EP2306472A2 - Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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EP2306472A2
EP2306472A2 EP10176122A EP10176122A EP2306472A2 EP 2306472 A2 EP2306472 A2 EP 2306472A2 EP 10176122 A EP10176122 A EP 10176122A EP 10176122 A EP10176122 A EP 10176122A EP 2306472 A2 EP2306472 A2 EP 2306472A2
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EP
European Patent Office
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actuator
armature
combustion engine
internal combustion
permanent magnet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10176122A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2306472A3 (de
Inventor
Janusz Zurke
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Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP2306472A2 publication Critical patent/EP2306472A2/de
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    • H01F2007/1669—Armatures actuated by current pulse, e.g. bistable actuators

Definitions

  • the invention relates to an actuator for an internal combustion engine having an electromagnet having a coil, a fixed core, a movable armature, a yoke and a return plate, an actuating element which is actuated via the electromagnet and is operatively connected to the armature and at least one permanent magnet , which holds the armature in one of its end positions in the de-energized state of the electromagnet.
  • Such actuators are used for example for adjusting sliding cam contours on which different lifting profiles are formed and which are arranged displaceably on a camshaft.
  • the adjusting element engages in a groove of the sliding cam. After the axial adjustment resulting therefrom, the actuating element is normally passively returned to its starting position via a lifting contour of the groove.
  • Such an actuator is for example from the WO 03/021612 A1 known.
  • the actuator of the electromagnetic actuator described herein is formed by a plunger which is engageable with the sliding cam groove.
  • the adjusting device has a permanent magnet, which is firmly connected to the plunger and is held by its magnetic force, the plunger in its retracted position. By driving the electromagnet, the field of the permanent magnet is weakened so much that the holding force is less than a force which is exerted in the extension direction of the plunger via a spring element on the plunger, so that the plunger is moved into the groove.
  • the characterizing part of the main claim characterized in that the permanent magnet is arranged stationary within the electromagnet and the return plate at a distance from the permanent magnet is arranged stationary, so that in a first end position of the armature, a first permanent magnetic circuit on the permanent magnet, the yoke, the return plate and the armature is closed and in one second end position a second permanent magnetic circuit on the permanent magnet, the yoke, the core and the armature is closed, is in both end positions exerted by the permanent magnet, a holding force on the actuator.
  • An activation of the electromagnet is thus only necessary for the extension of the actuating element, if a mechanical feedback over a lifting contour is used.
  • the fixed arrangement of the magnet without mechanical stress ensures its functionality over a long period of time.
  • the mass to be moved is very small, so that no high actuating forces must be applied.
  • An undesirable provision of the control element due to vibrations occurring is largely excluded by the bistability of the actuator
  • the at least one permanent magnet is arranged axially between the coil and the return plate.
  • the two separate, axially superimposed permanent magnetic circuits which lead in the end positions of the actuating element for holding the actuating element without energizing the electromagnet.
  • the adjusting element is attached to an inner wall of the hollow cylindrical armature, the first axial end surface rests in the first end position against the return plate and its opposite axial end surface in the second end position against the core.
  • the actuator can be made of a non-magnetizable material.
  • a spring element protrudes into the hollow cylindrical armature, which rests with its first axial end against the actuating element and with its second axial end against the core.
  • the return plate is formed integrally with a guide housing part of the actuating element. This simplifies the manufacture and assembly of the actuator.
  • the at least one permanent magnet is a radially magnetized ring magnet.
  • a magnet is easy to integrate in the structure of the actuator.
  • the resulting field lines of the magnet are easily weakened by the coil to achieve movement.
  • due to the symmetry of the magnetic field only a weak magnetic field penetrates to the outside, so that the electromagnetic compatibility is improved.
  • two permanent magnets are arranged opposite to each other, wherein the central axis of the electromagnet forms an axis of symmetry of the permanent magnets.
  • the permanent magnets are cuboid or ring segment-shaped. This facilitates installation in the electromagnetic actuator.
  • the yoke has a number of legs corresponding to the number of permanent magnets, which abut against the permanent magnets, whereby the permanent magnetic circuit is closed and its sysmetry is maintained.
  • the inner wall of the armature widens frustoconically in the direction of the core, which has a pointing in the direction of the armature corresponding truncated cone shape. This significantly increases the force acting on the armature compared to a flat design of the armature and the core in this range of motion.
  • the core extends cylindrically in the direction of the armature, which has a corresponding free space in the interior, which is bounded radially outwardly by a wall whose outer side narrows in the direction of the cone frustoconical.
  • the force acting on the armature permanent magnetic force is in this embodiment in the area just before the retracted end position, ie at a distance of about 1mm particularly large. This is necessary in the application of such an actuator as a sliding cam plate, since the returning lifting cam must be able to be arranged with appropriate tolerance to the actuator.
  • an actuator which has a long service life due to low loading of the permanent magnet, a compact construction due to low accelerated masses and good electromagnetic compatibility due to the arrangement of the permanent magnets.
