EP2370980B1

EP2370980B1 - Elektromagnetische aktuatorvorrichtung

Info

Publication number: EP2370980B1
Application number: EP09799245A
Authority: EP
Inventors: Thomas Schiepp; Oliver Thode
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: CN102239531B; WO2010063394A1; US20110267159A1; DE202008015980U1; EP2370980A1; CN102239531A; US8729992B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit einer Spulenmittel (18) aufweisenden Kerneinheit (10), die zum Zusammenwirken mit relativ zur Kerneinheit beweglich geführten Ankermitteln (20, 22) als Reaktion auf eine Bestromung der Spulenmittel ausgebildet ist, wobei die Kerneinheit zum Zusammenwirken mit einer Mehrzahl von räumlich voneinander beabstandeten Stößeleinheiten (20, 22) der Ankermittel so ausgebildet ist, dass als Reaktion auf das Bestromen einer Spule der Spulenmittel eine elektromagnetische Wechselwirkung mit der Mehrzahl der Stößeleinheiten erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, werden üblicherweise als bistabile Aktoren für Stellzwecke an einem Verbrennungsmotor, etwa zur Nockenwellenverstellung, verwendet und weisen zwei oder mehr Stößeleinheiten auf, welche -- synchron gleich- oder gegenläufig, oder unabhängig voneinander -- durch Bestromung der Spulenmittel bewegt werden, um den beabsichtigen Stellzweck durchzuführen.
Gerade jedoch in einem räumlich beengten Einbaukontext eines Verbrennungsmotors kommt es darauf an, eine Aktuatorvorrichtung mit einer Mehrzahl von Stößeleinheiten kompakt auszubilden, wobei bekannte Vorgehensweisen aus dem Stand der Technik, nämlich zwei oder mehr benachbart zueinander angeordnete Einzelaktuatoren mit jeweils einer Kern-, Spulen- und Stößeleinheit häufig nicht geeignet platziert werden können. Die deutsche Patentanmeldung 10 2007 028 600 der Anmelderin beschreibt diesbezüglich einen Ansatz, zueinander benachbarte Einzelaktuatoren möglichst kompakt und platzsparend nebeneinander anzuordnen, auch in der Absicht, einen -- anwendungsbedingten -- Abstand zwischen zwei Stößeleinheiten zu realisieren.
Während auf diese Weise die Kompakteinheit der gattungsbildenden Technologie erhöht werden kann, bleibt -- insbesondere im Hinblick auf Großserien- bzw. Massenfertigungdas inhärente Problem des bauteil- und herstellungsbedingten Aufwandes.
US 4 779 582 A offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit einer Spulenmittel aufweisenden Kerneinheit, die zum Zusammenwirken mit mindestens zwei Stößeleinheiten aufwirkenden Ankermitteln ausgebildet ist, so zu verbessern, dass nicht nur eine kompakte Anordnung (vor allem im Hinblick auf einen minimal erreichbaren Abstand zwischen zwei Stößeleinheiten) verbessert ist, sondern auch eine solche Vorrichtung im Hinblick auf benötigte Bauteile und Komponenten sowie im Herstellungsaufwand optimiert ist.
Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist die Kerneinheit so ausgebildet, dass sie mit einer Mehrzahl von räumlich voneinander beabstandeten Stößeleinheiten zusammenwirken kann, wobei der Kerneinheit eine (und bevorzugt lediglich eine) Spule oder Spuleneinheit (Spulenkörper) zugeordnet ist, als Reaktion auf deren Bestromung dann die Mehrzahl der Stößeleinheiten bewegt wird.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung liegt es dabei, die Kerneinheit einstückig auszugestalten, zumindest so, dass ein zum Zusammenwirken mit mindestens zwei der Stößeleinheiten ausgebildeter Schenkelbereich (Schenkelpaar-Bereich) einstückig ausgebildet ist. Dabei liegt es im Rahmen bevorzugter Ausführungsformen, die Kerneinheit joch-oder U-förmig auszugestalten und freie Stirn- bzw. Endflächen dieser Ausgestaltung zum Zusammenwirken mit den Stößeleinheiten vorzusehen.
