EP2158596B1

EP2158596B1 - Elektromagnetische stellvorrichtung

Info

Publication number: EP2158596B1
Application number: EP08773520A
Authority: EP
Inventors: Thomas Golz; Thomas Schiepp
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-06-19
Also published as: EP2158596A1; CN103971877A; CN101689419B; WO2008155119A1; JP5307803B2; DE202008008142U1; JP2010530621A; US8176887B2; CN103971877B; DE102007028600B4; CN101689419A; DE102007028600A1; US20100192885A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik, wie etwa aus der EP 1 002 938 A , die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, bekannt und werden für vielfältige Stellaufgaben, etwa im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren, eingesetzt.
Aufgrund begrenzten Einbauraums an einem Einsatzort besteht häufig die Notwendigkeit, mit einer Mehrzahl von (typischerweise selektiv, d.h. unabhängig voneinander ansteuerbaren) Stößeleinheiten für eine jeweilige Stellaufgabe eine gattungsgemäße Stellvorrichtung hinreichend kompakt zu realisieren, so dass einerseits eine hinreichende elektromagnetische Funktionalität gewährleistet ist (etwa im Hinblick auf notwendigen Stellhub der Stößeleinheiten sowie Reaktions- bzw. Schaltzeit), andererseits keine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung mechanisch oder elektromagnetisch vorliegt.
Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, Stellaufgaben, welche eine Mehrzahl von Aktoreinheiten benötigen, mit Hilfe einzelner, unabhängig voneinander befestigter bzw. vorgesehener Aktoreneinheiten zu realisieren, wobei dies zu erhöhtem Konfigurations- bzw. Montageaufwand führt und üblicherweise die Kompaktheit der Gesamtanordnung nur begrenzt ist.
Dieses Problem wird dadurch verschärft, das häufig die vorgesehene, Eingriff einer Mehrzahl von Stößeleinheiten erfordernde Einsatzumgebung vorgibt, dass die Stößeleinheiten einander eng benachbart und häufig lediglich einen vorbestimmten Maximalabstand voneinander beabstandet sein dürfen; dies ist häufig mit einzelnen, individuell befestigten Aktoreneinheiten nicht oder nur mit Einschränkungen lösbar.
Ein Beispiel für eine bekannte Aktoreneinheit zeigt etwa die Deutsche Patentanmeldung 102 40 774 der Anmelderin.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer Mehrzahl von elektromagnetischen Aktoreneinheiten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, welche insbesondere auch an Einsatzorten mit beschränktem Einbauraum sowie insbesondere unter Einsatzbedingungen günstig verwendbar ist, welche einen begrenzten maximalen Abstand der Stößeleinheiten voneinander vorgeben.
Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch die Verwendung mit den Merkmalen des unabhängigen Verwendungsanspruchs 11 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist zunächst die Mehrzahl von Aktoreneinheiten (wobei eine besonders bevorzugte Realisierungsform der Erfindung mindestens drei Aktoreneinheiten mit entsprechend drei Stößeleinheiten vorsieht) in einem bevorzugt zylindrischen und/oder hohlzylindrischen Gehäuse vorgesehen. Erfindungsgemäß erfolgt der Antrieb der langgestreckten (selbst bevorzugt zylindrischen, weiter bevorzugt aus einem Metallmaterial realisierten) Stößeleinheiten dadurch, dass die Stößeleinheiten auf einer Eingriffsfläche einer jeweiligen zugeordneten Aktoreneinheit aufsitzen (bevorzugt dort mittels Magnetwirkung haften), wobei die Eingriffsfläche typischerweise das distale Ende einer Ankereinheit der betreffenden Aktoreneinheit bildet.
