EP2474009B1 - Bistabile elektromagnetische stellvorrichtung - Google Patents

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EP2474009B1
EP2474009B1 EP10743039.9A EP10743039A EP2474009B1 EP 2474009 B1 EP2474009 B1 EP 2474009B1 EP 10743039 A EP10743039 A EP 10743039A EP 2474009 B1 EP2474009 B1 EP 2474009B1
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EP
European Patent Office
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unit
armature
permanent magnetic
accordance
coil unit
Prior art date
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EP10743039.9A
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English (en)
French (fr)
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EP2474009A1 (de
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Thomas Golz
Thomas Schiepp
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ETO Magnetic GmbH
Original Assignee
ETO Magnetic GmbH
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Publication date
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    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1638—Armatures not entering the winding
    • H01F7/1646—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet
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    • H01F7/121—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position
    • H01F7/122—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by permanent magnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque
    • F01L13/0036—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction
    • F01L2013/0052—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction with cams provided on an axially slidable sleeve
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    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F2007/1669—Armatures actuated by current pulse, e.g. bistable actuators

Definitions

  • the present invention relates to a bistable electromagnetic actuator according to the preamble of the main claim.
  • a bistable electromagnetic actuator according to the preamble of the main claim.
  • Such a device is known from the prior art DE 103 10 448 A1 known.
  • Electromagnetic actuators in the form of actuators are used for a variety of control purposes, such as for the adjustment of a camshaft between different engagement positions in motor vehicles.
  • conventional actuators which are typically realized with a pull-in anchor, have a single stable position (setting position), in which the armature is usually held by a spring.
  • the coil unit In order to achieve a second setting position, the coil unit is subjected to a voltage application, with the effect that the spring force of the spring is overcome and the armature is moved into the second setting position.
  • the coil unit In such (monostable) actuators, the coil unit must be permanently energized to hold the anchor permanently in the second position, so that monostable solutions due to energy consumption are not or only limited for applications where the actuator is often in the second Parking position is.
  • bistable actuators are known from the prior art, in which the second setting position can be achieved by a time-limited (typically pulse-shaped) energization of the coil unit and then the armature in this position remains currentless (relative to the Spulenbestromung) stably.
  • An example of such a known device shows the DE 201 14 466 U1 ,
  • Object of the present invention is therefore to provide an electromagnetic actuator, which allows energetically favorable and with short switching times, the movement of the armature unit between the two parking positions, wherein both the movement of the armature unit from the first to the second control position, as well as the movement of the second setting position in the first position quickly, without external mechanical influence on the armature unit (by a control partner) and while minimizing switching times and energy consumption to be enabled, and wherein an additional control position is to be enabled.
  • bistable electromagnetic actuator with the features of the main claim; advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
  • a first permanent magnet of the permanent magnet means is attracted to the armature of the coil unit (according to a preferred embodiment: a magnetically effective combination of coil unit and stationary core area axially surrounding a central region of the armature), while simultaneously, opposite to the coil unit, the electromagnetic Repulsion of a second permanent magnet at the anchor takes place. Accordingly, a bistable, with regard to the switching and movement behavior symmetrical driving of the armature with optimized switching times is possible in a very effective manner.
  • the coil unit is to be energized so that the repulsive effect on the permanent magnets adhering to the core region exceeds the permanent magnetic adhesive force; In addition, the permanent magnetic attraction by the (axially opposite) another permanent magnet is effective.
  • the armature unit is elongate in order to realize this basic functionality and has a central shaft section, which according to the invention extends through the coil unit or the stationary core area and at both ends realizes a permanent magnet, in each case more preferably in a disc shape. is provided with further magnetically conductive elements for flow guidance.
  • each end ansitzenden permanent magnets are increased in diameter.
  • such a device can be configured axially centrally or eccentrically with regard to the armature guide, and other obliquely inclined configurations are also conceivable.
  • the armature unit for realizing the engagement means frontally (one or both ends) on a preferably flat surface (anchor end face) on which then sits a plunger unit and is moved with the armature unit; this ram unit is then for cooperation with an actuator (aggregate), e.g. a camshaft for the adjustment formed.
  • an actuator e.g. a camshaft for the adjustment formed.
  • the invention makes it possible for such a metallic ram unit to be magnetically adhered to an armature end face, for example by means of the permanent-magnetic adhesive force of the permanent magnet means, insofar as a detachable connection is possible. It is also possible according to further education and provided to form a plurality of such plunger.
  • the plunger unit is intended to form the plunger unit not exclusively of magnetic or magnetically conductive material; Rather, it is useful for applications in which on the one hand the described releasable adhesion between the anchor unit and ram unit is to be achieved, on the other hand, however, the unwanted adhesion of metallic abrasion in the control range is to be avoided on the plunger unit, meaning the anchor unit opposite engagement region of the plunger unit from a not Magnetic material to be realized, which also further education according to its hardness, toughness or the like. for interaction with the engagement partner (e.g., the camshaft) can be optimized by suitable material treatment.
  • the engagement partner e.g., the camshaft
  • both sections magnetically one hand for adhering to or on the armature end face, non-magnetic for an aggregate engagement on the other hand
  • connection methods such as sintering, friction welding or the like
  • armature unit in one or both directions of the movement longitudinal axis
  • a spring action e.g compression spring
  • Such a spring eg compression spring to support the anchor end face at one or both ends, wherein such support both inside (ie in the movement space between the core area and permanent magnet), as well as outward (about a ram unit surrounding) can be done.