Dabei ist die geometrische Realisierung weder auf eine zweidimensionale Struktur, noch auf das Vorsehen von lediglich zwei freien Schenkeln beschränkt: Vielmehr liegt es im Umfang bevorzugter weiterer Weiterbildungen der Erfindung, die Kerneinheit mehrfach U-förmig, E-förmig oder H-förmig auszugestalten, oder aber einzelne Schenkel gegeneinander räumlich (in einer dritten Dimension) so zu verdrehen, dass diese in keiner gemeinsamen Ebene mit einem Verbindungsabschnitt der Kerneinheit liegen ; all diese geometrischen Varianten können sich dann nach jeweiligen Einbauvoraussetzungen und/oder Zweckbestimmungen der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuatorvorrichtung richten, wobei es besonders günstig ist, wenn jedem Schenkel bzw. jeder freien Stirnfläche eines solchen Schenkels dann eine Stößeleinheit der Ankermittel zum Zusammenwirken gegenübersteht.
Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung weisen die Spulenmittel mindestens eine sich um einen Abschnitt der Kerneinheit herum erstreckende Spule auf; während prinzipiell die Lage oder Anordnung dieser Spule beliebig ist und von magnetischen und/oder räumlichen Gegebenheiten abhängig gemacht werden kann, bietet es sich weiterbildungsgemäß an, diese Spule in einem zentralen und/oder Verbindungsbereich zwischen freien Schenkeln der Kerneinheit vorzusehen.
Auch ist es im Rahmen von Weiterbildungen vorteilhaft, mindestens eine der Stößeleinheiten, insbesondere im Eingriffs- und/oder Wirkbereich mit der Kerneinheit, mit Permanentmagnetmitteln zu versehen, um insoweit etwa das Realisieren einer bistabilen Wirkung, zu ermöglichen.
Zusätzlich weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, derartige Permanentmagnetmittel so auszubilden, dass das gewünschte (ggf. synchronisierte) Bewegungsverhalten der Mehrzahl von Stößeleinheiten in der gewünschten Weise erfolgen kann: So würde etwa eine gleichpolige Anordnung von Permanentmagnetmitteln an einander gegenüberliegenden Stößeleinheiten im Hinblick auf Enden einer U-förmigen Kerneinheit zu einer gegenläufigen Stößelbewegung bei Bestromung einer (einzigen) Spule an der Kerneinheit führen; ein gegenpoliges Vorsehen der Permanentmagneteinheiten würde dagegen eine gleichgerichtete Bewegung der Stößeleinheiten ermöglichen.
Auch ist es im Rahmen von Weiterbildungen der Erfindung möglich und vorgesehen, insbesondere im Fall von Permanentmagneteinheiten aufweisenden Stößeleinheiten zusätzlich die Kerneinheit mit magnetisch wirksamen Flussleitmitteln so zu versehen, dass eine magnetische Entkopplung der Stößeleinheiten voneinander erfolgt, mithin also ein gegenseitiger magnetischer Einfluss verhindert, zumindest vermindert, ist.
Während es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft und günstig ist, die Anzahl benötigter Spulen der Spulenmittel zu minimieren (idealerweise auf eins zu reduzieren), ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt, vielmehr ist es im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen möglich, zusätzliche Spulen und/oder Wicklungen vorzusehen, etwa mit dem Zweck, durch gezieltes Überlagern und/oder Verdrängen von durch die Spule(en) bzw. Wicklung erzeugten Feldern das Bewegungsverhalten der Stößeleinheiten gesamt und relativ zueinander zu beeinflussen, darüber hinaus eignet sich weiterbildungsgemäß etwa eine zusätzliche Wicklung (auf einer bereits vorhandenen Spule bzw. dem zugehörigen Spulenkörper), um etwa durch Induktion erzeugte und detektierbare Bewegungs- und Schaltzustände von Stößeleinheiten zu erfassen und einer weiteren Auswertung zugänglich zu machen.
Besonders geeignet ist es, die erfindungsgemäße Vorrichtung als bistabilen Aktuator auszugestalten, nämlich zumindest eine der Stößeleinheiten so auszubilden, dass diese in beiden Endstellungen eines Bewegungs- und Schaltzustands einen stromlos stabilen Zustand einnimmt. Damit eignet sich dann die vorliegende Erfindung in besonderer Weise für begrenzte Einbaumaße und Umgebungsbedingungen etwa im Bereich von Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, wobei jedoch die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Einsatzzweck beschränkt ist.
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 schematische Prinzipdarstellung der elektromagnetischen Aktuatorvorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung eines Beispiels zur physischen Realisierung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1;

