EP2486575B1

EP2486575B1 - Aktuator für eine verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: EP2486575B1
Application number: EP10752788.9A
Authority: EP
Inventors: Michael Sanders; Dieter Thönnessen; Frank Bürger; Albert Genster; Albert Denne; Janusz Zurke
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: DE102009049009B4; WO2011042273A1; DE102009049009A1; EP2486575A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Stellelement bestehend aus einem elektromagnetischen Kreis, der eine Spule, einen feststehenden Kern, einen beweglichen Anker und ein Joch aufweist, einem Stößel, welcher über den elektromagnetischen Kreis betätigbar ist und der mit dem Anker verbunden ist und einem permanentmagnetischen Kreis, der aus dem Joch, dem Kern, dem Anker und einem Permanentmagneten besteht, der den Anker in einer Halteendstellung im unbestromten Zustand des elektromagnetischen Kreises hält, wobei der Permanentmagnet ortsfest innerhalb des elektromagnetischen Kreises angeordnet ist und Mittel zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien am permanentmagnetischen Kreis ausgebildet sind.
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 eines 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 Stößel ist es beispielsweise aus der DE 10 2007 028 600 A1 auch bekannt, mehrere Stellelemente in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen.
Des Weiteren ist aus der US 2005/0093664 A1 ein elektromagnetischer Aktuator bekannt, der in einer Endstellung durch einen Permanentmagneten und in seiner anderen Endstellung durch eine Federkraft gehalten wird. Am Joch Ist ein ringförmiger Absatz ausgebildet, in den eine Ankerplatte es Aktuators eintaucht. Dieser Absatz weist eine geringere Breite als das übrige Joch auf und dient zur Bündelung der magnetischen Feldlinien.
Zusätzlich ist aus der US 6,057,750 ein Elektromagnet mit zwei Haltepositionen bekannt, in denen der Anker in seiner Halteposition ohne Bestromung des Elektromagneten gehalten wird. Der Anker liegt in seiner einen Endstellung gegen das Joch und in der anderen Endstellung gegen den Kern an.
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. Zusätzlich hat sich bei den bekannten Aktuatoren der Nachteil gezeigt, dass die passive Rückführung des Stößels nicht immer funktioniert, da keine ausreichende Kraft zur Überbrückung des Abstandes zwischen der Ankerplatte und dem übrigen permanentmagnetischen Kreis aufgebracht werden kann. Aufgrund der beim Einbau eines derartigen Aktuators zur Nockenwellenverstellung immer notwendigen Toleranzen, muss jedoch ein Anziehen des Stößels in seine Halteendposition bereits bei einem Abstand von ca.1 mm sichergestellt werden. Des Weiteren muss bei den bekannten Aktuatoren eine relativ große Masse bei der Betätigung beschleunigt werden.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Aktuator zu schaffen, bei dem ohne Betätigung des Elektromagneten bereits sichergestellt ist, dass die Ankerplatte und damit der Stößel bereits bei einem größeren Abstand vom übrigen permanentmagnetischen Kreis in ihre eingefahrene Stellung gezogen wird. Gleichzeitig muss eine zu große und somit über einen Elektromagneten normaler Größe nicht mehr lösbare Haftkraft in der Endstellung verhindert werden. 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 einen Aktuator mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst, Dadurch, dass der Anker eine sich radial ersteckende Ankerplatte und in seinem Innern einen Hohlraum aufweist, wobei erste Mittel zur Bündelung der magnetischen Feldlinien durch einen am Joch sich axial in Richtung zur Ankerplatte erstreckenden Fortsatz verringerter Dicke gebildet sind, der in der Halteendstellung die Ankerplatte zumindest teilweise radial umgibt und zweite Mittel zur Bündelung der magnetischen Feldlinien durch einen sich axial in Richtung zum Anker erstreckenden Abschnitt des Kerns gebildet sind, der in der Halteendstellung in den Hohlraum des Ankers hineinragt und wobei entweder die Ankerplatte in der Halteendstellung beabstandet vom Joch angeordnet ist oder der Anker in der