  • the actuator is inexpensive to produce and has a low power consumption. Nevertheless, a high level of security is guaranteed without malfunctions.
  • FIG. 1 illustrated actuator consists of an electromagnet 2, an actuating element 4, which is actuated via the electromagnet 2 and a permanent magnet 6 for generating a holding force in both end positions of the actuating element 4th
  • the electromagnet 2 has a coil 8 which is surrounded by a yoke 10 and in the interior of which an axially movable armature 12 is arranged, which is fixedly connected to the adjusting element 4 so that it is moved with movement of the armature 12.
  • the armature 12 is designed as a hollow cylinder, on the inner walls of the ram-shaped adjusting element 4 is firmly bonded or by pressing.
  • a spring element 14 is arranged in the form of a helical spring, which is supported with its first end against the actuator 4, and with its second end against a core 16, which in the present embodiment with one piece the yoke 10 is made.
  • the outer diameter of the armature 12 slides on one. Inner diameter of a bobbin 18.
  • Another guide of the assembly consisting of armature 12 and actuator 4 takes place in a guide housing part 20 which radially surrounds the actuator 4 in the axial direction of extent.
  • This guide housing part 20 is designed in one piece with a return plate 22, via which the electromagnetic circuit is closed.
  • This return plate 22 extends from the guide housing part 20 radially to the outer yoke 10.
  • a radially outer portion 24 of the return plate 22 extends in the axial direction to the coil 8 and is located with its axial end against the permanent magnet 6, whose axially opposite end against the coil carrier 18 and its radial outer circumference bears against the yoke 10, so that the permanent magnet 6 is fixed in its position. It can be seen that the magnet 6 has a fixed position in the actuator and is not loaded by impacts of the moving parts. Accordingly, it has a long service life.
  • FIG. 2 shown actuator differs from that in FIG. 1 illustrated only by the structural design of the core 16 and the armature 12. For this reason, for the same components in the FIGS. 1 to 3 each used the same reference numerals.
  • the inner wall of the hollow cylindrical armature 12 is formed frustoconically widened at its end facing the core 16.
  • the core 16 made in one piece with the yoke 10 has a truncated cone shape. This truncated cone rises in the direction of the armature 12, the outer walls of which have a shape corresponding to the frustoconical inner walls of the armature 12. From an upper surface 26 of the truncated cone of the core 16, on which also the spring element 14 is supported, rises in the direction of the armature 12, a cylindrical portion 28 into the interior of the spring element 14 and the armature 12th
  • FIG. 3 a modified form of the armature 12 and the core 16 is shown.
  • the interior of the hollow cylindrical armature 12 has a shoulder 30, on which the free inner diameter grows suddenly from the outer diameter of the adjusting element 4.
  • the inner diameter of the armature 12 is slightly larger than an outer diameter of the cylindrical in this embodiment extending in the direction of the armature 12 core 16.
  • At the core 16 facing end furthermore has the radially outer peripheral wall of the armature 12 is a continuous constriction, so that a frusto-conical wall 34 is formed.
  • FIGS. 4 a) to d) show different alternative ways to arrange the permanent magnet 6 in the actuator.
  • FIG. 4 a is a radially magnetized permanent magnet 6 shown in the form of a ring which is bounded radially outwardly from the yoke 10 and radially inwardly from the armature 12.
  • the field lines of the permanent magnet 6 extend over the yoke 10, and the core 16 in the armature 12.
  • the permanent magnetic field lines lead from the armature 12 back to the magnet 6, while the field lines of the electromagnetic field on the Return plate 22 again lead to the yoke 10.
  • a second permanent magnetic field has field lines which lead back to the magnet 6 via the yoke 10 and the return plate 22 and the armature 12.
  • the field lines are each uniformly distributed over the yoke 10.
  • FIG. 4 b An alternative embodiment discloses the FIG. 4 b) , Here, four individual rectangular magnets 6 are used instead of the ring magnet, however, which are arranged to each other such that the central axis of the actuator serves as an axis of symmetry for the four magnets 6. After radially outward, the four magnets 6 abut against one leg 32 of the yoke 10, which thus does not have the circumference in this embodiment is executed closed. However, since the symmetry of the yoke 10 and the permanent magnet 6, there is a good electromagnetic compatibility recovered.
  • the magnet 6 is formed by two again symmetrically to the central axis magnetized and arranged ring segment-shaped individual magnets, Again, creates a symmetrical magnetic field, soft can be used to hold the actuator 4 in its end positions.
  • a same magnetic field can be generated by a corresponding arrangement of two magnet cuboids, which in turn are magnetized and arranged symmetrically to the central axis.
  • This design is in FIG. 4 d) shown.
  • a leg 32 of the yoke 10 is arranged in this embodiment.