  • a further preferred embodiment provides for the bistable actuating device before a housing, which takes over, consisting of magnetically conductive material, tasks of the flux conduction of the magnetic flux and insofar as parallel to the longitudinal axis of movement preferably extends between the parking positions of the both sides provided on the armature unit permanent magnets.
  • the housing by means of at least one bow-shaped housing element, advantageously not the housing to the entire circumference the permanent magnet means extends, but here only legs of a further preferred U (alternatively L) -shaped element are provided. If a pair of such brackets, axially aligned along respective openings for guiding the armature (more precisely, the shaft portion between the permanent magnets), then interleaved, creates an easy to install, mechanically stable and magnetically effective housing construction.
  • the electromagnetic actuator according to the invention is envisaged to form the electromagnetic actuator according to the invention as a tristable electromagnetic actuator, which is intended to fall within the scope of the invention, the term “tristable” as a special education under the general term “bistable”.
  • the term "tristable” as a special education under the general term “bistable”.
  • it is of the invention according to a preferred embodiment comprises not (only) to realize two stable states by means of the device according to the invention, but to allow a third stable state in addition. According to training in the context of the invention, this is done by a third (preferably stable) center position along the longitudinal axis of movement of the armature unit can be taken stable by the device, more preferably in that here, too, the armature remains in this position without current (ie without current supply to the coil unit).
  • this tristability-inducing position is achieved by the fact that the permanent magnet means of the armature unit, which are advantageously provided at both ends, cooperate with a (central) stationary core area in such a way that none of the permanent magnet units adhere to the core unit by opposing attractive forces. preferably the same distance) from the core unit, with the result that the armature unit occupies the stable third setting position in the middle between the end-side setting positions.
  • the armature unit can be moved into this third setting position by (once) pulse-shaped energization, whereby a further (one-time) pulse, in one or the other direction, is triggered by energizing pulses of corresponding polarity.
  • a further (one-time) pulse in one or the other direction, is triggered by energizing pulses of corresponding polarity.
  • it has proven to be favorable to keep the stable end position either de-energized or by means of an AC signal for the coil unit (or even to reach in the first place).
  • the advantageous Tristabiltician then allows completely new areas of application and control tasks, especially those in which then selectively an anchor unit along a longitudinal movement axis can be spent in one of three separate, each stable positions, and advantageously at least two of these, further preferably all three , are each currentless stable.
  • FIGS. 1 to 4 illustrate the essential functional components for realizing the bistable electromagnetic actuator according to a first preferred embodiment, including sketched field progressions:
  • An anchor unit consisting of an armature shaft 10, both permanent magnet disks 12 and 14, the permanent magnet discs each axially outwardly final armature discs 16, 18 and the permanent magnet discs 12, 14 axially inwardly delimiting inner discs 20, 22 is guided axially displaceably in a stationary core assembly 24.
  • the core unit 24 cooperates with a coil unit 26, which (see in particular the sectional views of FIGS FIGS. 3, 4 ) is arranged surrounding the shaft portion 10. Radially shell side, the arrangement is enclosed by a stationary housing shell 30th
  • the bistability of this arrangement is achieved in that in a respective end state (setting position) in the axial direction of one of the permanent magnets 12, 14 (via the intermediate discs 20 and 22) adheres to the magnetic core 24; so stuck in the parking position of the FIG. 1 the right-side permanent magnet 14 on the core unit 24, while the permanent magnet 12 is axially extended.
  • the FIG. 2 illustrates the reverse, axially shifted state of the armature (second setting position).
  • FIGS. 3 and 4 clarify in this context, the effect of the permanent magnet or a Bestromungsimpulses the coil:
  • the FIG. 3 according to the position of FIG. 1 illustrates the permanent magnetic field of the disc-shaped permanent magnets 12, 14 (axially magnetized in the manner shown), wherein the magnetic circuit via the discs 16, 20 and 18, 22 and the enclosing housing or the shaft 10 is closed.
  • FIGS. 5, 6 illustrate how the housing 30 can be made in an elegant way from bow-shaped elements space and effort saving; more precisely, one is in the Fig. 5 shown U-shaped bracket member 34 formed of a pair of legs 36 (these extend, see the illustration of FIG. 6 , parallel to the axial direction of movement) and a central portion 38, which connects both legs 36.
  • the central portion 38 has a central opening 39 through which the shaft portion 10 of the armature can move.
  • FIG. 6 illustrates how in nested fashion a pair of housing elements 34 form the housing for the actuator and internally enclose the core or coil area 24, 26, while seated on the shaft 10 at the end, the respective disk-shaped permanent magnets with associated inner or armature disks, between the respective pairs of legs 36, can be guided to the outside.
  • FIGS. 7 to 9 illustrates that a front-side outer surface of the armature discs 17 and 18 offers different ways to drive it rests pusher elements (ram units) 40.
  • at least one plunger element 40 (alternatively also two or more, cf. FIGS. 8, 9 , where the FIG. 9 also in the opposite direction a plunger element carries) by means of magnetic adhesive force, characterized in that the plunger element 40 is held by magnetic material from the permanent magnet 12 and 14 on the respective flat face (this can be axially parallel, centric, alternatively also skewed, depending on Configuration).
  • the elongate cylindrically shown tappet unit is formed from a plurality of axially adjoining sections;
  • a section which engages on the outer surface of the armature disk is preferably magnetic in order to achieve the advantageous releasable adhesive effect.
  • a setting partner such as a camshaft
  • this has the advantage that in practical operation then no magnetic abrasion can adhere.
