EP2775485A2

EP2775485A2 - Elektromagnetische Stellvorrichtung, insbesondere zur Nockenwellenverstellung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP2775485A2
Application number: EP14156741.2A
Authority: EP
Inventors: Tsuneo Suzuki; Harald Burkart; Sören Rosenbaum; Mikhail Revin
Original assignee: Kendrion Villingen GmbH
Current assignee: Kendrion Villingen GmbH
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: BR102014004878A2; PL2775485T3; US20140253265A1; HUE031520T2; ES2617080T3; EP2775485B1; DE102013102241A1; EP2775485A3; US9305728B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung (1), die eine in axialer Richtung zwischen einer Ruheposition (I) und einer Stellposition (II) verschiebbare erste Ankeranordnung (10), welche mit einem ersten Stellelement (11) verbunden ist, einen in magnetische Wirkverbindung mit der ersten Ankeranordnung (10) bringbaren ersten Polkern (20),eine axial ausgerichtete bestrombare Spuleneinheit (50) zur Beeinflussung der magnetischen Wirkverbindung zwischen dem ersten Polkern (20) und der ersten Ankeranordnung (10) und eine mit einem zweiten Stellelement (31) verbundene, in axialer Richtung zwischen einer Ruheposition (I) und einer Stellposition (II) verschiebbare zweite Ankeranordnung (30) umfasst. Erfindungsgemäß ist ein in magnetische Wirkverbindung mit der zweiten Ankeranordnung (30) bringbarer zweiter Polkern (40) vorgesehen ist, welcher zur Beeinflussung von dessen magnetischen Wirkverbindung mit der zweiten Ankeranordnung (30) durch die Spuleneinheit (50) axial gegenüber dem ersten Polkern (10) ausgerichtet ist, sowie eine Permanentmagneteinheit (60), deren Magnetachse (61) zur Erzeugung einer magnetischen Wirkverbindung sowohl zwischen dem ersten Polkern (20) und der ersten Ankeranordnung (10) als auch zwischen dem zweiten Polkern (40) und der zweiten Ankeranordnung (30) radial ausgerichtet und feststehend ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Stellvorrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere zur Nockenwellenverstellung.
Eine gattungsbildende elektromagnetische Stellvorrichtung ist als Vorrichtung zur Nockenwellenverstellung einer Brennkraftmaschine aus der DE 10 2007 037 232 A1 bekannt.
Solche Vorrichtungen zu Nockenwellenverstellung weisen zwei oder mehr Stößel auf, welche gleich- oder gegenläufig oder unabhängig voneinander durch Bestromung von Spuleneinheiten bewegt werden, um durch Zusammenwirken mit jeweils einer Steuernut der Nockenwelle eine axiale, vorbestimmte Verstellung der Nockenwelle zu bewirken, wodurch einem Nocken verschiedene Nockenbahnen zugeordnet werden können, um bspw. eine Zylinderabschaltung oder eine Ventilhubumschaltung durchführen zu können.
Die bekannte elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß der DE 10 2007 037 232 A1 weist eine mehrteilige Stößeleinheit auf, die aus einem Hohlstößel und einem von diesem aufgenommenen Innenstößel besteht, wobei sowohl dem Hohlstößel ein mit einem Polkern zusammenwirkender Anker als auch dem als Permanentmagnet ausgebildeten Innenstößel ein Flachanker zugeordnet ist. Ferner sind eine den Polkern umschließende erste Spuleneinheit sowie eine den Hohl- und Innenstößel umschließende zweite Spuleneinheit vorgesehen, die axial zur ersten Spuleneinheit in der Stellvorrichtung angeordnet ist. Eine Bestromung dieser zweiten Spuleneinheit bewirkt eine Bewegung des Flachankers des Hohlstößels in Stellrichtung, wird also aus dem Gehäuse in eine Stellposition herausgeschoben, während jedoch der Anker des Innenstößels aufgrund seiner permanentmagnetischen Eigenschaft am Polkern magnetisch haften bleibt, also der Innenstößel in seiner eingeschobenen Ruheposition verbleibt.
Um den Innenstößel aus seiner eingefahrenen Ruheposition in seine Stellposition auszufahren, wird die erste Spuleneinheit so bestromt, dass der Anker des Innenstößels aufgrund der permanentmagnetischen Eigenschaft von dem Polkern abgestoßen wird.
Mit einer solchen bekannten elektromagnetischen Stellvorrichtung werden im Zusammenwirken mit den Steuernuten einer Nockenwelle für die "Teilstößel" der mehrteiligen Stößeleinheit unterschiedliche Eindringtiefen in die zugehörigen Steuernuten möglich, so dass entsprechende Steuernuten selektiv ausgewählt und abgefahren werden können, so dass bei Drehung der Nockenwelle die beabsichtigte Axialverstellung bewirkt wird.