Fig. 3 bis Fig. 5: verschiedene Varianten zur Platzierung einer einzelnen Spule als Spulenmittel an einer Position der U-förmig geformten Kerneinheit;
Fig. 6, Fig. 7: weitere Ausführungsformen als Varianten der Erfindung mit einer Mehrzahl von Spulen an einem U-förmig gebogenen Kernelement;
Fig. 8: eine weitere Variante der Erfindung mit einer Mehrzahl von Spulen und E-förmigem Kernelement;
Fig. 9, Fig. 10: Schemadarstellungen zum Erläutern des Zusammenwirkens der Vorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 2 mit an den Stößeleinheiten vorgesehenen Permanentmagneten;
Fig. 11: eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung als Ausführungsform mit Doppel-H-förmiger Kerneinheit;
Fig. 12 bis Fig. 14: weitere Varianten der Erfindung mit dreidimensional angeordneten Schenkelenden einer Kerneinheit;
Fig. 15 bis Fig. 18: eine weitere Variante der Erfindung mit zwischen einem Paar von an Stößeleinheiten sitzenden Permanentmagneten vorgesehen Flussleitelementen zur Entkopplung des (permanent-)magnetischen Einflusses aufeinander.

Fig. 1

Fig. 2

Als Reaktion auf die Bestromung wirkt die kerneinheit 10 elektromagnetisch zusammen mit einem Paar von Stößeleinheiten 20, 22 als Ankermittel, welche jeweils axial zu zugehörigen Schenkelabschnitten der Kerneinheit 10 ausgerichtet sind und den Schenkelenden 12 bzw. 14 axial gegenüberstehen.
Im auf die Kerneinheit 10 gerichteten Endbereich weisen die Stößeleinheiten 20 bzw. 22 jeweils eine Permanentmagneteinheit 24 bzw. 26 auf, welche, je nach Polarität des durch Bestromung der Spuleneinheit 16 erzeugten elektromagnetischen Feldes, anziehend oder abstoßend wirkt und entsprechend die (in nicht näher gezeigter Weise) bewegbar gelagerte Stößeleinheit 20 bzw. 22 in axialer Richtung bewegt, um an dem Permanentmagneteinheiten 24 bzw. 26 entgegengesetzten Ende der Stößeleinheiten 20 bzw. 22 einen vorgesehenen (bistabilen) Stellzweck zu erfüllen, etwa das Zusammenwirken mit einem geeigneten Stellpartner einer Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors o.dgl. Anwendung.
Wie die Fig. 2 erkennen lässt, wird in der physischen Realisierung des prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiels der Fig. 1 auf diese Weise eine sehr kompakte und effiziente Struktur erzeugt, nämlich eine einfach herzustellende und geringen Bauteileaufwand erfordernde Bügelstruktur, welche in einfacher Weise dem jeweiligen Stellpartner geeignet gegenüber vorgesehen sein kann. Insbesondere bietet das in Fig. 1 exemplarisch gezeigte Gehäuse 23 die Möglichkeit, nicht nur die Kern- und Spuleneinheit 10, 18 aufzunehmen, sondern zusätzlich eine Führung für das Paar der Stößeleinheiten auszugestalten.
Die Fig. 3 bis 6 verdeutlichen Varianten des prinzipiellen Ausführungsbeispiels der Fig. 1; so ist es, je nach Positionierung (Fig. 3, 4) der Spuleneinheit 18 und/oder Dimensionierung der Spuleneinheit 18 (große Wicklung in Fig. 5) möglich, geeignet den Feldverlauf entlang der Kerneinheit bzw. im Zusammenwirken mit der Mehrzahl der Stößeleinheiten zu beeinflussen, etwa dergestalt, dass gezielt Kraft- bzw. Bewegungsunsymmetrien erzeugt werden sollen.
Die Realisierungen der Figuren 6, 7, mit einer Mehrzahl von Spulen 17, 18, 19 und/oder Wicklungen (ggf. auf einem gemeinsamen Spulenträger) bieten zum einen die Möglichkeit, durch Überlagern, gegenpoliges bzw. gleichpoliges Ansteuern der Einzelspulen, gezielte Feldverläufe herbeizuführen, um möglicherweise auch situativ reagieren zu können. Zusätzlich kann, etwa auch um schaltungstechnisch (für ein vorgeschaltetes Steuergerät) ein Umpolen der Spule zu substituieren, ein Spulenträger zwei Wicklungen 18, 18_a tragen (Fig. 7), so dass dann wahlweise ein jeweiliges Drahtpaar und mithin nur ein Teil der Spule bestromt wird. Auch ist es möglich, eine zweite, nicht aktiv bestromte Spule oder Wicklung zu benutzen, um Schaltzustände der betreffenden Aktuatorvorrichtung zu detektieren: So werden Stößeleinheiten in ihrer Bewegung relativ zur Kerneinheit, etwa mit den endseitig vorgesehenen Permanentmagneteinheiten, entsprechende Spannungen induzieren, welche dann am Zweipol der zusätzlichen Spule zur Detektion und weiteren Verarbeitung anliegen.