Erfindungsgemäß lässt sich nunmehr die Aufgabe einer möglichst kompakten Anordnung der Stößeleinheiten nebeneinander dadurch lösen, dass - bei parallel zueinander angetriebenen Eingriffsflächen benachbarter Aktoreneinheiten - jeweilige darauf aufsitzende Stößeleinheiten so exzentrisch mit ihren eingriffsseitigen Stirnflächen mit den Eingriffsflächen zusammenwirken, dass eine möglichst kompakte Anordnung der bevorzugt achsparallel zueinander geführten Stößeleinheiten erfolgt, mithin - entsprechend vorgegebenen Stell- bzw. Einsatzbedingungen - minimale Achsenabstände der Stößeleinheiten zueinander realisiert werden können.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dabei günstig vorgesehen, dass das die Aktoreneinheiten aufnehmende, gemeinsame Gehäuse stirnseitig mit einem Gehäuse-Führungsabschnitt (Führungsrohr) zusammenwirkt, welcher - typischerweise in Form parallel zueinander verlaufender Durchgangsbohrungen - Führungen für die Mehrzahl der Stößeleinheiten anbietet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine der Aktoreneinheiten platzsparend, gleichzeitig elektromagnetisch optimiert mittels einer flussleitenden Aktormanteleinheit realisiert, welche bügelförmig ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich die Packungsdichte der Mehrzahl von Aktoreneinheiten im gemeinsamen Gehäuse weiter erhöhen, insbesondere dadurch, dass die Aktoreneinheiten so angeordnet sind, dass jeweilige Aktorenmanteleinheiten benachbarter Aktoren einander nicht berühren.
Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung ist es zudem günstig, die Ankereinheit aus einem verbreiterten Ankerabschnitt zu realisieren, welcher einen Permanentmagneten und mindestens eine darauf vorgesehene Ankerscheibe (bevorzugt zum Ausbilden der Eingriffsfläche) aufweist, wobei dieser verbreiterter Ankerabschnitt dann axial in einen langgestreckten Ankerstößelabschnitt übergeht, welcher in einem (eine entsprechende Führungsbohrung aufweisenden) Kern geführt ist. Der Kern (Kerneinheit) kann dann selbst bevorzugt eine weiterbildungsgemäß vorgesehene Druckfeder, welche gegen den Anker wirkt, aufnehmen und/oder eine Durchgangsbohrung für Fluide (insbesondere Luft) zur weiteren Bewegungsoptimierung mittels Druckausgleich aufweisen. Insbesondere im Hinblick auf eine Schaltzeitoptimierung bei tiefen Temperaturen hat sich die weiterbildungsgemäße Druckfeder als vorteilhaft erwiesen; im eingefahrenen Zustand der Ankereinheit wird diese mittels des Ankerstößelabschnitts vorgespannt. Sobald dann die Spuleneinheit bestromt wird, wird zunächst die Haltekraft des Permanentmagneten am Kern geschwächt. Zusätzlich wirkt die abstoßende Kraft zwischen Spuleneinheit und Permanentmagnet, wodurch sich dann durch die Federkraft und die Abstoßung zwischen Permanentmagnet und Spuleneinheit der Anker verschiebt, sobald das Magnetfeld vollständig aufgebaut ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der (metallischen) Stößeleinheiten mit mehreren Abschnitten in axialer Richtung versehen: ein erster, magnetisch optimierter Abschnitt der Stößeleinheit bildet die eingriffsseitige Stirnfläche aus, d.h. wirkt mit der Eingriffsfläche der Ankereinheit zusammen, während ein gegenüberliegender zweiter Stößelabschnitt, etwa zum Zwecke des Zusammenwirkens mit einem nachgeschalteten Stellaggregat, im Hinblick auf Härte- bzw. Verschleißeigenschaften optimiert ist. Eine derartige Realisierung mehrerer Abschnitte der Stößeleinheit kann dabei entweder durch geeignete Materialbeeinflussung einer einstückigen Einheit erfolgen, alternativ kann im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen die Stößeleinheit mittels mehrerer Einzelabschnitte geeignet zusammengefügt werden, wobei diesbezüglich als Stand der Technik auf die deutsche Gebrauchsmusteranmeldung 20 2006 011 905 der Anmelderin Bezuggenommen wird. So eignet es sich weiterbildungsgemäß günstig, den ersten magnetisch optimierten Abschnitt der Stößeleinheit mittels eines weichmagnetischen Werkstoffs zu realisieren, wobei sich weiter bevorzugt ferromagnetische Metalle (wie Eisen, Kobalt, Nickel) günstig zur Realisierung eignen. Dagegen ist es im Rahmen der Erfindung weiterbildungsgemäß bevorzugt, den zweiten Stößelabschnitt aus austenitischem Material zu realisieren, wobei hier insbesondere Verfahren der Kaltverformung die Härte des zweiten Abschnitts weiter steigern können. Dabei ist nicht notwendigerweise die Stößeleinheit aus zwei separaten Werkstücken zu realisieren, vielmehr kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, etwa den zweiten, verschleißoptimierten Abschnitt durch einen (z.B. durch eine Wärmebehandlung) gehärteten Abschnitt eines ansonsten weichmagnetischen Materials auszubilden.
