsetzen der Ankerplatte auf den anziehenden Elektromagneten zu erreichen. Die Steuerung der Ankerbewegung ist jedoch regelungstechnisch bislang nur sehr schwer beherrschbar. Für die Regelung jedes der Hubaktuatoren eines Motors ist ein teurer Sensor zur Messung der Ankerbewegung erforderlich, der eine hohe Wegauflösung und eine große Signalbandbreite haben muss. Erforderlich ist ferner eine hohe Rechenleistung für die Ventilsteuerung, eine Sensorauswerteelektronik, eine abgeschirmte Verkabelung der Sensoren sowie eine auf die jeweiligen Hubaktuatoren abgestimmte Reglerparametrierung. All dies ist mit hohen Kosten verbunden ist.
Zur Verringerung des Aufwands für die Regelung der Aufsetzbewegung des Ankers wäre es wünschenswert, die Geschwindigkeit des Ankers durch "passive" oder "aktive" mechanische Maßnahmen kurz vor dem Auftreffen auf eine geringere Geschwindigkeit abzubremsen. Dann könnte nämlich auf einen Bewegungssensor verzichtet werden und die Ankerbewegung durch Messung des Spulenstroms der Elektromagneten geregelt oder gesteuert werden. Zudem würden sich die Anforderungen an die erforderliche Rechenleistung und ggf. an die "Qualität" des Sensors verringern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Ventiltrieb mit einem Hubaktuator zu schaffen, bei dem die Geschwindigkeit des Ankers kurz vor dem Auftreffen der Ankerplatte in technisch einfacher Weise reduziert und der Aufwand für die Regelung bzw. Steuerung der Ankerbewegung entsprechend verringert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein nach dem Hubaktuatorprinzip arbeitender elektrischen Ventiltrieb. Der Ventiltrieb weist einen verschieblich angeordneten Anker mit einer Ankerplatte auf. Die Ankerplatte ist zwischen einem ersten und einem zweiten Elektromagneten angeordnet. Durch Bestromen des einen bzw. des anderen Elektromagneten ist ein Magnetfeld erzeugbar, das den Anker in die eine bzw. andere Richtung zieht.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass im Magnetfeldbereich mindestens eines der Elektromagneten ein "Wirbelstromkreis" vorgesehen ist. In dem Wirbelstromkreis wird bei der Bewegung des Ankers zu dem zugeordneten Elektromagneten ein Wirbelstrom induziert. Gemäß der Lenz'schen Regel erzeugt der Wirbelstrom ein magnetisches Wirbelfeld (Magnetfeld), das der Ursache seiner Enstehung, nämlich der durch die Ankerbewegung hervorgerufenen Änderung des magnetischen Flusses im Magnetkreis, entgegenwirkt. Durch das magnetische Wirbelfeld wird der Anker also kurz vor dem Auftreffen der Ankerplatte auf den zugeordneten Elektromagneten verschleißfrei auf eine geringere Geschwindigkeit abgebremst. Der Wirbelstromkreis erzeugt somit eine auf den Anker wirkende "Bremskraft". In der letzten Phase vor dem Aufsetzen der Ankerplatte kann die Ankerbewegung dann aktiv durch entsprechende Steuerung bzw. Regelung der Spulenströme der Elektromagneten gesteuert bzw. geregelt werden. Da die Geschwindigkeit des Ankers in dieser letzten Phase vor dem Aufsetzen geringer ist als beim Stand der Technik, ist die anschließende Steuerung bzw. Regelung der Ankerbewegung technisch besser beherrschbar.
Für eine stillstehende Ankerplatte sind bei konstanter Bestromung des Elektromagneten die Wirbelströme identisch Null und haben somit keinen Einfluss.
Da die magnetischen Feldlinien immer in geschlossenen Bahnen verlaufen (Quellenfreiheit des Magnetfelds), bestehen hinsichtlich der Anordnung des Wirbelstromkreises gewisse Freiheiten. Wesentlich ist, dass der Wirbelstromkreis so angeordnet ist, dass er möglichst den maximalen Magnetfluss umfasst.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wirbelstromkreis unmittelbar an der Spule des zugeordneten Elektromagneten angeordnet.
In dem Wirbelstromkreis ist ein "Schalterelement" vorgesehen, das Wirbelströme nur in einer vorgegebenen Stromrichtung fließen lässt und das in der entgegengesetzten Stromrichtung sperrt. Dies hat den Vorteil, dass der Anker lediglich bei einer Bewegung zum Elektromagneten hin durch Wirbelströme abgebremst wird und ein Ablösen der Ankerplatte vom Elektromagneten, das grundsätzlich ebenfalls Wirbelströme hervorrufen würde, nicht behindert wird. Ohne ein derartiges Schalterelement würden nämlich auch beim Ablösen der Ankerplatte vom Elektromagneten Wirbelströme im Wirbelstromkreis induziert werden. Diese Wirbelströme würden der Verschiebung des Ankers beim Ablösen vom Elektromagneten entgegenwirken. Der Ablösevorgang wäre also relativ träge. Um dies zu verhindern, wird vorzugsweise ein Wirbelstromkreis mit einem Schalterelement verwendet, das Strom lediglich in einer Richtung fließen lässt.