  • the described sections may then be suitably, e.g. via sintering, friction welding or the like. Permanently and permanently are joined together.
  • FIGS. 10 and 11 illustrate ways how, building on the configuration of FIGS. 1 or 2, one or two compression springs 50, 52 (from the outside) and 54 (between the core and inner disc 20, 22) force-enhancing, damping or other otherwise known manner can be used.
  • FIGS. 12 and 13 illustrate an embodiment of the present invention, wherein like reference numerals with the first embodiment in this regard denote identical or equivalent functional components.
  • Fig. 12 illustrates the slightly different structural design of the armature unit, in which case the central shaft portion 10 has been supplemented in addition to permanent magnetic flux-conducting sections 60, which allow the same core side as disks 62 a Flußleit Sign on the surrounding housing 30.
  • the closed thin arrowheads 66 illustrate a permanent magnetic flux in which Fig. 12 symmetrically shown holding the armature unit in a central position between both end positions, as related to the described first embodiment, allows. More specifically, two in Fig.
  • This intermediate state can be achieved by a pulse-shaped temporary energizing of the coil unit so as to bring the armature unit into this state, wherein the energizing is terminated before a stop takes place at the opposite end.
  • Fig. 12 illustrates the now possible energization, as by a pulse and arrow 70, a repulsive effect in the left - side area is generated in the figure (as far as the left - side arrow is enlarged compared to the right), with the effect that in response to the Strominpuls the Anchor moved to the right end position from the stable center position.
  • the present invention is particularly suitable for forming a camshaft adjustment, so that the use for the purpose of the camshaft adjustment of an internal combustion engine is claimed as belonging to the present invention.
  • the present invention is not limited thereto. Rather, the present invention is suitable for any setting purpose, which allows or uses a bistable electromagnetic locations.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik gemäß DE 103 10 448 A1 bekannt.
  • Elektromagnetische Stellvorrichtungen in Form von Akuatoren werden für verschiedenste Stellzwecke benutzt, so etwa für das Verstellen einer Nockenwelle zwischen verschiedenen Eingriffspositionen bei Kraftfahrzeugen. Dabei verfügen konventionelle Aktuatoren, welche typischerweise mit einem Einzugsanker realisiert sind, über eine einzelne stabile Lage (Stellposition), in welcher der Anker üblicherweise von einer Feder gehalten ist. Um eine zweite Stellposition zu erreichen, erfolgt eine Spannungsbeaufschlagung der Spuleneinheit, mit der Wirkung, dass die Federkraft der Feder überwunden wird und der Anker in die zweite Stellposition verbracht wird. Bei derartigen (monostabilen) Stellvorrichtungen muss die Spuleneinheit permanent mit Spannung beaufschlagt werden, um den Anker dauerhaft in der zweiten Stellposition zu halten, so dass sich monostabile Lösungen aufgrund des Energieverbrauchs nicht oder nur begrenzt für Anwendungsfälle eignen, bei welchen der Aktuator häufig in der zweiten Stellposition steht.
  • Aus dem Stand der Technik sind daher auch sogenannte bistabile Aktuatoren bekannt, bei welchen die zweite Stellposition durch eine zeitlich begrenzte (typischerweise impulsförmige) Bestromung der Spuleneinheit erreicht werden kann und dann der Anker in dieser Position stromlos (bezogen auf die Spulenbestromung) stabil verbleibt. Ein Beispiel für eine derartige bekannte Vorrichtung zeigt die DE 201 14 466 U1 .
  • Allerdings ist bei diesem Stand der Technik das Zurückstellen, d.h. das Bewegen des Ankers von der zweiten Stellposition zurück in die erste (Ausgangs-)Stellposition, problematisch und wird durch den externen Stellpartner (das zu stellende Aggregat) bewirkt; dies ist jedoch nicht immer möglich oder praktikabel.
  • Darüber hinaus besteht im Hinblick auf den Energieverbrauch im Schaltvorgang sowie wirksame Schaltzeiten Verbesserungsbedarf.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Stellvorrichtung zu schaffen, welche energetisch günstig und mit kurzen Schaltzeiten das Bewegen der Ankereinheit zwischen den zwei Stellpositionen ermöglicht, wobei sowohl das Bewegen der Ankereinheit von der ersten in die zweite Stellposition, als auch das Bewegen von der zweiten Stellposition in die erste Stellposition schnell, ohne externen mechanischen Einfluss auf die Ankereinheit (durch einen Stellpartner) und unter Minimierung von Schaltzeiten und Energieaufwand ermöglicht werden soll, und wobei eine zusätzliche Stellposition ermöglicht werden soll.
  • Die Aufgabe wird durch die bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • In vorteilhafter Weise sind der (stationären) Spuleneinheit in axialer (Bewegungs-)Richtung beidseits Permanentmagnetmittel am Anker zugeordnet, die so wirken und gepolt sind, dass als Reaktion auf ein (impulsförmiges, also zeitlich insbesondere auf den Bewegungsvorgang beschränktes) Gleichspannungssignal die Ankerbewegung in der Art eines Schaltvorgangs erfolgt. Dabei wird gemäß bevorzugter Weiterbildung ein erster Permanentmagnet der Permanentmagnetmittel am Anker von der Spuleneinheit (gemäß bevorzugter Ausführungsform: einer axial einen Mittenbereich des Ankers umgebenden, magnetisch wirksamen Kombination aus Spuleneinheit und stationärem Kernbereich) angezogen, während gleichzeitig, gegenüberliegend bezogen auf die Spuleneinheit, die elektromagnetische Abstoßung eines zweiten Permanentmagneten am Anker erfolgt. Entsprechend ist in sehr wirksamer Weise ein bistabiles, im Hinblick auf das Schalt- und Bewegungsverhalten symmetrisches Antreiben des Ankers bei optimierten Schaltzeiten ermöglicht.