Während die vorliegende Erfindung sich insbesondere für eine Realisierung von Stellaufgaben mittels drei zueinander achsparallel und in einer Ebene verlaufenden Stößeleinheiten eignet, vorteilhaft etwa zur Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vorteilhaft lässt sich insbesondere auch der Abstand zweier zueinander geführter Stößeleinheiten im Rahmen der Erfindung optimieren, ebenso wie Realisierungsformen denkbar sind, bei welchen mehr als drei Stößeleinheiten durch jeweils eine zugehörige Aktoreneinheit kompakt und platzoptimiert angetrieben werden. Während zudem die achsparallel Führung der Stößeleinheiten die typische Realisierungsform sein dürften, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt; vielmehr ist es zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorteile ausreichend, wenn lediglich eine Komponente des Bewegungsvektors einer jeden Stößeleinheit in der Stellrichtung verläuft, wobei insbesondere auch windschiefe oder auf andere Weise zueinander geneigte Erstreckungsrichtungen der Stößeleinheiten von der vorliegenden Erfindung umfasst sind. Auch ist die Führung der Stößeleinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse die typische Realisierungsform, denkbar und im Rahmen der Erfindung umfasst sind jedoch auch Varianten, bei welchen jeweilige Stößeleinheiten in separaten, entsprechend zueinander benachbarten Einzelgehäusen geführt sind.
Im Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und eleganter Weise eine Anordnung, welche kompakte Bauform mit Montagefreundlichkeit, hoher Betriebssicherheit und optimalen Schaltzeit- und magnetischen Eigenschaften kombiniert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

Fig. 1:: eine Perspektivansicht der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (mit abgenommenem Gehäuse);
Fig. 2:: eine Rückansicht/Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1;
Fig. 3:: eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 1;
Fig. 4:: eine Schnittansicht durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 (mit Gehäuse) entlang der Schnittlinie B-B in Fig. 5;
Fig. 5:: einen Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 4 entlang der Schnittlinie A-A;
Fig. 6:: einen Längsschnitt durch eine Aktuatoreinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis Fig. 5;
Fig. 7, Fig. 8:: um 90° gedrehte Detailansichten des bügelförmigen Flussleitelements (Aktormanteleinheit) zur Verwendung in der Aktoreneinheit gemäß Fig. 6;
Fig. 9, Fig. 10:: eine Perspektiv- sowie Seitenansicht zum verdeutlichen des Zusammenwirkens zwischen einer Aktoreneinheit (Fig. 6 bis Fig. 8) mit einer exzentrisch sowie teilflächig zusammenwirkenden Stößeleinheit;
Fig. 11:: eine Perspektivansicht der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei Stößeleinheiten;
Fig. 12:: ein Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäß Figur 11;
Fig. 13, Fig. 14:: Detailansichten zum Verdeutlichen des Zusammenwirkens einer Aktoreneinheit des Ausführungsbeispiels der Fig. 11 und Fig. 12 mit einer Stößeleinheit;
Fig. 15, Fig. 16:: Schemadiagramme zum Verdeutlichen des magnetischen Zusammenwirkens der Permanentmagneten zweier benachbarter Aktoreneinheiten im eingefahrenen Zustand (Fig. 15) bzw. ausgefahrenen Zustand einer Aktoreneinheit (Fig. 16);
Fig. 17:: ein Längsschnitt analog Fig. 5 zum Verdeutlichen einer weiteren Ausführungsform mit Stößeleinheiten, welche aus mehreren funktionalen Abschnitten bestehen; und
Fig. 18, Fig. 19:: eine Seiten- bzw. Perspektivansicht einer Variante der vorliegenden Erfindung einer relativ zu einer Aktor-Bewegungsrichtung geneigten Stößeleinheit, welche zudem eine ballig gewölbte Stirnfläche zum Zusammenwirken mit dem Aktor aufweist.