Bei dieser bekannten Stellvorrichtung besteht jedoch die Gefahr, dass die mehrteilige Stößeleinheit mit einem Hohl- und einem Innenstößel nicht immer in allen Betriebszuständen einer Brennkraftmaschine störungsfrei arbeitet. Ferner sind für den Betrieb dieser bekannten Stellvorrichtung zwei Spuleneinheiten erforderlich, die sowohl zu einem hohen Materialaufwand als auch zu einem hohen Energieaufwand führen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektromagnetische Stellvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unter allen Betriebsbedingungen eine energiesparende und funktionssichere Betriebsweise garantiert, ohne dass hierfür eine aufwendige Konstruktion erforderlich wäre.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Eine solche elektromagnetische Stellvorrichtung, die eine in axialer Richtung zwischen einer Ruheposition und einer Stellposition verschiebbare erste Ankeranordnung, welche mit einem ersten Stellelement verbunden ist, einen in magnetische Wirkverbindung mit der ersten Ankeranordnung bringbaren ersten Polkern, eine axial ausgerichtete bestrombare Spuleneinheit zur Beeinflussung der magnetischen Wirkverbindung zwischen dem ersten Polkern und der ersten Ankeranordnung und eine mit einem zweiten Stellelement verbundene, in axialer Richtung zwischen einer Ruheposition und einer Stellposition verschiebbare zweite Ankeranordnung umfasst, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

ein in magnetische Wirkverbindung mit der zweiten Ankeranordnung bringbarer zweiter Polkern vorgesehen ist, welcher zur Beeinflussung von dessen magnetischen Wirkverbindung mit der zweiten Ankeranordnung durch die Spuleneinheit axial gegenüber dem ersten Polkern ausgerichtet ist, und
eine Permanentmagneteinheit vorgesehen ist, deren Magnetachse zur Erzeugung einer magnetischen Wirkverbindung sowohl zwischen dem ersten Polkern und der ersten Ankeranordnung als auch zwischen dem zweiten Polkern und der zweiten Ankeranordnung radial ausgerichtet ist.

Bei dieser erfindungsgemäßen Stellvorrichtung ist eine Permanentmagneteinheit vorgesehen, welche die beiden Ankeranordnungen in ihren Ruhepositionen hält, in denen die erste Ankeranordnung mit dem ersten Polkern in magnetischer Wirkverbindung steht und die zweite Ankeranordnung mit dem zweiten Polkern in magnetischer Wirkverbindung steht, ohne dass für diese Betriebsstellung Energie erforderlich wäre. Die Spuleneinheit ist lediglich dafür erforderlich, dass die magnetischen Wirkverbindungen der beiden Ankeranordnungen mit dem jeweiligen Polkern beeinflusst werden, so dass entweder die magnetische Wirkverbindung zwischen der ersten Ankeranordnung und dem ersten Polkern oder die magnetische Wirkverbindung zwischen der zweiten Ankeranordnung und dem zweiten Polkern gelöst wird, um hierdurch eine Bewegung der ersten Ankeranordnung zusammen mit dem ersten Stellelement oder eine Bewegung der zweiten Ankeranordnung zusammen mit dem zweiten Stellelement zu ermöglichen.
Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist ein erstes Federelement vorgesehen, welches die erste Ankeranordnung gegen den ersten Polkern in Stellrichtung vorspannt. Ferner ist entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein zweites Federelement vorgesehen, welches die zweite Ankeranordnung gegen den zweiten Polkern in Stellrichtung vorspannt.
Damit wird bei Lösen der magnetischen Wirkverbindung zwischen den Polkernen und den zugeordneten Ankeranordnungen durch die vorgespannten Federelemente eine Bewegung der Ankeranordnungen zusammen mit den jeweiligen Stellelementen aus deren Ruhepositionen in die Stellpositionen ermöglicht.
Hierzu ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Permanentmagneteinheit derart ausgebildet, dass bei unbestromter Spuleneinheit sowohl die erste Ankeranordnung mit dem ersten Polkern als auch die zweite Ankeranordnung mit dem zweiten Polkern in eine magnetische Wirkverbindung gebracht wird. Hierzu weist eine solche Permanentmagneteinheit eine solche Feldstärke auf, dass die dadurch bewirkte Haltekraft der Ankeranordnungen an den jeweiligen Polkernen von den jeweiligen Federelementen nicht überwunden werden kann, d.h., dass weiterbildungsgemäß der Permanentmagneteinheit derart ausgebildet ist, dass mit der erzeugten magnetischen Wirkverbindung die erste und zweite Ankeranordnung in deren Ruhepositionen gehalten wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Spuleneinheit derart ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit der Bestromungsrichtung entweder die magnetische Wirkverbindung zwischen der ersten Ankeranordnung und dem ersten Polkern oder die Wirkverbindung zwischen der zweiten Ankeranordnung und dem zweiten Polkern aufgehoben wird.
Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die zweite Ankeranordnung einen Anker mit einer Ankerplatte umfasst, wobei sich die Ankerplatte in Wirkverbindung mit dem zweiten Stellelement befindet.
Weiterhin ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der zweite Polkern zur verschieblichen Aufnahme der ersten Ankeranordnung mit einer Sacklochbohrung ausgebildet ist. Damit ist eine besonders kompakte Anordnung der beiden Polkerne in der Stellvorrichtung möglich.
Der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung wird weiter dadurch vereinfacht, dass weiterbildungsgemäß ein rohrförmiges Aufnahmeelement vorgesehen ist, welches einenends mit dem ersten Polkern und andernends mit dem zweiten Polkern verbunden ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung an dem zum ersten Polkern benachbarten Ende des rohrförmigen Aufnahmeelementes die Spuleneinheit auf diesem Aufnahmeelement angeordnet ist. Vorzugsweise ist dann die Permanentmagneteinheit auf dem zweiten Polkern radial umlaufend angeordnet.
Eine weitere kompakte Anordnung ergibt sich dadurch, dass weiterbildungsgemäß die Permanentmagneteinheit axial in Stellrichtung benachbart zur Spuleneinheit angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Permanentmagneteinheit aus kreisringsegmentartigen Permanentmagneten aufgebaut. Damit lässt sich ein von diesen Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld aufbauen, welches wesentlichen homogen und insbesondere eine hohe Haltekraft zur Erzeugung der magnetischen Wirkverbindungen zwischen der ersten bzw. zweiten Ankeranordnung und dem ersten bzw. zweiten Polkern.
Gemäß einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist das erste Stellelement als Stößel ausgebildet, auf welchem die erste Ankeranordnung bewegungsfest und die zweite Ankeranordnung verschiebbar angeordnet ist. In entsprechender Weise ist auch weiterbildungsgemäß vorgesehen, dass auch das zweite Stellelement als Stößel ausgebildet und in der Stellvorrichtung axial versetzt angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Stößel des zweiten Stellelementes mittels eines Federelementes entgegen der Stellrichtung vorgespannt ist und flächenschlüssig an der Ankerplatte der zweiten Ankeranordnung anliegt. Damit ist ein solcher Stößel weder Kraft- noch stoffschlüssig mit der Ankerplatte verbunden, sondern liegt lose an derselben an. Hierdurch ergibt sich eine Leichtgängigkeit bei der Bewegung des Stößels der zweiten Ankeranordnung.
Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung kann vorteilhafter Weise als Stelleinheit für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Verstellung einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:

Figur 1: eine Schnittdarstellung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß der Erfindung,
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Nockenwelle mit Steuernuten und zugehörigen Stellelementen einer Stellvorrichtung nach Figur 1,
Figur 3: ein Drehwinkel-Hubweg-Diagramm zur Darstellung des Zusammenwirkens der Stellelemente mit den Steuernuten der Nockenwelle nach Figur 2,
Figur 4: eine schematische Darstellung der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß Figur 1 mit dem von der Permanentmagneteinheit erzeugten magnetischen Feldlinienverlauf zur Verstellung der ersten Stelleinheit aus deren Ruheposition in deren Stellposition,
Figur 5: eine schematische Darstellung der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß Figur 1 mit dem von der Permanentmagneteinheit und der Spuleneinheit erzeugten magnetischen Feldlinienverlauf zur Verstellung der ersten Stelleinheit aus deren Ruheposition I in deren Stellposition II,
Figur 6: eine schematische Darstellung der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß Figur 1 mit dem von der Permanentmagneteinheit erzeugten magnetischen Feldlinienverlauf zur Rückstellung der ersten Stelleinheit aus deren Stellposition II in deren Ruheposition I,
Figur 7: eine schematische Darstellung der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß Figur 1 mit dem von der Spuleneinheit und der Permanentmagneteinheit erzeugten magnetischen Feldlinienverlauf zur Verstellung der zweiten Stelleinheit aus deren Ruheposition I in deren Stellposition II, und
Figur 8: eine schematische Darstellung der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß Figur 1 mit dem von der Permanentmagneteinheit erzeugten magnetischen Feldlinienverlauf zur Rückstellung der zweiten Stelleinheit aus deren Stellposition II in deren Ruheposition I.