  • the armature 12 In its initial position, which corresponds to the retracted position of the actuating element, the armature 12 bears against the core 16 with its first axial end. In this position, the armature 12 and thus the actuator 4 is held by the permanent magnet 6, since there is a permanent magnetic field whose field lines from the permanent magnet 6 via the yoke 10 and the core 16 in the armature 12 and back to the opposite pole of the permanent magnet 6 , It is accordingly a closed magnetic field, which exerts a holding force on the armature 12, the greater than a spring force acting in the opposite direction, which exerts the spring element 14 on the armature 12.
  • the actuator 4 must be moved to an extended state.
  • a magnetic field is generated by the electromagnet 2, which acts counter to the magnetic field of the permanent magnet. This leads to a weakening of the force acting between the armature 12 and the core 16 holding force until finally the spring force is greater than the holding force, whereby the armature 12 is released from the core 16. It follows under the action of the spring force, a movement of the armature 12, in which it moves from the core 16 in its second extended end position. For this purpose, no force of the electromagnet 2 is required in this embodiment. Shortly before reaching the end position again acts a permanent magnetic force on the armature 12, which holds this in the second end position.
  • the actuator 4 slides in this state with its pointing out of the actuator end in a groove of the sliding cam and moves it to the desired position.
  • These grooves are formed so that at the end of the rotation, the actuator 4 is actively raised by a survey of the groove, so that the magnetic circuit of the permanent magnet 6 is actively interrupted, since the armature 12 stands out from the return plate 22.
  • the stroke of the groove is made slightly smaller than the stroke of the actuating element 4. This is required due to installation tolerances, otherwise the risk of jamming of the camshaft would exist.
  • the gap existing in this position must be bridged, to be able to hold the armature 12 in its end position, and if possible without having to turn on the permanent magnet 6.
  • the magnetic force necessary for this purpose should be as high as possible in this area between the core 16 and the armature 12. This is mainly due to an education according to the FIG. 3 achieved, since here in the region of the thin frustoconical wall of the armature 12, a bundling of magnetic field lines takes place, which leads to a high attraction force, so that a sufficiently high, the spring force overcome attraction already acts about 1 mm before reaching the end stop. Thus, there is an extremely low power consumption, since a current is only required to trigger the adjustment from the start position.
  • the described actuator has a low power consumption as well as high durability due to the low mechanical load of the magnet. A holding force is generated in both end positions, so that unintentional release is prevented. Furthermore, there is good electromagnetic compatibility. There are high forces at large forced by the permanent magnet strokes. Small moving masses lead to favorable possible designs.
  • any adjustment of the armature be generated by appropriately directed electromagnetic fields, so that the permanent magnet would only be used to generate a holding force in the two end positions.

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Abstract

Bekannte elektromagnetische Aktuatoren mit Permanentmagneten weisen zumeist nur in einer Endstellung eine Haltekraft durch den Permanentmagneten auf. Erfindungsgemäß wird nun ein Aktuator Vorgeschlagen, bei dem der Permanentmagnet (6) ortsfest innerhalb des Elektromagneten (2) angeordnet ist und das Rückschlussblech (22) beabstandet vom Permanentmagneten (6) ortsfest angeordnet ist, so dass in einer ersten Endstellung des Ankers (12) ein erster permanentmagnetischer Kreis über den Permanentmagneten (6), das Joch (10), das Rückschlussblech (22) und den Anker (12) geschlossen ist und in einer zweiten Endstellung ein zweiter permanentmagrietischer Kreis über den Permanentmagneten (6), das Joch (10), den Kern (16) und den Anker (12) geschlossen ist.
Ein derartiger Aktuator weist geringe mechanische Belastungen und somit eine hohe Lebensdauer auf, wobei dessen Stellelement in beiden Endpositionen ohne Stromverbrauch gehalten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Elektromagneten, der eine Spule, einen feststehenden Kern, einen beweglichen Anker, ein Joch und ein Rückschlussblech aufweist, einem Stellelement, welches über den Elektromagneten betätigbar ist und mit dem Anker wirkverbunden ist und zumindest einem Permanentmagneten, der den Anker in einer seiner Endstellungen im unbestromten Zustand des Elektromagneten hält.
  • Derartige Aktuatoren werden beispielsweise zur Verstellung von Schiebenockenkonturen, an denen unterschiedliche Hubprofile ausgebildet sind und die verschiebbar auf einer Nockenwelle angeordnet sind, verwendet. Dabei greift das Stellelement, in eine Nut des Schiebenockens. Nach der hieraus folgenden axialen Verstellung wird das Stellelement normalerweise passiv über eine Hebekontur der Nut in seine Ausgangsstellung zurückgeführt.
  • Ein derartiger Aktuator ist beispielsweise aus der WO 03/021612 A1 bekannt. Das Stellelement des hierin beschriebenen elektromagnetischen Aktuators wird durch einen Stößel gebildet, der in die Nut des Schiebenockens eingreifen kann. Die Stellvorrichtung weist einen Permanentmagneten auf, der mit dem Stößel fest verbunden ist und über dessen magnetische Kraft der Stößel in seiner eingefahrenen Stellung gehalten wird. Durch Ansteuern des Elektromagneten wird das Feld des Permanentmagneten so weit geschwächt, dass die Haltekraft geringer ist als eine Kraft die in Ausfahrrichtung des Stößels über ein Federelement auf den Stößel ausgeübt wird, so dass der Stößel in die Nut bewegt wird.