Die Figuren 1 bis 3 zum ersten Ausführungsbeispiel zeigen, wie drei Aktoreneinheiten 10, 12, 14 in einem Gehäuse (gezeigt ist lediglich ein kreisförmiger Gehäusedeckel 16 als Joch) so verteilt angeordnet sind, dass die Aktoreneinheiten 10 bis 14 an einer hohlzylindrischen Innenwand eines Gehäusemantels 18 (in den Figuren 1 und 3 nicht gezeigt) anliegen. Auf dem Gehäusedeckel (Joch) 16 sitzt ein eingriffseitiger, flacher Gehäuseabschnitt 20, welcher drei nebeneinander in einer Erstreckungsebene liegende Durchbrüche zum Führen dreier Stößeleinheiten 22, 24, 26 aufweist, welche in der gezeigten Weise achsparallel gelagert und in nachfolgend zu beschreibender Weise durch eine zugeordnete der Aktoreneinheiten 10, 12, 14 selektiv antreibbar sind.
Bei einem typischen äußeren Gehäusedurchmesser von 40 mm beträgt dabei ein maximaler Durchmesser d (Figur 2) einer der Aktoreneinheiten 10 bis 14 ca. 17 mm; die gezeigte Anordnung kann damit bei angenommenem Durchmesser der langgestreckt-zylindrischen Stößeleinheiten 22, 24, 26 von 5 mm in der in Figur 3 gezeigten Weise einen mittleren Achsenabstand a der Stößeleinheiten von 7 mm realisieren, entsprechend den Einbau- und Stellbedingungen an ein nachgeschaltetes Aggregat, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Nockenwellensteuerung für einen Verbrennungsmotor, welche durch die drei Stößel 22, 24, 26 betätigbar ist (nicht gezeigt).
Die Bildansichten der Figuren 4 und 5 (abweichend zu den Figuren 1 bzw. 3 ist hier auch der zylindrische Gehäusemantel 18 gezeigt) verdeutlichen insbesondere die geometrischen Verhältnisse im Übergang zwischen den Aktoreneinheiten 10 bis 14 (genauer gesagt den eingriffseitigen Eingriffsflächen 28, 30, 32 der Aktoreneinheiten) und den jeweils darauf gerichteten Stirnflächen 34, 36 bzw. 38: es ergibt sich, vgl. insbesondere die Schnittansicht der Fig. 4, dass die Stößeleinheiten 22, 24, 26 jeweils exzentrisch auf den scheibenförmigen Eingriffsflächen 28 bis 32 aufsitzen, wobei die ebenfalls kreisförmigen Stirnflächen 34 bis 38 in der in Fig. 4 gezeigten Weise teilweise über einen jeweiligen Außenrand der Eingriffsflächen 28 bis 32 der Aktoreneinheiten hinausragen. Auf diese Weise ist dann die gezeigte Geometrie erreichbar, nämlich eng nebeneinander, gleichwohl unabhängig voneinander bewegbar geführte Stößeleinheiten 22 bis 26 mit minimiertem Abstand zueinander (im Ausführungsbeispiel a = 7 mm, vergleiche Fig. 3). Dabei besitzen im gezeigten Ausführungsbeispiel, wie etwa in der Fig. 5 gezeigt, plane Stirnflächen. Diese können jedoch auch eine andere Konturierung, etwa eine konvexe (ballige) Außenform besitzen, um etwa einem möglichen Umstand Rechnung zu tragen, dass in alternativen Realisierungsformen die Bewegungsrichtung der Aktoreneinheiten nicht mit der Bewegungsrichtung der Stößeleinheiten übereinstimmt, sondern etwa die Stößeleinheiten (auch relativ zueinander) im Hinblick auf die Bewegungsrichtung der Aktoreneinheiten (bzw. deren Eingriffsflächen 28 bis 32) geneigt sind.