Das Schalterelement ist eine Diode. Wichtig hierbei ist, dass die Diode so geschaltet ist, dass bei einer Annäherung der Ankerplatte an den Elektromagneten Wirbelströme im Wirbelstromkreis fließen können und beim Ablösen der Ankerplatte vom Elektromagneten Wirbelströme durch die Diode gesperrt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wirbelstromkreis als "Kurzschlussring" ausgebildet. Der Kurzschlussring kann ein ebenes, plattenförmiges, geschlitztes, ringförmiges Bauteil sein, dessen Enden über die Diode elektrisch miteinander verbunden sind.
Die Diode kann zusammen mit der Spule des Elektromagneten und dem Kurzschlussring verbaut sein. Da die Verlustspannung an der Diode aufgrund der Sperrschichtspannung des Halbleitermaterials immer gleich ist, bietet es sich an, den Kurzschlussring aus mehreren Windungen (Kurzschlussspule) auszuführen, da damit der Strom verringert wird, die Spannung an der Diode aber gleich bleibt und somit die Verlustleistung in der Diode verringert wird.
Vorzugsweise ist jedem der beiden Elektromagneten ein separater Wirbelstromkreis zugeordnet.
Die Realisierung der Erfindung ist einfach und kostengünstig und nach heutigen Erkenntnissen dauerhaltbar. Der Magnetkreis wird durch den Wirbelstromkreis nicht, zumindest nicht wesentlich beeinflusst. Die Anordnung eines Wirbelstromkreises an den Elektromagneten beansprucht wenig bzw. keinen zusätzlichen Bauraum. Ein Vorteil gegen herkömmlichen Hubaktuatoren besteht darin, dass der Sensor zur Sensierung der Ankerbewegung entfallen kann bzw. die Anforderungen an den Sensor reduziert werden, da die Ankerplatte passiv durch den Wirbelstromkreis abgebremst wird. Somit sinken die Anforderungen an die erforderliche Rechenleistung des Steuergeräts, was Kosten für das Gesamtsystem spart.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: Einen der Elektromagneten des Ventiltriebs, wobei der Anker einen großen Abstand vom Elektromagneten hat;
Figur 2: den Elektromagneten der Figur 1 kurz vor dem Aufsetzen der Ankerplatte;
Figur 3: den Elektromagneten in vergrößerter Darstellung (nicht erfindungsgemäß); und
Figur 4: den Kurzschlussring.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen elektromagnetischen Ventiltrieb 1 mit einem Anker, der durch einen Ankerschaft 2 und eine Ankerplatte 3 gebildet ist. Der Anker ist mit seiner Ankerplatte 3 axial verschieblich zwischen zwei Elektromagneten 4, 5 angeordnet, die hier nur schematisch dargestellt sind. Durch Bestromen des Elektromagneten 4 wird der Anker aus der in Figur 1 dargestellten Mittel- bzw. Neutralstellung nach oben in Richtung des Pfeils 6 verschoben. Durch Bestromen des Elektromagneten 5 wird der Anker in die entgegengesetzte Richtung in Richtung des Pfeils 7 verschoben. Der Anker bzw. der Ankerschaft wirkt auf ein zu steuerndes Ventil (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors ein. Jeder der beiden Elektromagneten 4, 5 weist eine Magnet- bzw. Erregerspule 8 auf. In Fig. 1 ist die Situation dargestellt, dass der Elektromagnet 4 abgeschaltet und der Elektromagnet 5 erregt ist, was durch Magnetfeldlinien 9 angedeutet ist. Der Magnet 5 zieht also den Anker gerade an, wodurch der Anker bzw. die Ankerplatte 3 in Richtung des Elektromagneten 5 gezogen wird. Figur 2 zeigt eine Stellung des Ankers kurz vor dem Aufsetzen der Ankerplatte 3 auf dem Magneten 5.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass am Elektromagneten 5 ein "Wirbelstromkreis" in Form eines Kurzschlussringes 10 vorgesehen ist, was besser aus Figur 4 ersichtlich ist.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Elektromagneten 5. Der Elektromagnet 5 weist ein Joch bzw. einen Eisenkern 11 mit einem mittleren Schenkel 12 und zwei äußeren Schenkeln 13, 14 auf. An dem mittleren Schenkel 12 ist die Erregerspule bzw. Erregerwicklung 8 des Elektromagneten 8 angeordnet, welche zwei elektrische Anschlüsse 15, 16 aufweist.
Auf dem mittleren Abschnitt 12 des Jochs 11 bzw. auf der Erregerspule 8 ist der plattenförmige Kurzschlussring 10 angeordnet.