Halteendstellung beabstandet vom Kern angeordnet ist, wird einerseits die in Bewegungsrichtung des Stößels wirkende Permanentmagnetkraft erhöht, wodurch der Stößel bereits bei größerem Abstand zum übrigen permanentmagnetischen Kreis angezogen wird und andererseits wird durch diesen Spalt die Haltekraft des Permanentmagneten so verringert, dass ein Lösen der Ankerplatte mit einem üblichen Elektromagneten möglich bleibt. Die sonst sehr hohen magnetischen Kräfte werden somit reduziert, um kleinere Elektromagneten oder eine geringere Stromstärke zum Lösen der Haltekraft verwenden zu können. Zusätzlich entfällt eine mechanische Belastung des Permanentmagneten durch Stöße, so dass dessen Funktionalität über einen langen Zeitraum sichergestellt wird. Die zu bewegende Masse ist sehr klein, so dass keine hohen Stellkräfte aufgebracht werden müssen. Die Ankerplatte dient dabei zum Schließen der magnetischen Kreise, wobei der permanentmagnetische Kreis nur in der Halteposition schließbar ist. In dem Fortsatz am Joch werden die magnetischen Feldlinien aus dem Joch gebündelt. Aufgrund der geringen Dicke des Fortsatzes weisen die Feldlinien auch vor allem eine axiale Richtung auf. Entsprechend wirkt dieses gebündelte Feld auf die Ankerplatte bereits, wenn die Ankerplatte sich noch in einem Abstand zu ihrem Auflagepunkt befindet, da je nach Höhe des Fortsatzes auch die magnetische Kraft über den Fortsatz auf die Ankerplatte wirkt, so dass ein entsprechender Abstand zur Auflagefläche überwunden werden kann. Der sich axial in den Hohlraum des Ankers erstreckende Abschnitt am Kern besitzt im Wesentlichen die gleiche Wirkung, wie der sich axial erstreckende Fortsatz am Joch. Auch hier werden Feldlinien in axialer Richtung gebündelt und in Bereiche geführt, die einen axialen Abstand zwischen den Teilen des magnetischen Kreises verringern, um auch bei einer Entfernung von ca. 1mm von der Halteendstellung eine Kraft aus den Anker auszuüben, die diesen in Richtung seiner Halteendstellung bewegt. Durch den Hohlraum im Anker Wird das Gewicht des Ankers verringert, so dass Trägheitskräfte und somit benötigte Halte- und Verstellkräfte sinken und eine schnellere Betätigung möglich ist.
Vorzugsweise ist als Mittel zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien der Permanentmagnet axial zwischen dem Kern und dem Joch angeordnet und sind der Kern und der Permanentmagnet radial beabstandet vom Joch angeordnet. Durch die axiale Anordnung des Permanentmagneten wird eine mechanische Stoßbelastung dessen ausgeschlossen. Durch den radialen Abstand zwischen dem Magnet beziehungsweise dem Kern und dem Joch wird ein Übertreten magnetischer Feldlinien in radialer Richtung im permanentmagnetischen Kreis vermieden. Es findet somit eine Bündelung axialer magnetischer Feldlinien statt, da sich das Magnetfeld nur in diese Richtung fortsetzen kann. Dies führt zu einer erhöhten magnetischen Kraft in axialer Richtung, also in Bewegungsrichtung des Stößels bei gleichbleibend großem Magneten.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist im Hohlraum des Ankers ein Federelement angeordnet, welches gegen einen im Innern des Ankers ausgebildeten Anschlag und gegen den Kern anliegt. Im Vergleich zu bekannten Ausführungen kann hierdurch nicht nur die bewegte Masse sondern auch der benötigte axiale Bauraum verringert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchmesser des Permanentmagneten größer als der freie Durchmesser im Innern des Spulenträgers und ist der Permanentmagnet am zum Stößel abgewandten Ende der Spule angeordnet. Somit können starke relativ groß bauende Permanentmagneten verwendet werden, mit denen ausreichende Anziehungskräfte auch bei beabstandeten Teilen des magnetischen Kreises erzielt werden können.
Vorzugsweise ist im Gehäuse eine Auflagefläche für die Ankerplatte in ihrer zweiten Endstellung ausgebildet, wobei in der Auflagefläche zumindest ein zusätzlicher Permanentmagnet angeordnet ist. So kann in der zweiten Endstellung eine zusätzliche Haltekraft erzeugt werden, deren Magnetfeld auch zur Lagerückmeldung nutzbar ist.