Die Figuren 6 bis 8 verdeutlichen konstruktive Details der drei Aktoreneinheiten 10 bis 12: ein aus einem langgestreckten, zylindrischen Ankerstößelabschnitt 40 sowie einem selbst aus einer Ankerscheibe 42, einer Permanentmagnetscheibe 44 sowie einer Polscheibe 46 geschichtet gebildetem verbreitertem Ankerabschnitt 47 realisierter Anker bildet auf der Außenfläche der Polscheibe 46 eine der Eingriffsflächen 28 bis 32 aus und ist in einem langgestreckt-hohlzylindrischen Kernelement 48 geführt, welches, der Ankerscheibe 42 gegenüberliegend, einen ringförmigen Kragenabschnitt 50 ausbildet und entlang ihrer axialen Erstreckungsrichtung eine Durchgangsbohrung 52 aufweist, welche, zur Optimierung des Fluidflusses, etwa eine freie Luftströmung in der Anordnung ermöglicht und darüber hinaus zum Aufnehmen einer Druckfeder 54 ausgebildet ist, welche im in Fig. 6 gezeigten Anschlagzustand des Ankers diesen in seiner nach rechts gerichteten Bewegungsrichtung vorspannt.
Das Jochelement 48 ist zunächst von einer einen Spulenträger 56 sowie eine Wicklung 58 aufweisenden Spuleneinheit umgeben, welche selbst wiederum in abschnittsweise in Umfangsrichtung von einem bügelförmigen Flussleitelement 60 umgeben ist, welches einends einen Durchbruch für ein schmales Ende des Jochelements 48 anbietet, andernends in zwei freie Schenkeln 62, 64 mündet, welche den Stellweg des Ankers (und damit auch der Polscheibe 46 mit Eingriffsfläche) begrenzt.
Die Figuren 7 und 8 zeigen das bügelförmige Flussleitelement 60 im Detail; die Schenkel 62 bzw. 64 sind langgestreckt-zylinderabschnittsförmig geformt und sitzen einstückig an einem Bodenabschnitt 66. Varianten dieses Ausführungsbeispiels im Rahmen der vorliegenden Erfindung sehen zudem vor, dass das bügelförmige Flussleitelement 60 lediglich einen Schenkel aufweist und ein anderer des Schenkelpaares 62 bzw. 64 entfallen kann. Dies führt zwar zu einer Herabsetzung der magnetischen Eigenschaften, ermöglicht jedoch potentiell das noch weitere Verdichten einer Mehrzahl damit gebildeter Aktoreneinheiten zu einem kompakten Gefüge.
Die Figuren 9 und 10 verdeutlichen als isolierte Darstellung einer Aktoreneinheit mit einer Stößeleinheit, wie - bei praktisch unbeeinträchtigter elektromagnetischer Funktionalität - die bügelförmige Flussleiteinheit 60 in Umfangsrichtung lediglich abschnittsweise gegenüberliegend die Anordnung aus Spuleneinheit, Jochelement und Ankereinheit umgibt, gleichzeitig die Möglichkeit für die gezeigte Stößeleinheit 22 eröffnet, randseitig mit einem Teil der Stirnfläche über die Eingriffsfläche 28 hinaus zu ragen.
Die Figur 2 verdeutlicht in diesem Zusammenhang, wie die langgestreckt-scheibenförmigen Bodenabschnitte 66 bzw. die Schenkel 62, 64 der jeweiligen Flussleitelemente so platziert sind, dass - zur Minimierung der Packungsdichte im hohlzylindrischen Gehäuse - keine gegenseitige Beeinflussung der Flussleitelemente 60 stattfindet, vielmehr der (geringere) Außendurchmesser der Spuleneinheiten wirksam zur Platzminimierung genutzt werden kann.
Die Figuren 11 bis 14 zeigen eine alternative Realisierungsform der vorliegenden Erfindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel sieht lediglich zwei Stößeleinheiten 70, 72 vor, welche von jeweils zugehörigen Aktoreneinheiten 74 bzw. 76 bewegt werden. Die Aktoreneinheiten 74 bzw. 76 entsprechen konstruktiv der anhand der Figuren 6 bis 8 erläuterten Realisierung und sitzen im dargestellten Ausführungsbeispiel in einem gemeinsamen Gehäuse 78, welches eine Flachkontur besitzt (das Bezugszeichen 80 zeigt schematisch einen Befestigungsflansch für die Gehäuseanordnung 78).