  • Durch eine Hebekontur wird der Stößel zurück in seine Ausgangsstellung bewegt.
  • Neben diesen Aktuatoren mit einem Elektromagneten und einem damit kommunizierenden Stellelement ist es beispielsweise aus der DE 10 2007 028 600 A1 auch bekannt, mehrere Elektromagneten und mehrere Stellelemente in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen.
  • Bei den genannten Aktuatoren besteht jedoch das Problem, dass der Permanentmagnet Stößen und somit mechanischen Kräften ausgesetzt ist, die zu einer Entmagnetisierung und somit zum Verlust der Haltekraft führen können. Des Weiteren muss eine relativ große Masse bei der Betätigung beschleunigt werden. Die Federkraft muss zusätzlich relativ hoch gewählt werden, um eine Rückstellung des Stößels beispielsweise durch Erschütterungen im ausgefahrenen Zustand des Stellelementes zu verhindern.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, einen elektromagnetischen Aktuator zu schaffen, der in beiden Endstellungen eine ausreichende Haltekraft des Stellelementes sicherstellt. Zusätzlich soll eine mechanische Belastung des Permanentmagneten möglichst vermieden werden. Eine lange Lebensdauer des Aktuators bei möglichst geringem Stromverbrauch soll erreicht werden.
  • Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass der Permanentmagnet ortsfest innerhalb des Elektromagneten angeordnet ist und das Rückschlussblech beabstandet vom Permanentmagneten ortsfest angeordnet ist, so dass in einer ersten Endstellung des Ankers ein erster permanentmagnetischer Kreis über den Permanentmagneten, das Joch, das Rückschlussblech und den Anker geschlossen ist und in einer zweiten Endstellung ein zweiter permanentmagnetischer Kreis über den Permanentmagneten, das Joch, den Kern und den Anker geschlossen ist, wird in beiden Endstellungen durch den Permanentmagneten eine Haltekraft auf das Stellelement ausgeübt. Eine Aktivierung des Elektromagneten ist somit lediglich zum Ausfahren des Stellelementes notwendig, wenn eine mechanische Rückführung über eine Hebekontur verwendet wird. Durch die feste Anordnung des Magneten ohne mechanische Belastung wird dessen Funktionalität über einen langen Zeitraum sichergestellt. Die zu bewegende Masse ist sehr klein, so dass keine hohen Stellkräfte aufgebracht werden müssen. Eine unerwünschte Rückstellung des Stellelementes aufgrund auftretender Vibrationen wird durch die Bistabilität des Aktuators weitestgehend ausgeschlossen
  • Vorzugsweise ist der zumindest eine Permanentmagnet axial zwischen der Spule und dem Rückschlussblech angeordnet. So entstehen die zwei getrennten, axial übereinander liegenden permanentmagnetischen Kreise, weiche in den Endstellungen des Stellelementes zum Halten des Stellelementes ohne Bestromen des Elektromagneten führen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellelement an einer Innenwand des hohlzylindrisch ausgeführten Ankers befestigt, dessen erste axiale Endfläche in der ersten Endstellung gegen das Rückschlussblech und dessen entgegengesetzte axiale Endfläche in der zweiten Endstellung gegen den Kern anliegt. Somit wird keine zusätzliche magnetisierbare Platte benötigt, um das Stellelement haftmagnetisch zu fixieren. Des Weiteren werden die Herstellung und der Zusammenbau vereinfacht. Das Stellelement kann aus einem nicht magnetisierbaren Material hergestellt werden.
  • In einer weiterführenden Ausführung ragt ein Federelement in den hohlzylindrischen Anker, welches mit seinem ersten axialen Ende gegen das Stellelement und mit seinem zweiten axialen Ende gegen den Kern anliegt. Somit muss zur Verstellung des Stellelementes aus seiner eingefahrenen Position lediglich die Haftkraft des Permanentmagneten überwunden werden, während die weitere Bewegung aufgrund des Freisetzens der in der Feder gespeicherten Energie erfolgt. Entsprechend muss nach dem Lösen des Permanentmagneten keine weitere Bestromung der Spule zur Verstellung erfolgen. Entsprechend kann Strom eingespart werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist das Rückschlussblech einstückig mit einem Führungsgehäuseteil des Stellelementes ausgebildet. Dies vereinfacht die Herstellung und den Zusammenbau des Aktuators.
  • Vorzugsweise ist der zumindest eine Permanentmagnet ein radial magnetisierter Ringmagnet. Ein derartiger Magnet ist einfach im Aufbau des Aktuators zu integrieren. Die resultierenden Feldlinienverläufe des Magneten sind einfach durch die Spule zu schwächen, um eine Bewegung zu erzielen. Des Weiteren dringt durch die Symmetrie des Magnetfeldes nur ein schwaches magnetisches Feld nach außen, so dass die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert wird.