Vorzugsweise ist in einem Gehäuse des Aktuators ein berührungsloser Sensor angeordnet, über den ein sich mit Bewegung der Ankerplatte veränderndes magnetisches Feld detektierbar ist. Diese Feldänderung bewirkt ein unterschiedliches Ausgangssignal des Sensors dessen Größe ein Maß für die Position des Stößels ist. Somit wird eine genaue Lagerückmeldung möglich. Dabei können je nach verwendetem Sensor sowohl sich ändernde Feldlinienrichtungen als auch -stärken zur Lagemessung benutzt werden. Die bewegliche Ankerplatte erzeugt dabei eine Feldänderung bei ihrer Bewegung.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind zwei Stellelemente nebeneinander im Gehäuse angeordnet. Dabei kann zur Verstellung eines Schiebenockens das erste Stellelement den Nocken in eine erste Richtung verschieben und das zweite Stellelement den Nocken in die entgegengesetzte Richtung verschieben. Entsprechend ist eine Betätigung jeweils nur eines der Stellelemente notwendig und gewünscht. Deren Anordnung in einem gemeinsamen Gehäuse vereinfacht die Montage und verringert den benötigten Bauraum.
In einer weiterführenden Ausführung ist auf einer Symmetrieachse der beiden Stellelemente im Gehäuse der berührungslose Sensor angeordnet, der mit beiden Stellelementen wirkverbunden ist, wobei jedem Stellelement je ein zusätzlicher Permanentmagnet zugeordnet ist, wobei die beiden Permanentmagnete entgegengesetzt polarisiert mit dem Sensor wirkverbunden sind. Aufgrund der Lage des Sensors ist es somit möglich, mit nur einem Sensor die Lage beider Stellelemente aufgrund der unterschiedlichen Richtung der Feldlinien zu detektieren. Entsprechend wird die Anzahl der verwendeten Bauelemente im Vergleich zu bekannten Ausführungen verringert.
Es wird somit ein Aktuator geschaffen, der eine ausreichende Kraft zum Anziehen des Stößels auch aus einer Entfernung von über 1mm zur Endlagenposition aufbringen kann. Dennoch bleibt die Haltekraft in dieser Endlage derart, dass ein Lösen mittels eines normalen Elektromagneten möglich bleibt. Mehrere derartiger Stellelemente können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und deren Stellung mittels eines gemeinsamen Stellungssensors detektiert werden. Der erfindungsgemäße Aktuator benötigt aufgrund seiner geringen Ausdehnung nur einen kleinen Bauraum. Er weist durch die geringe mechanische Belastung des Permanentmagneten eine hohe Lebensdauer auf.
Zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Aktuatoren sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Stellelementes eines erfindungsgemäßen Aktuators in geschnittener Darstellung.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Aktuators mit zwei zu Figur 1 alternativ ausgeführten Stellelementen in geschnittener Darstellung.
Figur 3 zeigt schematisch eine Kopfansicht einer Anordnung eines Sensors für einen erfindungsgemäßen Aktuator gemäß der Figur 2.

Das in Figur 1 dargestellte Stellelement 2 eines erfindungsgemäßen Aktuators besteht aus einem elektromagnetischen Kreis 4, einem Stößel 6, welcher über den elektromagnetischen Kreis 4 betätigbar ist und einem permanentmagnetischen Kreis 8 zur Erzeugung einer Haltekraft in einer Halteendposition des Stößels 6.
Der elektromagnetische Kreis 4 weist eine Spule 10 auf, die von einem Joch 12 umgeben ist und in deren Innern ein axial beweglicher Anker 14 angeordnet ist, der mit dem Stößel 6 fest verbunden ist, so dass dieser bei Bewegung des Ankers 14 mit bewegt wird. Der Anker 14 ist als Hohlzylinder ausgeführt, von dem aus sich eine Ankerplatte 16 radial nach außen erstreckt und die eine Ausnehmung 18 aufweist, in der der Stößel 6 durch Schweißen befestigt ist. Im Hohlraum 20 des Ankers 14 ist ein Federelement 22 in Form einer Schraubenfeder angeordnet, die sich mit ihrem ersten Ende gegen einen lediglich in Figur 2 dargestellten Absatz 24 des Ankers 14 oder des Stößels 6 abstützt und mit ihrem zweiten Ende gegen einen Kern 26 abstützt, der in vorliegender Ausführung in einem Spulenträger 28 angeordnet ist.