Wie insbesondere die Schnittansicht der Figur 12 verdeutlicht, sind wiederum die langgestreckt-zylindrischen Stößeleinheiten 70, 72 in einem vorderen Gehäuseabschnitt 82 so geführt, dass diese unter Minimierung ihres Achsenabstandes (wiederum ca. 7 mm) zueinander parallel bewegbar sind, wobei wie die Figur 12 erkennen lässt, in der erfindungsgemäßen Weise die Stößeleinheiten 70, 72 jeweils exzentrisch auf den durch eine jeweilige Polscheibe 46 gebildeten äußeren Eingriffsflächen aufsitzen (bzw. dort magnetisch haften). Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird zudem deutlich, dass hier die Stößeleinheiten 70 bzw. 72 jeweils aus zwei Abschnitten bestehen, einem ersten, magnetisch optimierten Abschnitt 84 sowie einem daran in Längsrichtung ansitzenden zweiten Abschnitt 86, welcher insbesondere zum optimierten Zusammenwirken mit einem endseitigen Eingriffspartner angepasst ist, etwa durch geeignetes Härten (oder andere Behandlungsformen zur Verschleißfestigkeit oder dgl.). Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine jeweilige der Stößeleinheiten 70, 72 aus zwei geeigneten Metallmaterialen für die Abschnitte 84 bzw. 86 zusammengefügt; andere Alternativen zur Realisierung der mehreren Abschnitte sind denkbar, ebenso wie auch eine Verwendung der zweiteiligen Stößeleinheiten im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels der Figuren 1 bis 10 (insoweit zeigt die Figur 17 als weiteres Ausführungsbeispiel diese Variante, wobei identische Funktionskomponenten mit denselben Bezugszeichen versehen und die Stößeleinheiten 22', 24' sowie 26' entsprechend zweiteilige Varianten sind). Im Hinblick auf die Realisierung des ersten Abschnitts 84 bzw. des zweiten Abschnitts 86 wird auf die DE 20 2006 011 905 U1 der Anmelderin verwiesen; danach eignet sich die Verwendung eines weichmagnetischen bzw. ferromagnetischen Materials für den ersten Abschnitt besonders günstig, während etwa ein austenitischer Werkstoff zur Realisierung des zweiten Abschnitts günstig ist und beide Abschnitte durch geeignete Fügeverfahren miteinander dauerhaft verbunden sind. Alternativ lässt sich im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen etwa auch der zweite Abschnitt durch Härten o. dgl. Maßnahmen eines ansonsten magnetisch günstigen (z.B. weichmagnetischen) Materials realisieren.
Zum Ausführungsbeispiel der Fig. 11 und Fig. 12 verdeutlichen die Detailansichten der Fig. 13 und Fig. 14 wiederum das exzentrische bzw. auch seitlich überragende Aufsitzen der Stößeleinheiten an bzw. auf einer jeweiligen Eingriffsfläche.
Die Fig. 15 und Fig. 16 verdeutlichen eine magnetische Wechselwirkung zwischen zwei benachbarten Aktoreneinheiten, wobei dies sowohl für das erste Ausführungsbeispiel mit drei Stößeleinheiten, als auch für das zweite Ausführungsbeispiel mit zwei Stößeleinheiten gilt: die Figur 15 zeigt schematisch, wie bei eingeschobenem Zustand zweier benachbarter Aktoreneinheiten die jeweilige Permanentmagnetscheibe 44 (magnetisiert in axialer Richtung) sich jeweils auf der selben Höhe befindet, mit anderen Worten und wie durch die Doppelpfeile in Fig. 15 gezeigt, es kommt zu einem Abstoßungseffekt der jeweiligen gleichen Magnetpole voneinander, so dass eine Abstoßungskraft zwischen den jeweiligen Ankereinheiten in diesem Betriebszustand besteht. Sobald eine der Aktoreneinheiten aus ihrer Ruhelage (also etwa entsprechend Figur 6) bewegt wird, kommt es zwischen dem Südpol des links gelegenen Permanentmagneten und dem Nordpol des rechts gezeigten Permanentmagneten zu einer Anziehung (verdeutlicht durch den langen Doppelpfeil), während nach wie vor die gleichpoligen Permanentmagnetabschnitte einander abstoßen (kurze Doppelpfeile). Im Ergebnis wird durch diese Konfiguration dann das Dynamikverhalten der beschriebenen Ausführungsbeispiele verbessert.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand der Ausführungsbeispiele lediglich exemplarisch beschrieben; im gezeigten Ausführungsbeispiel wurde bei einem Durchmesser des Gehäusemantels von ca. 40 mm ein Achsabstand von lediglich 7 mm von drei benachbarten zylindrischen Stößeleinheiten realisiert (die jeweils 5 mm Durchmesser aufweisen). Mit einem effektiven Hub der Aktorenbewegung von 4 mm lässt sich eine Schaltzeit zwischen ca. 20 und 22 msec (12 bis 22, bis 100ms bei -35°C) realisieren.