  • Alternativ sind zwei Permanentmagneten einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Mittelachse des Elektromagneten eine Symmetrieachse der Permanentmagneten bildet. Bei dieser Anordnung bleibt der Vorteil der verbesserten elektromagnetischen Verträglichkeit erhalten. Gleichzeitig können jedoch kostengünstig herstellbare Permanentmagnete verwendet werden.
  • In einer weiteren Alternative sind vier Permanentmagneten um 90° versetzt zueinander angeordnet, wobei die Mittelachse des Elektromagneten eine Symmetrieachse der Permanentmagneten bildet. Wiederum liegt eine gute permanentmagnetische Verträglichkeit bei nunmehr jedoch erhöhten magnetischen Haltekräften vor.
  • Vorzugsweise sind die Permanentmagneten quaderförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet. Dies erleichtert den Einbau in den elektromagnetischen Aktuator.
  • In einer weiterführenden Ausführung weist das Joch eine zur Anzahl der Permanentmagnete korrespondierende Anzahl an Schenkeln auf, die gegen die Permanentmagnete anliegen, wodurch der permanentmagnetische Kreis geschlossen ist und seine Sysmmetrie erhalten bleibt.
  • Um eine ausreichende permanentmagnetische Kraft auf den Anker ausüben zu können, wenn dieser sich in einer Stellung kurz vor dem eingefahrenen Zustand befindet, erweitert sich die Innenwand des Ankers kegelstumpfförmig in Richtung zum Kern, der eine in Richtung zum Anker weisende korrespondierende Kegelstumpfform aufweist. Dies erhöht im Vergleich zu einer flachen Ausführung des Ankers und des Kerns in diesem Bewegungsbereich erheblich die auf den Anker wirkende Kraft.
  • In einer alternativen Ausführung erstreckt der Kern sich zylinderförmig in Richtung zum Anker, der einen korrespondierenden Freiraum im Innern aufweist, der nach radial außen durch eine Wand begrenzt wird, deren Außenseite sich in Richtung zum Kern kegelstumpfförmig verengt. Die auf den Anker wirkende permanentmagnetische Kraft ist bei dieser Ausführung im Bereich kurz vor der eingefahrenen Endstellung, also im Abstand von ca. 1mm besonders groß. Dies ist bei der Anwendung eines derartigen Aktuators als Schiebenockensteller erforderlich, da der rückführende Hebenocken mit entsprechender Toleranz zum Aktuator angeordnet werden können muss.
  • Es wird somit ein Aktuator geschaffen, der eine hohe Lebensdauer durch geringe Belastung des Permanentmagneten, eine kompakte Bauweise durch geringe beschleunigte Massen und eine gute elektromagnetische Verträglichkeit aufgrund der Anordnung der Permanentmagneten aufweist. Der Aktuator ist kostengünstig herstellbar und weist einen geringen Stromverbrauch auf. Dennoch ist eine hohe Sicherheit ohne Fehlfunktionen gewährleisten.
  • Drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Aktuatoren sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
    • Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Aktuators in geschnittener Darstellung.
    • Figur 2 zeigt eine Seitenansicht einer alternativen Ausführung eines erfindungsgemäßen Aktuators in geschnittener Darstellung.
    • Figur 3 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten alternativen Ausführung eines erfindungsgemäßen Aktuators in geschnittener Darstellung.
    • Figur 4 a) bis d) zeigt als Kopfansicht schematisch verschiedene Anordnungen von Permanentmagneten im Aktuator.
  • Der in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Aktuator besteht aus einem Elektromagneten 2, einem Stellelement 4, welches über den Elektromagneten 2 betätigbar ist und einem Permanentmagneten 6 zur Erzeugung einer Haltekraft in beiden Endstellungen des Stellelementes 4.
  • Der Elektromagnet 2 weist eine Spule 8 auf, die von einem Joch 10 umgeben ist und in deren Innern ein axial beweglicher Anker 12 angeordnet ist, der mit dem Stellelement 4 fest verbunden ist, so dass dieses bei Bewegung des Ankers 12 mit bewegt wird. Der Anker 12 ist als Hohlzylinder ausgeführt, an dessen Innenwänden das stößelförmige Stellelement 4 stoffschlüssig oder durch Einpressen befestigt ist. Im nicht durch das Stellelement, 4 gefüllten Abschnitt des Ankers 12 ist ein Federelement 14 in Form einer Schraubenfeder angeordnet, die sich mit ihrem ersten Ende gegen das Stellelement, 4 und mit ihrem zweiten Ende gegen einen Kern 16 abstützt, der in vorliegender Ausführung einstückig mit dem Joch 10 hergestellt ist.