  • Energetisch ist die Spuleneinheit so zu bestromen, dass die Abstoßungswirkung auf den am Kernbereich haftenden Permanentmagneten die permanentmagnetische Haftkraft übersteigt; zusätzlich wirksam ist die permanentmagnetische Anziehung durch den (axial gegenüberliegenden) weiteren Permanentmagneten.
  • In konstruktiv besonders geeigneter Weise ist zur Realisierung dieser prinzipiellen Funktionalität die Ankereinheit langgestreckt und weist einen mittigen Schaftabschnitt auf, welcher gemäß der Erfindung sich durch die Spuleneinheit bzw. den stationären Kernbereich erstreckt und beidends einen Permanentmagneten, jeweils weiter bevorzugt in Scheibenform, realisiert und ggf. mit weiteren magnetisch leitenden Elementen zur Flussführung versehen ist.
  • Besonders bevorzugt ist es, eine solche Anordnung radialsymmetrisch auszubilden, so dass dann innerhalb eines zylindrischen Bauraums die Stellvorrichtung ausgebildet werden kann, wobei, bezogen auf einen im Durchmesser verringerten mittigen Schaftabschnitt, die jeweils endseitig ansitzenden Permanentmagneten im Durchmesser vergrößert sind.
  • Je nach konkreten Erfordernissen kann eine solche Vorrichtung axial mittig oder exzentrisch im Hinblick auf die Ankerführung ausgestaltet sein, denkbar sind auch andere, schräg geneigte Konfigurationen.
  • Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung bietet die Ankereinheit zur Realisierung der Eingriffsmittel stirnseitig (ein- oder beidends) eine bevorzugt plane Fläche (Ankerstirnfläche) an, auf welcher dann eine Stößeleinheit sitzt und mit der Ankereinheit bewegt wird; diese Stößeleinheit ist dann zum Zusammenwirken mit einem Stellpartner (Aggregat), z.B. einer Nockenwelle zu deren Verstellung, ausgebildet.
  • Besonders günstig und weiterbildungsgemäß bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, eine derartige eingriffseitige Stößeleinheit nicht fest mit der Ankereinheit zu verbinden, sondern eine lösbare Verbindung zu bewirken. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch das Vorsehen der Permanentmagnetmittel, dass etwa mittels der permanentmagnetischen Haftkraft der Permanentmagnetmittel eine solche metallische Stößeleinheit magnetisch haftend auf einer Ankerstirnfläche aufsitzt, insoweit eine lösbare Verbindung ermöglicht. Auch ist es weiterbildungsgemäß möglich und vorgesehen, eine Mehrzahl derartiger Stößel auszubilden.
  • Im Hinblick auf die konkrete konstruktive Realisierung und das Zusammenwirken einer solchen Stößeleinheit mit einem unterliegenden Permanentmagneten gilt die Offenbarung des deutschen Gebrauchsmusters 20 2008 008 142 der Anmelderin als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Anmeldung einbezogen.
  • Entsprechend weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, die Stößeleinheit nicht ausschließlich aus magnetischem bzw. magnetisch leitendem Material zu bilden; vielmehr ist es für Anwendungsfälle, bei welchen einerseits die beschriebene lösbare Haftwirkung zwischen Ankereinheit und Stößeleinheit erreicht werden soll, andererseits jedoch das unerwünschte Anhaften von metallischem Abrieb im Stellbereich an der Stößeleinheit vermieden werden soll, sinnvoll, den der Ankereinheit entgegengesetzten Eingriffsbereich der Stößeleinheit aus einem nicht-magnetischen Material zu realisieren, welches zudem weiterbildungsgemäß im Hinblick auf seine Härte, Zähigkeit od.dgl. zum Zusammenwirken mit dem Eingriffspartner (z.B. der Nockenwelle) durch geeignete Materialbehandlung optimiert werden kann. Im Rahmen weiterer bevorzugter Ausführungsbeispiele liegt es hier, beide Abschnitte (magnetisch einerseits zum Haften auf bzw. an der Ankerstirnfläche, nicht-magnetisch für einen Aggregateingriff andererseits) als unlösbar verbundene Einheit zu realisieren, wobei sie hier insbesondere Verbindungsverfahren wie Sintern, Reibschweißen od.dgl. anbieten.
  • Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung liegt es ferner, die Bewegung der Ankereinheit (in eine oder beide Richtungen der Bewegungslängsachse) durch eine Federwirkung zu unterstützen. Dabei bietet es sich bevorzugt an, eine derartige Feder (z.B. Druckfeder) an der Ankerstirnfläche einends oder beidends abzustützen, wobei ein solches Abstützen sowohl nach innen (d.h. in den Bewegungsraum zwischen Kernbereich und Permanentmagnet), als auch nach außen (etwa eine Stößeleinheit umgebend) erfolgen kann.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht für die bistabile Stellvorrichtung ein Gehäuse vor, welches, bestehend aus magnetisch leitendem Material, Aufgaben der Flussleitung des magnetischen Flusses übernimmt und insoweit sich parallel zur Bewegungslängssachse bevorzugt zwischen den Stellpositionen der beidends an der Ankereinheit vorgesehenen Permanentmagnete erstreckt.