Der Außendurchmesser des Ankers 14 bewegt sich mit Spiel innerhalb eines Spulenträgers 28. Die Führung des Stößels 6 erfolgt in einem wiederum nur in Figur 2 dargestellten Führungsgehäuseteil 30, welches den Stößel 6 in axialer Erstreckungsrichtung radial umschließt.
Der permanentmagnetische Kreis 8 besteht aus einem Permanentmagneten 32, welcher axial zwischen dem Kern 26 und einem sich radial erstreckenden Abschnitt des Jochs 12 und radial innerhalb des Spulenträgers 28 angeordnet ist, sowie dem Joch 12, dem Anker 14 und dem Kern 26.
Der Kern 26 weist drei axial hintereinanderliegende Abschnitte auf. Ein erster sich axial erstreckender Abschnitt 34 besitzt eine zylindrische Form mit einem Absatz, so dass zwei axial hintereinanderliegende Zylinder entstehen, und ragt in den hohlzylindrischen Anker 14 hinein, wobei der Außendurchmesser des Abschnitts 34 im Bereich des größeren Abschnitts geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Hohlraums 20. An diesen zylindrischen Abschnitt 34 schließt sich ein zweiter zylindrischer Abschnitt 36 größeren Durchmessers an, der im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist, wie der Anker 14. Es folgt ein dritter Abschnitt 38, der einen sich in entgegengesetzter Richtung zum Stößel wachsenden Durchmesser aufweist bis dieser Durchmesser dem Durchmesser des Permanentmagneten 32 entspricht. Der gesamte Kern 26, der Permanentmagnet 32 und der Anker 14 sind vom Spulenträger 28 aus Kunststoff umgeben. Der Spulenträger 28 erstreckt sich somit In entgegengesetzter Richtung zum Stößel axial über die Spule 10 hinweg bis vor den axial begrenzenden Abschnitt des Jochs 12. Dabei wird durch den Spulenträger 28 der radiale Abstand zwischen dem Kern 26 beziehungsweise dem Permanentmagneten 32 und dem sich axial erstreckenden Joch 12 so groß gehalten, dass ein Übertreten magnetischer Feldlinien möglichst vollständig vermieden wird, wodurch eine Bündelung der vorhandenen Magnetkräfte erreicht wird.
Des Weiteren ist am Joch 12 am zum Stößel weisenden Ende ein sich radial nach innen erstreckender Abschnitt ausgebildet, der als Rückschluss dient. Von diesem Abschnitt aus erstreckt sich axial in Richtung zur Ankerplatte 16 ein ringförmiger Fortsatz 40, der in der Haltestellung die Ankerplatte 16 radial umgibt.
Die Funktionsweise des konstruktiv im Vorangegangen beschriebenen Aktuator wird im Folgenden anhand einer Anwendung des Aktuators zur Schiebenockenverstellung beschrieben.
In seiner Ausgangsstellung, welches der eingefahrenen Position oder der Halteendstellung des Stößels 6 entspricht, liegt der Anker 14 mit seinem ersten axialen Ende gegen den Kern 26 an. In dieser Position wird der Anker 14 und somit der Stößel 6 durch den permanentmagnetischen Kreis 8 gehalten, dessen Feldlinien vom Permanentmagneten 32 über das Joch 12 in die Ankerplatte 16 und den Anker 14 und zurück über den Kern 26 zum entgegengesetzten Pol des Permanentmagneten 32 verlaufen. Es handelt sich entsprechend um ein geschlossenes magnetisches Feld, welches eine Haltekraft auf den Anker 14 ausübt, die größer ist als eine in entgegengesetzter Richtung wirkende Federkraft, die das Federelement 22 auf den Anker 14 ausübt. Die vorhandene Haltekraft ist dabei insbesondere abhängig von vorhandenen Spalten im permanentmagnetischen Kreis 8. Da die Haltekraft in einem derartigen Aktuator ohne Spalte sehr groß ist, wird der sich axial erstreckende Abschnitt des Ankers 14 geringfügig länger ausgebildet, als der Abstand zwischen der Auflagefläche des Ankers 14 am Kern 26 und der Unterkante des Joches 12 ohne den ringförmigen Fortsatz 40. Hierdurch ergibt sich ein Spalt 42 zwischen dem sich nach radial innen erstreckenden Abschnitt des Jochs 12 und der Ankerplatte 16 in der Halteendstellung. Alternativ wäre es möglich, einen Abstand zwischen dem Kern 26 und dem Anker 14 in der Halteendstellung zu belassen, indem die Ankerplatte 16 am Joch 12 anliegt bevor der Anker 14 den Kern 26 erreicht.