Während die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele voraussetzten, dass Aktor und Stößeleinheit jeweils achsparallel zueinander geführt und ausgerichtet sind, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt; vielmehr ist es im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen möglich, dass die Stößeleinheiten relativ zu den Aktoren bzw. deren Bewegungsrichtungen geneigt sind, wie auch die Stößeleinheiten relativ zueinander geneigt sein können (also z.B. windschief geführt sind), ebenso wie prinzipiell nicht ausgeschlossen ist, dass auch die Bewegungsrichtung der Mehrzahl von Aktoren zueinander geneigt ist. Die Fig. 18 und 19 verdeutlichen als seitliche bzw. Perspektiv-Darstellung eine solche Variante, nämlich einen in seiner Bewegungsrichtung relativ zur Aktor-Bewegungsrichtung geneigten Stößel, welcher zudem stirnseitig in seinem Eingriffsbereich zum Aktor keine plane, sondern eine ballige (konkav gewölbte) Stirnfläche aufweist.
Konkret sitzt hier, analog zur Darstellung der Fig. 9, 10 (insoweit bleiben die Bezugszeichen für die Aktoreinheit 60 erhalten) eine Stößeleinheit 90 auf der Eingriffsfläche 28 der Aktoreinheit auf, wobei jedoch, abweichend von der Stößeleinheit 22, die Stößeleinheit 90 eingriffsseitig zum Zusammenwirken mit der Stirnfläche 28 einen konvex gewölbten, balligen Endabschnitt 92 ausbildet, so dass im Endbereich der Scheibe 28 ein sicheres Zusammenwirken und eine zuverlässige Kraftübertragung zwischen den Einheiten gewährleistet ist. Die aus den Darstellungen der Fig. 18, 19 erkennbare Geometrie verdeutlicht zudem, dass eine durch die Längsachse der Stößeleinheit 90 verlaufende Bewegungsrichtung der Stößeleinheit (diese ist -- nicht gezeigt -- entsprechend in einem zugeordneten Gehäuse geführt) realtiv zur Längs- bzw. Axialrichtung der Aktoreinheit geneigt ist+. Wiederum analog zur Ausführungsform der Fig. 9, 10 sitzt die Stößeleinheit 90 auf der scheibenförmigen Oberfläche 28 auf und kann dort z.B. durch Permanentmagnetwirkung haftend gehalten sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Konfigurationen mit zwei bzw. drei Stößeleinheiten beschränkt, sondern eignet sich prinzipiell auch für eine größere Anzahl von Aktoren- und zugehörigen Stößeleinheiten. Auch wenn ein bevorzugtes Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung in der Realisierung von Stellaufgaben bei Verbrennungsmotoren, etwa in der Nockenwellenverstellung, liegt, ist prinzipiell die Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung unbegrenzt und wirkt sich insbesondere dort vorteilhaft aus, wo lediglich geringer Einbauraum für eine Mehrzahl von Aktoreneinheiten zur Verfügung steht, gleichzeitig jedoch jeweilige Stößel mit nur sehr geringem Abstand voneinander ihren Stellzweck erfüllen müssen.