  • Aufgrund der günstigen magnetischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, zur einfachen Montage (und damit Verbesserung der Großserientauglichkeit) sowie zum Erreichen eines kompakten Bauraums ist es dabei bevorzugt, das Gehäuse mittels mindestens eines bügelförmigen Gehäuseelementes zu realisieren, wobei sich vorteilhaft das Gehäuse nicht gesamt-umfänglich um die Permanentmagnetmittel erstreckt, vielmehr hier lediglich Schenkel eines weiter bevorzugt U- (alternativ L-)förmigen Elementes vorgesehen sind. Wird dann ein Paar derartiger Bügel, axial ausgerichtet entlang jeweiliger Durchbrüche zur Führung des Ankers (genauer: des Schaftabschnittes zwischen den Permanentmagneten), gegeneinander verschachtelt, entsteht eine leicht zu montierende, mechanisch stabile und magnetisch wirksame Gehäusekonstruktion.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen die erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung als tristabile elektromagnetische Stellvorrichtung auszubilden, wobei im Rahmen der Erfindung der Begriff "tristabil" als speziellere Ausbildung unter dem generellen Begriff "bistabil" fallen soll. Konkret ist es von der Erfindung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst, nicht (nur) zwei stabile Zustände mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu realisieren, sondern einen dritten stabilen Zustand zusätzlich zu ermöglichen. Weiterbildungsgemäß im Rahmen der Erfindung geschieht dies dadurch, dass eine dritte (bevorzugt stabile) Mittenposition entlang der Bewegungslängsachse der Ankereinheit durch die Vorrichtung stabil eingenommen werden kann, weiter bevorzugt dadurch, dass auch hier stromlos (d.h. ohne Bestromung der Spuleneinheit) der Anker in dieser Position verbleibt.
  • In bevorzugter Realisierung wird diese die tristabilität bewirkende Position dadurch erreicht, dass die vorteilhaft beidends endseitig vorgesehenen Permanentmagnetmittel der Ankereinheit jeweils so mit einem (mittleren) stationären Kernbereich zusammenwirken, dass durch einander entgegengesetzte Anziehungskräfte keine der Permanentmagneteinheiten an der Kerneinheit haftet, vielmehr beide in einem (bevorzugt gleichen) Abstand von der Kerneinheit stehen, mit der Folge, dass die Ankereinheit die stabile dritte Stellposition in der Mitte zwischen den endseitigen Stellpositionen einnimmt.
  • Bevorzugt und im Rahmen der Erfindung kann die Ankereinheit in diese dritte Stellposition durch (einmal-)impulsförmige Bestromung verbracht werden, wobei ein weiterer (Einmal-)impuls, in die eine oder andere Richtung, durch Bestromungsimpulse entsprechender Polarität ausgelöst werden. Alternativ und in der Praxis hat es sich als günstig herausgestellt, die stabile Endposition entweder stromlos oder mittels eines Wechselstromsignals für die Spuleneinheit zu halten (bzw. auch überhaupt erst zu erreichen).
  • Die vorteilhafte Tristabilität ermöglicht dann völlig neue Einsatzgebiete und Stellaufgaben, insbesondere solche, bei welchen dann gezielt eine Ankereinheit entlang einer Bewegungslängsachse in eine von drei voneinander abgegrenzten, jeweils stabilen Positionen verbracht werden kann, wobei vorteilhaft und weiterbildungsgemäß zumindest zwei von diesen, weiter bevorzugt alle drei, jeweils stromlos stabil sind.
  • Im Ergebnis ermöglicht es damit die Erfindung, auf konstruktiv einfache und damit großserientaugliche Weise eine tristabile Stellvorrichtung zu realisieren, welche kurze Stellzeiten mit hoher Energieeffizienz im Betrieb 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 schematische Seitenansicht einer bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung, wobei sich der Anker in einer ersten Stellposition links befindet;
    Fig. 2:
    eine Darstellung analog Fig. 1 mit ausgefahrenem Anker in die zweite Stellposition (rechts);
    Fig. 3:
    einen schematischen Längsschnitt durch die Vorrichtungen der Fig. 1, 2 in unbestromtem Zustand der Spuleneinheit sowie in der ersten Stellposition links;
    Fig. 4:
    eine Darstellung analog Fig. 3 zu Beginn der Bestromung der Spuleneinheit und vor einer Bewegung in die zweite Stellposition;
    Fig. 5:
    eine Perspektivansicht einer bügelförmigen Gehäuseeinheit mit einem Paar von Schenkeln;
    Fig. 6:
    eine Anordnung aus zwei ineinander verschachtelten Gehäusebügeln (Fig. 5) mit darin geführter Ankereinheit sowie montierter Spuleneinheit;
    Fig. 7 bis Fig. 9:
    verschiedene Ansichten der Ankerstirnfläche(n) der Vorrichtung gemäß Fig. 6 zum Verdeutlichen des Zusammenwirkens mit einer oder mehreren Stößeleinheiten;
    Fig. 10:
    eine Darstellung analog Fig. 2 mit einem Paar von beidseits axial von außen auf die Ankerstirnflächen greifenden Federn;
    Fig. 11:
    eine Variante eines Federeinsatzes zwischen Kernbereich und Permanentmagnet-Ankerscheibe;
    Fig. 12:
    ein Längsschnitt durch eine bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, wobei in dieser Ausführungsform, zum Beschreiben einer tristabilen Funktionalität sowie einer Möglichkeit für die Ankereinheit zum Erreichen einer stabilen mittleren Stellposition, geeignete magnetische Flusspfeile eingezeichnet sind, um insoweit den stromlos stabilen Zustand (samt zugehöriger permanentmagnetischer Kraftpfeile) zu verdeutlichen, und
    Fig. 13:
    eine Ansicht analog der Fig. 12, jedoch mit einer zusätzlichen Bestromung der Spuleneinheit, durch welche dann das (Mitten-)gleichgewicht der Fig. 12 aufgelöst und die Ankereinheit in eine Endposition gebracht werden kann.