  • Der Außendurchmesser des Ankers 12 gleitet auf einem. Innendurchmesser eines Spulenträgers 18. Eine weitere Führung der Baueinheit bestehend aus Anker 12 und Stellelement 4 erfolgt in einem Führungsgehäuseteil 20, welches das Stellelement 4 in axialer Erstreckungsrichtung radial umschließt. Dieses Führungsgehäuseteil 20 ist einstückig mit einem Rückschlussblech 22 ausgeführt, über welches der elektromagnetische Kreis geschlossen wird. Dieses Rückschlussblech 22 erstreckt sich vom Führungsgehäuseteil 20 radial zum außenliegenden Joch 10. Ein radial außen liegender Abschnitt 24 des Rückschlussblechs 22 erstreckt sich in axialer Richtung zur Spule 8 und liegt mit seinem axialen Ende gegen den Permanentmagneten 6 an, dessen axial gegenüberliegendes Ende gegen den Spulenträger 18 und dessen radialer Außenumfang gegen das Joch 10 anliegt, so dass der Permanentmagnet 6 in seiner Position fixiert ist. Es ist zu erkennen, dass der Magnet 6 eine fixierte Lage im Aktuator aufweist und nicht durch Stöße der sich bewegenden Teile belastet wird. Entsprechend weist er eine hohe Lebensdauer auf.
  • Der in Figur 2 dargestellte Aktuator unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten lediglich durch die konstruktive Ausgestaltung des Kerns 16 beziehungsweise des Ankers 12. Aus diesem Grund werden für gleiche Bauteile in den Figuren 1 bis 3 jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Innenwand des hohlzylindrischen Ankers 12 ist an ihrem zum Kern 16 weisenden Ende kegelstumpfförmig erweitert ausgebildet. Auch der wiederum mit dem Joch 10 einstückig hergestellt Kern 16 weist eine Kegelstumpfform auf. Dieser Kegelstumpf erhebt sich in Richtung zum Anker 12, wobei dessen Außenwände eine zu den kegelstumpfförmigen Innenwänden des Ankers 12 korrespondierende Form aufweisen. Von einer oberen Fläche 26 des Kegelstumpfes des Kerns 16, auf der sich auch das Federelement 14 abstützt, erhebt sich in Richtung des Ankers 12 ein zylindrischer Abschnitt 28 ins Innere des Federelements 14 und des Ankers 12.
  • Bei der Figur 3 ist wiederum eine geänderte Form des Ankers 12 und des Kerns 16 dargestellt. Hier weist das Innere des hohlzylindrischen Ankers 12 einen Absatz 30 auf, an dem der freie Innendurchmesser sprunghaft vom Außendurchmesser des Stellelementes 4 wächst. Von hier an ist der Innendurchmesser des Ankers 12 geringfügig größer als ein Außendurchmesser des sich in dieser Ausführung zylindrisch in Richtung zum Anker 12 erstreckenden Kerns 16. Am zum Kern 16 weisenden Ende weist des Weiteren die radial äußere Umfangswand des Ankers 12 eine stetige Einschnürung auf, so dass eine kegelstumpfförmige Wand 34 entsteht.
  • Die Figuren 4 a) bis d) zeigen unterschiedliche alternative Möglichkeiten zur Anordnung des Permanentmagneten 6 im Aktuator.
  • In der Figur 4 a) ist ein radial magnetisierter Permanentmagnet 6 in Form eines Ringes dargestellt, der radial außen vom Joch 10 und radial innen vom Anker 12 begrenzt wird. Ebenso wie ein durch den Elektromagneten 2 erzeugtes Feld verlaufen auch die Feldlinien des Permanentmagneten 6 über das Joch 10, und den Kern 16 in den Anker 12. Die permanentmagnetischen Feldlinien führen vom Anker 12 zurück zum Magneten 6, während die Feldlinien des elektromagnetischen Feldes über das Rückschlussblech 22 wieder zum Joch 10 führen. Ein zweites permanentmagnetisches Feld weist Feldlinien auf, die über das Joch 10 und das Rückschlussblech 22 sowie den Anker 12 zurück zum Magneten 6 führen. Dabei sind die Feldlinien jeweils gleichmäßig über das Joch 10 verteilt.
  • Eine alternative Ausführung offenbart die Figur 4 b). Hier werden statt des Ringmagneten vier einzelne quaderförmige Magneten 6 verwendet, die jedoch derart zueinander angeordnet werden, dass die Mittelachse des Aktuators als Symmetrieachse für die vier Magnete 6 dient. Nach radial außen liegen die vier Magnete 6 gegen jeweils einen Schenkel 32 des Joches 10 an, welches somit in dieser Ausführung nicht über den Umfang geschlossen ausgeführt ist. Da jedoch die Symmetrie des Joches 10 und der Permanentmagneten 6 besteht, bleibt eine gute elektromagnetische Verträglichkeit erholten.