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer Mehrzahl von elektromagnetischen Aktoreneinheiten (10, 12, 14), die zum Ausüben einer Stellkraft auf eine entsprechende Mehrzahl von langgestreckten Stößeleinheiten (22, 24, 26) selektiv ansteuerbar sind, wobei
die Aktoreneinheiten (10, 12, 14) entlang ihrer Stellrichtung bevorzugt zueinander achsparallel in einem Gehäuse (18, 20; 78, 82) vorgesehen sind oder in separaten, zueinander benachbarten Einzelgehäusen vorgesehen sind,
jeweils an einem einer jeweils zugeordneten der Stößeleinheiten (22, 24, 26) zugewandten Eingriffsende eine zumindest abschnittsweise plane, axial in der Stellrichtung bewegbare Eingriffsfläche ausbilden und eine eingriffsseitige Stirnfläche (34, 36, 38) einer jeweiligen der Stößeleinheiten (22, 24, 26) mit der Eingriffsfläche (28, 30, 32) zusammenwirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Mehrzahl der Stößeleinheiten (22, 24, 26) mit ihrer eingriffsseitigen Stirnfläche (34, 36, 38) exzentrisch, insbesondere mit lediglich einer Teilfläche, auf der Eingriffsfläche (28, 30, 32) der zugehörigen Aktoreneinheit (10, 12, 14) aufsitzt, insbesondere darauf magnetisch haftet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Aktoreneinheiten (10, 12, 14) einander unmittelbar benachbart so in dem zumindest abschnittsweise hohlzylindrischen Innenraum des Gehäuses vorgesehen sind, dass die Aktoreneinheiten (10, 12, 14) an der Gehäuseinnenwand anliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Aktoreneinheiten (10, 12, 14) eine Permanentmagnetmittel (44) aufweisende, endseitig die Eingriffsfläche (28, 30, 32) ausbildende Ankereinheit aufweist, die durch Bestromung einer stationären Spuleneinheit (56, 58) bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit von einer zumindest abschnittsweise zylindrischen oder hohlzylindrischen, magnetisch flussleitenden Aktormanteleinheit (60) so umgeben ist, dass die Eingriffsfläche (28, 30, 32) in einem offenen Ende der Aktorenmanteleinheit bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorenmanteleinheit bügelförmig so ausgebildet ist, dass ein freier Schenkel (62, 64) der Aktorenmanteleinheit eine hohlzylinderabschnittsförmige Umfangsbegrenzung der Ankereinheit sowie der Spuleneinheit bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit einen die Permanentmagnetmittel aufweisenden verbreiterten Ankerabschnitt (46) axial außerhalb der Spuleneinheit sowie einen daran ansitzenden langgestreckten Ankerstößelabschnitt (40) aufweist, der zumindest abschnittsweise in einer langgestreckten, von der Spuleneinheit umschlossenen Kerneinheit (48) der Aktoreneinheit (10, 12, 14) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerneinheit (48) aus magnetischem Material realisiert ist und/oder eine einen Fluid-Druckausgleich ermöglichenden Durchgang (52), insbesondere Durchgangsbohrung (52), aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit gegen die Kraft einer bevorzugt axial vorgesehenen Feder, insbesondere einer gegen den Ankerstößelabschnitt (40) wirkenden und/oder in dem Durchgang (52) vorgesehenen Druckfeder (54), geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der elektromagnetischen Aktoreneinheiten (10, 12, 14) sowie die entsprechende Mehrzahl von Stößeleinheiten (22, 24, 26) mindestens 3 beträgt und die Stößeleinheiten (22, 24, 26) so relativ zu den Aktoreneinheiten (10, 12, 14) geführt sind, dass jeweilige Längsachsen der Stößeleinheiten (22, 24, 26) in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Stößeleinheiten (22, 24, 26) im Bereich der eingriffsseitigen Stirnfläche (34, 36, 38) einen ersten, materialmäßig zum magnetischen Zusammenwirken mit der zugehörigen Aktoreneinheit (10, 12, 14) optimierten, insbesondere ferromagnetischen Abschnitt (84) sowie, diesem entlang der Erstreckungsrichtung entgegengesetzt, endseitig einen zweiten materialmäßig gehärteten und/oder verschleißoptimierten, insbesondere austenitischen Abschnitt (86) ausbildet.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für Stellaufgaben an einem Verbrennungsmotor, insbesondere zur Nockenwellenverstellung.