Die Fig. 8 zeigt eine weitere Variante; hier ist die Kerneinheit 30 so ausgestaltet (E-Form mit jeweils im Zwischenbereich der drei Schenkel vorgesehenen Spuleneinheiten 42, 44) wie insgesamt drei den jeweiligen Schenkelenden 46, 48, 50 gegenüberstehende (nicht gezeigte) Stößel jeweils individuell in Bewegung zueinander versetzt werden können, durch Variieren der Beschaltung bzw. Bestromung der Spulen 42, 44.
Dieses Prinzip scheint nunmehr nahezu beliebig erweiterbar; wie etwa in den Figuren 11, 12 gezeigt, lässt sich eine Kerneinheit 32 geeignet auch gegenüberliegend mit Schenkeln ausstatten, so dass die in Fig. 11 schematisch gezeigte doppelte H-Form entsteht; lediglich schematisch sind den freien Schenkeln 46, 48 , 50 weitere freie Schenkel 52, 54, 56 gegenübergestellt; lediglich schematisch sind auch hier Permanentmagneten entsprechend zugehöriger bewegbarer Stößeleinheiten (nicht gezeigt) vorgesehen.
Je nach Positionierung bzw. Anordnung der Permanentmagneten lässt sich das gewünschte Bewegungsverhalten erzeugen, wie am Beispiel der Figuren 9, 10 (entsprechend dem prinzipiellen Ausführungsbeispiel der Fig. 1) erläutert werden kann: Die Fig. 9 verdeutlicht, wie den freien Schenkeln 12, 14 jeweils in gleicher Richtung gepolte Permanentmagneten 24 bzw. 26 gegenüberstehen; bei durch die Pfeile 60 schematisch angedeutetem Feldverlauf entsteht so für die Stößeleinheit 20 die abwärts gerichtete, für die Stößeleinheit 22 die aufwärts gerichtete Bewegung. Wird dagegen, vgl. Fig. 10, der Permanentmagnet 26 umgepolt, entsteht bei gleich verlaufenden Pfeillinien 60 eine gemeinsame Abwärtsbewegung.
Unter Bezug auf die Figuren 12 bis 14 und die darin skizzierten Ausführungsformen zeigt sich, dass auch eine dreidimensionale Anordnung möglich und von der Erfindung umfasst ist, d.h. jeweilige freie Schenkel müssen nicht miteinander in einer gemeinsamen Ebene liegen (bzw. mit einem Verbindungsabschnitt der Kerneinheit): So verdeutlicht das Ausführungsbeispiel der Fig. 12, 13, dass rein schematisch die Kerneinheit zwar eine H-Form einnimmt, in der physischen Realisierung (Fig. 12) jedoch die freien Schenkel eines Gehäuses 36 zueinander einen spitzen Winkel und keinen 180° Winkel ausbilden.
Die Anordnung der Fig. 14 zeigt dagegen eine quaderförmige Geometrie der Stößeleinheiten, wobei die jeweiligen freien Schenkel durch Verbindungselement 70, 72 in der Art eines rechteckigen Rahmens verbunden sind und an Längsabschnitten des Rahmens dann Spuleneinheiten 74 ausgebildet sind. Anhand der Fig. 15 bis 18 wird nunmehr beschrieben, wie ein zusätzlich eingefügtes Flussleitelement 80 in der Art einer Leitscheibe einen (permanent-)magnetischen Kreis durch die jeweiligen Permanentmagneten schließt, insoweit die Permanentmagneten voneinander entkoppelt und damit eine gegenseitige Beeinflussung unterdrückt.
Sobald, wie in Fig. 17 gezeigt, eine der Spulen bestromt wird, wird (s. im Bereich rechts) eine Gegenkraft zum permanentmagnetischen Kreis erzeugt, damit das Permanentmagnetfeld geschwächt, neutralisiert oder gar die zugehörige Stößeleinheit abgestoßen.
Derartige Flussleitelemente ermöglichen es, insbesondere die Schalt- bzw. Taktzyklen der vorliegenden Erfindung durch das Entkoppeln bzw. Verhindern eines gegenseitigen Einflusses drastisch zu vermindern.