  • In einer weiteren Alternative, die in Figur 4 c) dargestellt ist, wird der Magnet 6 durch zwei wiederum symmetrisch zur Mittelachse magnetisierte und angeordnete ringsegmentförmige Einzelmagnete gebildet, Auch hier entsteht ein symmetrisches Magnetfeld, weiches zum Halten des Stellelementes 4 in seinen Endstellungen genutzt werden kann.
  • Alternativ hierzu kann ein gleiches Magnetfeld auch durch eine entsprechende Anordnung zweier Magnetquader erzeugt werden, die wiederum symmetrisch zur Mittelachse magnetisiert und angeordnet sind. Diese Ausführung ist in Figur 4 d) dargestellt. Radial außen eines jeden Magneten ist bei dieser Ausführung ein Schenkel 32 des Jochs 10 angeordnet.
  • In allen vier alternativen Magnetanordnungen besteht eine im Wesentlichen radiale Magnetisierungsrichtung.
  • Die Funktionsweise der konstruktiv im Vorangegangen beschriebenen Aktuatoren wird im Folgenden anhand einer Anwendung des Aktuators zur Schiebenockenverstellung beschrieben.
  • In seiner Ausgangsstellung, welches der eingefahrenen Position des Stellelementes entspricht, liegt der Anker 12 mit seinem ersten axialen Ende gegen den Kern 16 an. In dieser Position wird der Anker 12 und somit das Stellelement 4 durch den Permanentmagneten 6 gehalten, da ein permanentmagnetisches Feld besteht, dessen Feldlinien vom Permanentmagneten 6 über das Joch 10 und den Kern 16 in den Anker 12 und zurück zum entgegengesetzten Pol des Permanentmagneten 6 verlaufen. Es handelt sich entsprechend um ein geschlossenes magnetisches Feld, welches eine Haltekraft auf den Anker 12 ausübt, die größer ist als eine in entgegengesetzter Richtung wirkende Federkraft, die das Federelement 14 auf den Anker 12 ausübt.
  • Soll nun einer der Schiebenocken auf einer Nockenwelle betätigt werden, muss das Stellelement 4 in einen ausgefahrenen Zustand verschoben werden. Hierzu wird durch den Elektromagneten 2 ein Magnetfeld erzeugt, weiches dem Magnetfeld des Permanentmagneten entgegen gerichtet wirkt. Dies führt zu einer Schwächung der zwischen dem Anker 12 und dem Kern 16 wirkenden Haltekraft bis schließlich die Federkraft größer ist als die Haltekraft, wodurch der Anker 12 sich vom Kern 16 löst. Es folgt unter Einwirkung der Federkraft eine Bewegung des Ankers 12, bei der dieser sich vom Kern 16 in seine zweite ausgefahrene Endstellung bewegt. Hierzu ist bei dieser Ausführung keine Kraft des Elektromagneten 2 erforderlich. Kurz vor dem Erreichen der Endstellung wirkt wiederum eine permanentmagnetische Kraft auf den Anker 12, welche diesen in der zweiten Endstellung hält. Diese entsteht durch einen zweiten permanentmagnetischen Kreis, der vom Magneten 6 und das Joch 10 über das Rückschlussblech 22 zum Anker 12 und zurück zum Permanentmagneten 6 führt. Diese magnetische Haltekraft führt dazu, dass sich das Stellelement 4 auch bei auftretenden Vibrationen und Stößen nicht aus seiner Stellung löst.
  • Das Stellelement 4 gleitet in diesem Zustand mit seinem aus dem Aktuator weisenden Ende in einer Nut des Schiebenockens und verschiebt diesen in die gewünschte Position. Diese Nuten sind so ausgebildet, dass am Ende der Drehung das Stellelement 4 aktiv durch eine Erhebung der Nut angehoben wird, so dass der magnetische Kreis des Permanentmagneten 6 aktiv unterbrochen wird, da sich der Anker 12 vom Rückschlussblech 22 abhebt. Bei dieser Verwendung des Aktuators wird der Hub der Nut geringfügig kleiner ausgeführt als der Hub des Stellelementes 4. Dies ist aufgrund von Einbautoleranzen erforderlich, da sonst die Gefahr eines Verklemmens der Nockenwelle bestehen würde. Der in dieser Position vorhandene Spalt muss jedoch überbrückt werden, um den Anker 12 in seiner Endstellung halten zu können und zwar möglichst ohne den Permanentmagneten 6 einschalten zu müssen. Die hierzu notwendige magnetische Kraft sollte entsprechend in diesem Bereich zwischen Kern 16 und Anker 12 möglichst hoch sein. Dies wird vor allem durch eine Ausbildung gemäß der Figur 3 erreicht, da hier im Bereich der dünnen kegelstumpfförmigen Wand des Ankers 12 eine Bündelung der Magnetfeldlinien stattfindet, die zu einer hohen Anziehungskraft führt, so dass eine ausreichend hohe, die Federkraft überwindende Anziehungskraft bereits ca. 1 mm vor Erreichen des Endanschlags wirkt. Somit besteht ein extrem geringer Stromverbrauch, da ein Strom nur zum Auslösen der Verstellung aus der Startposition erforderlich ist.