Soll nun einer der Schiebenocken auf einer Nockenwelle betätigt werden, muss der Stößel 6 in einen ausgefahrenen Zustand verschoben werden. Hierzu wird durch den elektromagnetischen Kreis 4 ein Magnetfeld erzeugt, welches dem Magnetfeld 8 des Permanentmagneten entgegen gerichtet wirkt. Dies führt zu einer Schwächung der zwischen dem Anker 14 und dem Kern 26 wirkenden Haltekraft bis schließlich die Federkraft größer ist als die Haltekraft, wodurch der Anker 14 sich vom Kern 26 löst. Es folgt unter Einwirkung der Federkraft eine Bewegung des Ankers 14 und somit des Stößels 6, bei der diese sich vom Kern 26 in seine zweite ausgefahrene Endstellung bewegen. Hierzu ist bei dieser Ausführung keine elektromagnetische Kraft erforderlich. In dieser zweiten Endstellung wird der Stößel 6 durch die Federkraft und eine permanentmagnetische Kraft gehalten, die durch einen oder mehrere zusätzliche Permanentmagnete 45 erzeugt wird, die im Bereich einer Auflagefläche 48 des Gehäuses 44 beziehungsweise im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 im Führungsgehäuseteil 30 angeordnet sind, auf dem die Ankerplatte 16 in ihrer ausgefahrenen Position aufliegt, wie lediglich in Figur 3 dargestellt ist. Diese wirken mit einem berührungslosen Sensor 46 zusammen, mittels dessen das Aufliegen der Ankerplatte 16 in bekannter Weise erkennbar ist.
Der Stößel 6 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 der Stößel 6 aktiv durch eine Erhebung der Nut angehoben wird, so dass der Stößel 6 und der Anker 14 in Richtung der Halteendstellung verschoben werden. Bei dieser Verwendung des Aktuators wird der Hub der Nut geringfügig kleiner ausgeführt als der Hub des Ankers 14. 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 14 in seiner Endstellung halten zu können und zwar möglichst ohne den elektromagnetischen Kreis 4 aktivieren zu müssen. Entsprechend soll die hierzu notwendige magnetische Kraft durch den permanentmagnetischen Kreis 8 aufgebracht werden. Hierzu ist es notwendig, permanentmagnetische in axialer Richtung wirkende Magnetlinien bereits in einem Abstand von ca. 1mm zwischen dem Anker 14 und dem Kern 26 zu erzeugen.
Hierzu dient der sich axial erstreckende Fortsatz, von dem aus sich permanentmagnetische Feldlinien in Richtung zu Ankerplatte 16 erstrecken, die eine große axial wirkende Komponente aufweisen und der sich in den Anker 16 erstreckende Absatz 34, von dem aus sich permanentmagnetische Feldlinien in Richtung des Ankers 16 erstrecken. Dabei besteht insbesondere im Bereich des Fortsatzes 40 eine hohe Magnetkraft, da die permanentmagnetischen sich axial erstreckenden Feldlinien im dünnen Fortsatz 40 gebündelt werden. Entsprechend wird eine hohe Anziehungskraft erzeugt, mittels derer die Federkraft bereits ca. 1 mm vor Erreichen des Endanschlags überwunden werden kann. Somit besteht ein extrem geringer Stromverbrauch, da ein Strom nur zum Auslösen der Verstellung aus der Halteendstellung erforderlich Ist.