  • Die Figuren 1 bis 4 verdeutlichen die wesentlichen Funktionskomponenten zum Realisieren der bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform samt skizzierten Feldverläufen: Eine Ankereinheit, bestehend aus einem Ankerschaft 10, daran beidends ansitzenden Permanentmagnetscheiben 12 bzw. 14, die Permanentmagnetscheiben jeweils axial auswärts abschließenden Ankerscheiben 16, 18 sowie die Permanentmagnetscheiben 12, 14 axial einwärts begrenzenden inneren Scheiben 20, 22 ist in einer stationären Kernanordnung 24 axial verschieblich geführt. Die Kerneinheit 24 wirkt zusammen mit einer Spuleneinheit 26, welche (vgl. insbesondere die Schnittansichten der Figuren 3, 4) den Schaftbereich 10 umgebend angeordnet ist. Radial mantelseitig ist die Anordnung umschlossen von einer stationären Gehäuseschale 30.
  • Die Bistabilität dieser Anordnung wird dadurch erreicht, dass in einem jeweiligen Endzustand (Stellposition) in axialer Richtung einer der Permanentmagneten 12, 14 (über die zwischenliegenden Scheiben 20 bzw. 22) am magnetischen Kern 24 haftet; so haftet in der Stellposition der Figur 1 der rechts gelegene Permanentmagnet 14 an der Kerneinheit 24, während der Permanentmagnet 12 axial ausgefahren ist. Die Figur 2 verdeutlicht den umgekehrten, axial verschobenen Zustand des Ankers (zweite Stellposition).
  • Die Figuren 3 und 4 verdeutlichen in diesem Zusammenhang die Wirkung der Permanentmagneten bzw. eines Bestromungsimpulses der Spule: Die Figur 3, entsprechend der Position der Figur 1, verdeutlicht das Permanentmagnetfeld der scheibenförmigen Permanentmagneten 12, 14 (in der gezeigten Weise axial magnetisiert), wobei der magnetische Kreis über die Scheiben 16, 20 bzw. 18, 22 und das umschließende Gehäuse bzw. den Schaft 10 geschlossen ist.
  • Bei Bestromung der Spuleneinheit 26 mit einem (impulsförmigen) Gleichspannungssignal einer ersten Polarität entsteht ein zusätzlicher magnetischer Fluss, verdeutlicht durch die Pfeilschaar 32. Diese, entgegengesetzt gerichtet dem Permanentmagnetfeld des rechtsseitigen Permanentmagneten 14, erzeugt unter Aufhebung der permanentmagnetischen Anziehung an den Kern 24 eine abstoßende Kraft auf die Ankereinheit, welche die Ankereinheit (in der Figur rechts) dann in die zweite Stellposition der Figur 2 treibt. Unterstützt wird dieser Effekt durch eine anziehende Wirkung zwischen dem Magnetfeld der Spuleneinheit und dem Permanentmagnetfeld des linksseitigen Permanentmagneten 12, welcher (vgl. die Darstellung der Figuren 3, 4), bezogen auf den gegenüberliegenden Permanentmagneten, in axialer Richtung entgegengesetzt gepolt ist.
  • Die Figuren 5, 6 verdeutlichen, wie das Gehäuse 30 in eleganter Weise aus bügelförmigen Elementen platz- und aufwandssparend hergestellt werden kann; genauer gesagt ist ein in der Fig. 5 gezeigtes U-förmiges Bügelelement 34 gebildet aus einem Paar von Schenkeln 36 (diese erstrecken sich, vgl. die Darstellung der Figur 6, parallel zur axialen Bewegungsrichtung) sowie einem Mittenabschnitt 38, welcher beide Schenkel 36 verbindet. Der Mittenabschnitt 38 weist einen zentralen Durchbruch 39 auf, durch welchen sich der Schaftabschnitt 10 des Ankers bewegen kann.
  • Die Figur 6 verdeutlicht, wie in ineinander geschachtelter Weise ein Paar von Gehäuseelementen 34 das Gehäuse für die Stellvorrichtung ausbilden und innen den Kern- bzw. Spulenbereich 24, 26 umschließen, während, endseitig am Schaft 10 sitzend, die jeweiligen scheibenförmigen Permanentmagneten mit zugehörigen inneren bzw. Ankerscheiben, zwischen den jeweiligen Paaren von Schenkeln 36, nach auswärts geführt werden können.