  • Es wird deutlich, dass der beschriebene Aktuator einen geringen Stromverbrauch sowie durch die geringe mechanische Belastung des Magneten hohe Lebensdauer aufweist. Eine Haltekraft wird in beiden Endstellungen erzeugt, so dass ein ungewolltes Lösen verhindert wird. Des Weiteren besteht eine gute elektromagnetische Verträglichkeit. Es bestehen hohe Kräfte bei großen durch den Permanentmagneten erzwungenen Hüben. Kleine bewegte Massen führen zu günstigen möglichen Bauformen.
  • Es sollte deutlich sein, dass weitere konstruktive Änderungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Schutzbereich des Hauptanspruchs denkbar sind und eine Verwendung eines derartigen Aktuators auch in anderen Bereichen möglich ist. So können beispielsweise Kern und Joch oder Führungsgehäuseteil und Rückschlussblech mehrteilig ausgeführt werden. Selbstverständlich wäre es auch möglich, eine Anziehungskraft zum Erreichen der Ausgangsstellung durch Bestromen der Spule zu erzeugen. Hierzu wäre die Stromrichtung im Vergleich zum Lösen des stellelementes aus der Ausgangsposition umzukehren. Dies würde zu einem das Permanentmagnetfeld verstärkenden Feld führen und somit ebenfalls ein Rückführen des Ankers in die Ausgangsposition unterstützen.
  • Auch könnte in diesem Zusammenhang auf die Feder verzichtet werden und jede Verstellung des Ankers durch entsprechend gerichtete elektromagnetische Felder erzeugt werden, so dass der Permanentmagnet lediglich genutzt würde, um eine Haltekraft in den beiden Endpositionen zu erzeugen.

Claims (12)

  1. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine mit
    einem Elektromagneten, der eine Spule, einen feststehenden Kern, einen beweglichen Anker, ein Joch und ein Rückschlussblech aufweist, einem Stellelement, weiches über den Elektromagneten betätigbar ist und mit dem Anker wirkverbunden ist,
    und zumindest einem Permanentmagneten, der den Anker in einer seiner Endstellungen im unbestromten Zustand des Elektromagneten hält,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Permanentmagnet (6) ortsfest innerhalb des Elektromagneten (2) angeordnet ist und das Rückschlussblech (22) beabstandet vom Permanentmagneten (6) ortsfest angeordnet ist, so dass in einer ersten Endstellung des Ankers (12) ein erster permanentmagnetischer Kreis über den Permanentmagneten (6), das Joch (10), das Rückschlussblech (22) und den Anker (12) geschlossen ist und in einer zweiten Endstellung ein zweiter permanentmagnetischer Kreis über den Permanentmagneten (6), das Joch (10), den Kern (16) und den Anker (12) geschlossen ist.
  2. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zumindest eine Permanentmagnet (6) axial zwischen der Spule (8) und dem Rückschlussblech (22) angeordnet ist.
  3. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Stellelement (4) an einer Innenwand des hohlzylindrisch ausgeführten Ankers (12) befestigt ist, dessen erste axiale Endfläche in der ersten Endstellung gegen das Rückschlussblech (22) und dessen entgegengesetzte axiale Endfläche in der zweiten Endstellung gegen den Kern (16) anliegt.
  4. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnete dass
    ein Federelement (14) in den hohlzylindrischen Anker (12) ragt, welches mit seinem ersten axialen Ende gegen das Stellelement (4) und mit seinem zweiten axialen Ende gegen den Kern (16) anliegt.
  5. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Rückschlussblech (22) einstückig mit einem Führungsgehäuseteil (20) des Stellelementes (4) ausgebildet ist.
  6. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zumindest eine Permanentmagnet (6) ein radial magnetisierter Ringmagnet ist.
  7. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwei Permanentmagneten (6) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Mittelachse des Elektromagneten (2) eine Symmetrieachse der Permanentmagneten (6) bildet.
  8. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    vier Permanentmagneten (6) um 90° versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Mittelachse des Elektromagneten (2) eine Symmetrieachse der Permanentmagneten (6) bildet.
  9. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Permanentmagneten (6) quaderförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet sind.
  10. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der
    Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Joch (10) eine zur Anzahl der Permanentmagnete (6) korrespondierende Anzahl an Schenkeln (32) aufweist, die gegen die Permanentmagnete (6) anliegen.
  11. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich die Innenwand des Ankers (12) kegelstumpfförmig in Richtung zum Kern (16) erweitert, der eine in Richtung zum Anker (12) weisende korrespondierende Kegelstumpfform aufweist,
  12. Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der
    Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kern (16) sich zylinderförmig in Richtung zum Anker (12) erstreckt, der einen korrespondierenden Freiraum im Innern aufweist, der nach radial außen durch eine Wand (34) begrenzt wird, deren Außenseite sich in Richtung zum Kern (16) kegelstumpfförmig verengt.
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