Claims

Elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit
einer Spulenmittel (18,18a; 42. 44; 74) aufweisenden Kerneinheit (10; 30; 32), die zum Zusammenwirken mit relativ zur Kerneinheit beweglich geführten Ankermitteln (20, 22) als Reaktion auf eine Bestromung der Spulenmittel ausgebildet ist, wobei
die Kerneinheit zum Zusammenwirken mit einer Mehrzahl von räumlich voneinander beabstandeten Stößeleinheiten (20, 22) der Ankermittel so ausgebildet ist, dass als Reaktion auf das Bestromen einer Spule der Spulenmittel eine elektromagnetische Wechselwirkung mit der Mehrzahl der Stößeleinheiten erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine der Stößeleinheiten zum Zusammenwirken mit der Kerneinheit ausgebildete Permanentmagnetmittel (24; 26) aufweist und die Kerneinheit joch- oder U-förmig ausgestaltet und mit freien schenkelseitigen Stirnflächen zum Zusammenwirken mit der Mehrzahl von Stößeleinheiten versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerneinheit einstückig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerneinheit (30; 32) mehrfach U-förmig, E-förmig oder H-förmig sowie zum Zusammenwirken mit einer freien Schenkeln entsprechenden Mehrzahl von Stößeleinheiten ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei freie Schenkel der Kerneinheit sich so erstreckend ausgebildet sind, dass sie nicht in einer gemeinsamen Ebene mit einem Verbindungsabschnitt der Schenkel liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenmittel mindestens eine sich um einen Abschnitt der Kerneinheit herum erstreckende Spule (18; 18, 18a) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Stößeleinheiten der Ankermittel durch ein gleich- oder gegenpoliges Vorsehen von Permanentmagnetmitteln so ausgebildet sind, dass zwei Stößeleinheiten bei Bestromung einer Spule der Spulenmittel gleich- oder gegenläufig bewegt werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch magnetische Flussleitmittel (80), die so zwischen mindestens zwei der Mehrzahl von Stößeleinheiten vorgesehen sind, dass eine gegenseitige magnetische Beeinflussung der Stößeleinheiten vermindert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenmittel eine zusätzliche, zur Bewegungs- und/oder Schaltzustandsdetektion mindestens einer der Stößeleinheiten beschaltete Wickelung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die als bistabiler Aktuator so ausgebildet ist, dass mindestens eine der Mehrzahl der Stößeleinheiten in jeweiligen Endpositionen stromlos gehalten ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ausgebildet als Stelleinheit für einen Verbrennungsmotor, insbesondere als Stelleinheit zur Nockenwellenverstellung.