  • Anhand der Figuren 7 bis 9 wird verdeutlicht, dass eine stirnseitige Außenfläche der Ankerscheiben 17 bzw. 18 verschiedene Möglichkeiten anbietet, um damit aufsitzende Stößelelemente (Stößeleinheiten) 40 anzutreiben. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist mindestens ein Stößelelement 40 (alternativ auch zwei oder mehrere, vgl. die Figuren 8, 9, wobei die Figur 9 auch in die entgegengesetzte Richtung ein Stößelelement trägt) mittels magnetischer Haftkraft aufgesetzt, dadurch, dass das Stößelelement 40 aus magnetischem Material vom Permanentmagneten 12 bzw. 14 auf der jeweiligen flachen Stirnfläche gehalten ist (dies kann achsparallel, zentrisch, alternativ auch windschief geschehen, je nach Konfiguration). Zur näheren Offenbarung wird diesbezüglich verwiesen auf die Patentoffenlegung 10 2007 028 600 bzw. die Gebrauchsmusterveröffentlichung 20 2008 008 142 der Anmelderin, welche verschiedene Wege offenbaren, wie eine Stößeleinheit (lösbar) mit einer eine Permanentmagnetscheibe aufweisenden Ankereinheit zusammenwirken kann.
  • Zusätzlich weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, dass die langgestrecktzylindrisch gezeigte Stößeleinheit gebildet ist aus mehreren axial aneinandergrenzenden Abschnitten; bevorzugt ist dabei ein auf die Außenfläche der Ankerscheibe greifender Abschnitt magnetisch, um insoweit die vorteilhafte lösbare Haftwirkung zu erzielen. Dagegen ist es bevorzugt, ein entgegengesetztes freies Ende, welches in ansonsten bekannter, jedoch in den Figuren nicht gezeigter Weise mit einem Stellpartner (Aggregat), etwa einer Nockenwelle, zusammenwirkt, aus nicht-magnetischem Material auszugestalten. Dies hat andererseits den Vorteil, dass im praktischen Betrieb dann kein magnetischer Abrieb anhaften kann. Auch gibt es die Möglichkeit, einen solchen Bereich geeignet zu härten bzw. für seinen Eingriffszweck geeignet verschleißfest auszubilden. Die beschriebenen Abschnitte können dann in geeigneter Weise, z.B. über Sintern, Reibschweißen od.dgl., dauerhaft und unlösbar zusammengefügt werden.
  • Die Figuren 10 und 11 verdeutlichen Möglichkeiten, wie, aufbauend auf der Konfiguration der Figuren 1 bzw. 2, eine oder zwei Druckfedern 50, 52 (von außen) bzw. 54 (zwischen Kern und innerer Scheibe 20, 22) kraftverstärkend, dämpfend oder auf andere, ansonsten bekannte Weise eingesetzt werden können.
  • Die Figuren 12 und 13 verdeutlichen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel insoweit identische bzw. äquivalente Funktionskomponenten bezeichnen.
  • Die Längsschnittansicht der Fig. 12 verdeutlicht den leicht abweichenden konstruktiven Aufbau der Ankereinheit, wobei hier der mittlere Schaftbereich 10 zusätzlich um permanentmagnetisch flussleitende Abschnitte 60 ergänzt wurde, welche gleichermaßen kernseitig als Scheiben 62 eine Flussleitwirkung über das umgebende Gehäuse 30 ermöglichen. Insoweit verdeutlichen die geschlossenen dünnen Pfeilscharen 66 einen permanentmagnetischen Fluss, in der in Fig. 12 gezeigten Weise symmetrisch, der das Halten der Ankereinheit in einer Mittelposition zwischen beiden Endpositionen, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, ermöglicht. Genauer gesagt verdeutlichen zwei in Fig. 12 als dicke Pfeile 68 gezeigte permanentmagnetische Kraftpfeile, wie durch permanentmagnetische Anziehungskraft der Scheiben 12, 14 und ohne Bestromung der Spule ein stabiler Mittenzustand erreicht wird, da, bei annähernd gleicher permanentmagnetischer Anziehungskraft und symmetrischer Geometrie, insoweit die aufeinandergerichteten Kräfte 68 sich neutralisieren. Erreicht werden kann dieser Zwischenzustand durch ein impulsförmigbefristetes Bestromen der Spuleneinheit, um insoweit die Ankereinheit in diesen Zustand zu bringen, wobei das Bestromen beendet wird, bevor ein Anschlag am gegenüberliegenden Ende erfolgt.
  • Aufbauend auf der Geometrie der Fig. 12 verdeutlicht die nunmehr mögliche Bestromung, wie durch einen Impuls und gemäß Pfeilschar 70, eine abstoßende Wirkung im linksseitigen Bereich in der Figur erzeugt wird (insoweit der linksseitige Pfeil gegenüber dem rechten vergrößert ist), mit der Wirkung, dass sich als Reaktion auf den Strominpuls der Anker in die rechte Endposition aus der stabilen Mittelposition bewegt.
  • Ergänzend vorteilhaft hat sich im Rahmen der Realisierung des beschriebenen Ausführungsbeispiels herausgestellt, dass ein Verbringen bzw. Halten in einer Mittenposition gemäß Fig. 12 auch möglich ist durch eine Bestromung der Spuleneinheit mit einem Wechselsignal; bei geeigneter Frequenzeinstellung führt dies dazu, dass, durch permanentes Umpolen, die Mittelposition zuverlässig erreicht und gehalten werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich in besonders günstiger Weise zur Ausbildung einer Nockenwellenverstellung, so dass die Verwendung für den Zweck der Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors als zur vorliegenden Erfindung gehörig beansprucht wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt. Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung für jeglichen Stellzweck, welcher ein bistabiles elektromagnetisches Stellen ermöglicht oder einsetzt.