Wenn die Erregerspule 8 bestromt wird und sich der Anker zu dem Elektromagneten 5 hin bewegt, dann ändert sich der magnetische Fluss im Magnetkreis (vgl. Figuren 1, 2). Die Änderung des magnetischen Flusses bewirkt, dass im Kurzschlussring 10 Wirbelströme erzeugt werden, die so gerichtet sind, dass das aus den Wirbelströmen resultierende magnetische Feld (Induktionsfeld) der Bewegung des Ankers entgegenwirkt. Bei einer Bewegung des Ankers in Richtung des Elektromagneten 5 wird der Anker durch das Induktionsfeld abgebremst. In der letzten Phase der Ankerbewegung kurz vor dem Aufsetzen der Ankerplatte können die Spulenströme der Elektromagneten mit vergleichsweise geringem Aufwand so gesteuert bzw. geregelt werden dass die Ankerplatte 3 sanft aufsetzt.
Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Kurzschlussringes 10. Der Kurzschlussring 10 weist einen Schlitz 17 auf. Die beiden Schenkel 18, 19 des Kurzschlussrings 10 sind über elektrische Leitungen 20, 21 und eine Diode 22 elektrisch miteinander verbunden. Der Kurzschlussring 10, die elektrischen Leitungen 20, 21 und die Diode 22 bilden einen Wirbelstromkreis. Wesentlich ist, dass in dem "Wirbelstromkreis" Wirbelströme nur in einer Stromrichtung fließen können und in der entgegengesetzten Stromrichtung durch die Diode 22 gesperrt sind. Die Diode 22 ist so gestaltet, dass bei einer Bewegung des Ankers bzw. der Ankerplatte (vgl. Figuren 1, 2) auf den Elektromagneten 5 hin Wirbelströme fließen können. Die Wirbelströme erzeugen ein Induktionsfeld, das der Ankerbewegung entgegenwirkt und den Anker abbremst. Beim Abheben der Ankerplatte vom Elektromagneten 5 würden zwar prinzipiell ebenfalls Wirbelströme induziert werden, da sich auch beim Abheben der magnetische Fluss ändert. Diese Wirbelströme würden aufgrund der entgegengesetzten Ankerbewegung in die entgegengesetzte Richtung fließen. Ein Stromfluss im Kurzschlussring 10 in entgegengesetzter Richtung wird jedoch durch die Diode 22 gesperrt. Somit wird beim Abheben des Ankers bzw. der Ankerplatte vom Elektromagneten ein Entstehen von Wirbelströmen im Wirbelstromkreis 10, d.h. ein "Klebenbleiben" der Ankerplatte verhindert.

Claims

Elektrischer Ventiltrieb (1) für Verbrennungsmotoren, mit
einem verschieblich angeordneten Anker (2, 3), der eine Ankerplatte (3) aufweist,
einem ersten Elektromagneten (4), der auf der einen Seite der Ankerplatte (3) angeordnet ist, und einem zweiten Elektromagneten (5), der auf der anderen Seite der Ankerplatte (3) angeordnet ist, wobei durch Bestromen des einen Elektromagneten (4) ein Magnetfeld erzeugbar ist, das den Anker (2, 3) in eine erste Richtung (6) zieht und durch Bestromen des anderen Elektromagneten (5) ein Magnetfeld erzeugbar ist, das den Anker (2, 3) in eine der ersten Richtung (6) entgegengesetzte zweite Richtung (7) zieht, wobei im Magnetfeldbereich (9) mindestens eines der Elektromagneten (4, 5) ein Stromkreis (10) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stromkreis (10) ein Wirbelstromkreis (10) ist, in dem bei der Bewegung des Ankers (2, 3) zu diesem Elektromagneten (4, 5) hin ein Wirbelstrom induziert wird, dessen Magnetfeld der Ankerbewegung entgegenwirkt, wobei in dem Wirbelstromkreis (10) ein Schalterelement (22) vorgesehen ist, das Wirbelströme nur in eine vorgegebene Stromrichtung fließen lässt und das in der entgegengesetzten Stromrichtung sperrt, wobei das Schalterelement (22) eine Diode ist.
Elektrischer Ventiltrieb (1) nach Anspruch 1, wobei das Schalterelement (22) so geschaltet ist, dass der Wirbelstromkreis (10) geschlossen ist, wenn sich der Anker (2, 3) auf den dem Wirbelstromkreis (10) zugeordneten Elektromagneten (4, 5) zubewegt und unterbrochen ist, wenn sich der Anker (2, 3) von dem dem Wirbelstromkreis zugeordneten Elektromagneten (4, 5) wegbewegt.
Elektrischer Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Wirbelstromkreis (10) die Form einer ringförmigen ebenen Platte hat.
Elektrischer Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wirbelstromkreis (10) unmittelbar an dem zugeordneten Elektromagneten (4, 5) angeordnet ist.
Elektrischer Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jedem der beiden Elektromagneten (4) ein separater Wirbelstromkreis (10) zugeordnet ist.