Zusätzlich wird ersichtlich, dass keine mechanische Belastung des Permanentmagneten 32 vorliegt, da die Bewegung des Ankers 14 nicht auf den feststehenden Magneten 32 wirkt.
Als zusätzliche Maßnahme zur Bündelung der permanentmagnetischen axial wirkenden Feldlinien dient der sich axial erstreckende Abschnitt 34 des Kerns 26. Die gesamten Feldlinien des Permanentmagneten 32 werden durch die sich in Richtung des Ankers 14 verengende Form des Kerns 26 gebündelt, so dass auch hier hohe axiale Magnetkräfte zwischen dem Kern 26 und dem Anker 14 auftreten.
Der in Figur 2 dargestellte Aktuator unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten insbesondere dadurch, dass zwei Stellelemente 2a, 2b in einem gemeinsamen Gehäuse 44 nebeneinander angeordnet sind, wobei das erste Stellelement 2a in seiner zweiten Endstellung dargestellt ist und das zweite Stellelement 2b in seiner Halteendstellung dargestellt ist. Des Weiteren erstreckt sich der Kern 26 über die gesamte axiale Länge des Spulenträgers 28, so dass die Ankerplatte 16 zum Schließen der magnetischen Kreise 4, 8 dient. Bei dieser Ausführung erstreckt sich ebenfalls ein Fortsatz 40 vom Joch 12 in Richtung zur Ankerplatte 16. Zusätzlich erstreckt sich ein zylindrischer Abschnitt 34 des Kerns 26 in den Hohlraum 20 des Ankers. Der Spalt 42 wird in dieser Ausführung zwischen der Ankerplatte 16 und dem Kern 26 in der Halteendstellung ausgebildet, während die Ankerplatte am Joch 12 anliegt.
Als weiterer Unterschied ergibt sich lediglich die Anordnung des Federelementes im Stößel 6 anstatt im Anker 14. Die Funktionsweise ist identisch zu der oben Beschriebenen.
Aus Figur 3 ist zusätzlich eine Möglichkeit zur Anordnung des berührungslosen Magnetsensors 46 ersichtlich. Dieser ist auf einer Symmetrieachse 50 zwischen den beiden Stellelementen 2a, 2b angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass beide Stellelemente 2a, 2b über den Magnetsensor 46 überwacht bzw. deren Position detektiert werden kann. Zum Halten in der Endposition dienen hier jeweils vier kleine Stabmagnete 45 Im Führungsgehäuseteil 30, im Bereich des Anschlags der Ankerplatte 16, wobei darauf zu achten ist, dass der jeweils zum Sensor 46 nächstgelegene Permanentmagnet 45a des ersten Stellelementes 2a eine entgegengesetzte Polarität zum nächstgelegenen Permanentmagnet 45b des zweiten Stellelementes 2b aufweist, Hierdurch ist aufgrund des Ausgangssignals des Sensors 46 eine Unterscheidung zwischen den beiden Stellelementen 2a, 2b möglich. Durch diese Anordnung entstehen vier unterschiedliche Signale für die vier anfahrbaren Stellungen des Aktuators, so dass eine eindeutige Zuordnung des Signals zur Stellung des Aktuators möglich ist.
Es wird deutlich, dass der beschriebene Aktuator einen geringen Stromverbrauch sowie durch die geringe mechanische Belastung des Magneten eine hohe Lebensdauer aufweist. Ein mögliches Lösen ohne zu große aufzubringende Stellkräfte wird ebenso sichergestellt wie eine ausreichende Anzugskraft durch den permanentmagnetischen Kreis vor Erreichen der Halteendstellung. Eine Haltekraft und eine Lagerückmeldung auch bei zwei Stellelementen in einem Gehäuse wird mit nur einem Sensor sichergestellt und ein ungewolltes Lösen verhindert. Des Weiteren besteht eine gute elektromagnetische Verträglichkeit.