Claims (14)

  1. Bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit
    einer relativ zu einer stationären Spuleneinheit (26) und als Reaktion auf eine Bestromung derselben entlang einer Bewegungslängsachse zwischen mindestens zwei Stellpositionen bewegbaren Ankereinheit (10, 12,10 14, 16, 18, 20, 22),
    die ein- oder beidends Eingriffsmittel (40) zum Zusammenwirken mit einem nachgeschalteten, zu stellenden Aggregat aufweist, wobei
    die Ankereinheit in der Richtung der Bewegungslängsachse beidseits der Spuleneinheit Permanentmagnetmittel (12, 14) aufweist, die zum Zusammenwirken mit einem der Spuleneinheit zugeordneten stationären Kernbereich (24) so ausgebildet sind, dass als Reaktion auf die Bestromung der Spuleneinheit mit einem Gleichspannungssignal einer ersten Polarität die Ankereinheit in eine erste, bevorzugt endseitige und stromlos stabile der Stellpositionen verbracht wird
    und als Reaktion auf die Bestromung der Spuleneinheit mit einem Gleichspannungssignal einer zweiten Polarität die Ankereinheit in eine der ersten Stellposition axial entgegengesetzten zweite, bevorzugt endseitige und stromlos stabile der Stellpositionen verbracht wird,
    wobei die Ankereinheit langgestreckt ausgebildet ist und einen mittig vorgesehenen Schaftabschnitt (10) aufweist, der sich durch die Spuleneinheit und/oder den Kernbereich hindurch erstreckt, wobei die Stellvorrichtung in einem Gehäuse (30) aus einem magnetisch leitenden Material aufgenommen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Schaftabschnitt (10) zusätzlich getrennte, beidseitig an das jeweilige Permanentmagnetmittel anschließende, permanentmagnetisch flussleitende Abschnitte (60) aufweist,
    wobei gleichermaßen der Kernbereich an beiden Enden permanentmagnetisch flussleitende Scheiben (62) aufweist,
    so dass die Ankereinheit in eine dritte der Stellpositionen verbracht werden kann, an welcher durch einander entgegensetzte Anziehungskräfte der Permanentmagnetmittel keines der Permanentmagnetmittel am Kernbereich haftet, indem in der dritten Stellposition durch den jeweiligen flussleitenden Abschnitt (60) und die zugeordnete flussleitende Scheibe (62) für jedes Permanentmagnetmittel ein über das umgebende Gehäuse geschlossener permanentmagnetischer Fluss (66) ermöglicht wird,
    wobei die dritte Stellposition entlang der Richtung der Bewegungslängsachse zwischen der ersten endseitigen Stellposition und der zweiten endseitigen Stellposition liegt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich sowie die Permanentmagnetmittel so ausgebildet sind, dass in der ersten und/oder der zweiten Stellposition die Permanentmagnetmittel am Kernbereich magnetisch haften.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit und der Kernbereich so mit den Permanentmagnetmitteln zusammenwirken, dass die bevorzugt einmalimpulsförmige Bestromung ein magnetisches Abstoßen eines ersten Permanentmagneten der Permanentmagnetmittel sowie ein magnetisches Anziehen eines axial bezogen auf die Spuleneinheit gegenüberliegenden zweiten Permanentmagneten der Permanentmagnetmittel für einen Stellvorgang von der ersten zur zweiten Stellposition bewirkt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dritte Stellposition stromlos stabil ist und/oder mittig zwischen der ersten endseitigen Stellposition und der zweiten endseitigen Stellposition liegt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit axial mittig oder exzentrisch durch die Spuleneinheit (26) bzw. den Kernbereich (24) hindurchreicht.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel axial beidends der Spuleneinheit und/oder des Kernbereichs vorgesehene, bevorzugt scheibenförmige Permanentmagneten (12, 14) aufweisen.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffsmittel als scheibenförmige Ankerstirnfläche (16, 18) ausgebildet sind, die eine mit der Ankerstirnfläche zusammenwirkende Stößeleinheit (40) bewegt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stößeleinheit (40) lösbar und durch permanentmagnetische Haftwirkung der Permanentmagnetmittel auf der Ankerstirnfläche gehalten ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stößeleinheit in axialer Richtung mehrere Abschnitte aufweist, wobei ein erster, auf die Ankerstirnfläche gerichteter Abschnitt aus magnetischem Material gebildet ist und ein axial anschließender zweiter, mit dem Aggregat zusammenwirkender Abschnitt nicht-magnetisch ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der
    erste und der zweite Abschnitt, insbesondere durch Sintern oder Reibschweißen, unlösbar miteinander verbunden sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
    dass der zweite Abschnitt zumindest an einem Eingriffsende für das Zusammenwirken mit dem Aggregat gehärtet und/oder verschleißfest ausgestaltet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit ein- oder beidends mit Federmitteln (50, 52, 54) zusammenwirkt, wobei die Federmittel sich bevorzugt von einer axialen Ankerstirnfläche (16, 18) der Ankereinheit abstützen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mittels eines bügelförmigen und/oder längsschnittlich U- oder L-förmigen Gehäuseelements realisiert ist, dessen mindestens ein Schenkel (36) sich parallel zur Bewegungslängsachse erstreckt, wobei das Gehäuseelement einen Durchbruch (39) zum Hindurchführen eines Mittel- und/oder Verbindungsabschnitts (10) zwischen Permanentmagneten der Ankereinheit aufweist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Paar von ineinander und/oder gegeneinander verschachtelt vorgesehenen, bügelförmigen und mit jeweiligen axial ausgerichteten Durchbrüchen versehenen Gehäuseelementen aufweist.
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