Es sollte deutlich sein, dass konstruktive Änderungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Schutzbereich des Hauptanspruchs denkbar sind und eine Verwendung eines derartigen Aktuators auch in anderen Bereichen möglich ist. So wäre es beispielsweise möglich, eine Anziehungskraft zum Erreichen der Halteendstellung durch Bestromen der Spule zu erzeugen. Hierzu wäre die Stromrichtung im Vergleich zum Lösen des Stellelementes aus der Halteendstellung umzukehren. Dies würde zu einem das Permanentmagnetfeld verstärkenden Feld führen und somit ebenfalls ein Rückführen des Ankers in die Ausgangsposition unterstützen, Des Weiteren lassen sich unterschiedliche konstruktive Formen zur Verstärkung oder Schwächung der vorhandenen permanent- und elektromagnetischen Felder entwickeln.

Claims

Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Stellelement bestehend aus:
einem elektromagnetischen Kreis (4), der eine Spule (10), einen feststehenden Kern (26), einen beweglichen Anker (14) und ein Joch (12) aufweist,

einem Stößel (6), welcher über den elektromagnetischen Kreis (4) betätigbar ist und der mit dem Anker (14) verbunden ist,

und einem permanentmagnetischem Kreis (8), der aus dem Joch (12), dem Kern (26), dem Anker (14) und einem Permanentmagneten (32) besteht, der den Anker (14) in einer Halteendstellung im unbestromten Zustand des elektromagnetischen Kreises (4) hält,

wobei der Permanentmagnet (32) ortsfest innerhalb des elektromagnetischen Kreises (4) angeordnet ist und Mittel (34, 40) zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien am permanentmagnetischen Kreis (8) ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Anker (14) eine sich radial ersteckende Ankerplatte (16) und in seinem Innern einen Hohlraum (20) aufweist, wobei erste Mittel zur Bündelung der magnetischen Feldlinien durch einen am Joch (12) sich axial in Richtung zur Ankerplatte (16) erstreckenden Fortsatz (40) verringerter Dicke gebildet sind, der in der Halteendstellung die Ankerplatte (16) zumindest teilweise radial umgibt und zweite Mittel zur Bündelung der magnetischen Feldlinien durch einen sich axial in Richtung zum Anker (14) erstreckenden Abschnitt (34) des Kerns (26) gebildet sind, der in der Halteendstellung in den Hohlraum (20) des Ankers (14) hineinragt und wobei entweder die Ankerplatte (16) in der Halteendstellung beabstandet vom Joch (12) angeordnet ist oder der Anker (14) in der Halteendstellung beabstandet vom Kern (26) angeordnet ist.
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Mittel zur Bündelung axialer magnetischer Feldlinien der Permanentmagnet (32) axial zwischen dem Kern (26) und dem Joch (12) angeordnet ist und der Kern (26) und der Permanentmagnet (32) radial beabstandet vom Joch (12) angeordnet sind.
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Hohlraum (20) des Ankers (14) ein Federelement (22) angeordnet ist, welches gegen einen im Innern des Ankers (14) oder des Stößels (6) ausgebildeten Absatz (24) und gegen den Kern (26) anliegt.
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Durchmesser des Permanentmagneten (32) größer ist als der freie Durchmesser im Innern eines Spulenträgers (28) und der Permanentmagnet (32) am zum Stößel (6) abgewandten Ende der Spule (10) angeordnet ist.
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Gehäuse (44) oder einem Führungsgehäuseteil (30) eine Auflagefläche (48) ausgebildet ist, auf der die Ankerplatte (16) in ihrer zweiten Endstellung aufliegt, wobei in der Auflagefläche (48) zumindest ein zusätzlicher Permanentmagnet (45) ausgebildet ist.
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Gehäuse (44) des Aktuators ein berührungsloser Sensor (46) angeordnet ist, über den ein sich mit Bewegung des Ankers (14) veränderndes magnetisches Feld detektierbar ist.
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei Stellelemente (2a, 2b) nebeneinander in einem Gehäuse (44) des Aktuators angeordnet sind.
Aktuator für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf einer Symmetrieachse (50) der beiden Stellelemente (2a, 2b) im Gehäuse (44) der berührungslose Sensor (46) angeordnet ist, der mit beiden Stellelementen (2a, 2b) wirkverbunden ist, wobei jedem Stellelement (2a, 2b) je ein zusätzlicher Permanentmagnet (45a, 45b) zugeordnet ist, wobei die beiden Permanentmagnete (45a, 45b) entgegengesetzt polarisiert mit dem Sensor (46) wirkverbunden sind.