Die elektromagnetische Stellvorrichtung 1 gemäß Figur 1 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 2 zur Aufnahme von deren Komponenten und ist aus einem ersten rohrförmigen Gehäuseteil 2a und einem zweiten Gehäuseteil 2b aufgebaut. Das zweite Gehäuseteil 2b ist in axialer Richtung an dem ersten Gehäuseteil 2a angeflanscht.
An einem Ende des ersten Gehäuseteils 2a bildet ein erster Polkern 20 eine Stirnseite dieses ersten Gehäuseteils 2a. Diesem ersten Polkern 20 ist eine erste Ankeranordnung 10 zugeordnet, welche aus einem auf einem ersten Stellelement 11 bewegungsfest angeordneten Anker 12 besteht. Dieses erste Stellelement 11 ist als Stößel ausgebildet und dient als Achse zur Führung der ersten Ankeranordnung 10. Der Stößel 11 ist zum einen in einer zentrischen Bohrung 23 des Polkerns 20 und zum anderen in dem zweiten Gehäuseabschnitt 2b gelagert.
In der in Figur 1 gezeigten Ruheposition I der ersten Ankeranordnung 10 bzw. des Stößels 11, in der der Anker 12 an dem Polkern 20 anliegt, ist der Anker 12 mittels eines Federelementes 13 in Stellrichtung R1 vorgespannt. Zur Führung dieses Federelementes 13 weist der Anker 12 eine Sacklochbohrung 14 und der Polkern 20 einen ringförmigen Flansch 21 auf.
Der erste Polkern 20 weist einen die Verbindung zum ersten Gehäuseteil 2a herstellenden radial umlaufenden Flansch 22 auf und ist ferner mit einem rohrförmigen Aufnahmeelement 3 verbunden, welches am gegenüberliegenden Ende einen zweiten Polkern 40 aufnimmt. Dieser zweite Polkern 40 weist eine Sacklochbohrung 41 auf, deren Kontur an die Außenkontur des Ankers 12 der ersten Ankeranordnung 10 angepasst ist, so das eine Bewegung dieses Ankers 12 zusammen mit dem Stößel 11 aus der Ruheposition I in Stellvorrichtung R1 in eine Stellposition II ermöglicht wird. Der stirnseitige Abstand dieses zweiten Polkerns 40 zum ersten Polkern 20 ist gering gehalten, so dass auch in der dargestellten Lage des Ankers 12 dieser von dem zweiten Polkern 40 noch teilweise umschlossen wird. Weiterhin weist dieser zweite Polkern 40 eine zentrische Durchgangsbohrung 42 zur Aufnahme des Stößels 11 auf.
Zur Lagerung des Stößels 11 der ersten Ankeranordnung 10 ist in dem zweiten Gehäuseabschnitt 2b eine Bohrung 4 vorgesehen, welche in Richtung zum zweiten Polkern 40 in einer Sacklochbohrung 5 endet. In dem sich dadurch ergebenden Raum zwischen dem zweiten Polkern 40 und dem Sacklochgrund 5a der Sacklochbohrung 5 ist ein auf dem Stößel 11 verschiebbar angeordneter Anker 32 einer zweiten Ankeranordnung 30 vorgesehen, welche mit dem zweiten Polkern 40 zusammenwirkt. Zwischen diesem Anker 32 und dem zweiten Polkern 40 ist ein Federelement 34 angeordnet, so dass bei Anliegen des Ankers 32 an dem zweiten Polkern 40 der Anker 32 in Stellrichtung R1 vorgespannt wird.
Diese zweite Ankeranordnung 30 umfasst neben dem Anker 32 eine mit demselben verbundene Ankerplatte 33, welche umfangsseitig an die Innenkontur des ersten rohrförmigen Gehäuseteils 2a angepasst ist, sowie ein in dem zweiten Gehäuseteil 2b mittels einer Bohrung 6 gelagerten zweiten Stellelementes 31, welches entsprechend dem ersten Stellelement 11 ebenso als Stößel ausgebildet ist.
Um diesen Stößel 31 stirnseitig lose an die Ankerplatte 33 anzudrücken, ist ein Federelement 36 vorgesehen, welches sich einerseits in einer Sacklochbohrung 7 der Bohrung 6 und andererseits an einem endseitig auf dem Stößel 31 angeordneten Aufnahmeelement 35 abstützt.
In der in Figur 1 dargestellten Position der zweiten Ankeranordnung 30 befindet sich der Stößel 31 in seiner Ruheposition I.
Eine bestrombare Spuleneinheit 50 ist auf dem Aufnahmeelement 3 angeordnet und umschließt den ersten Polkern 20 sowie die an diesem Polkern 20 anliegende erste Ankeranordnung 10. An diese Spuleneinheit 50 schließt sich in axialer Richtung eine kreisringförmige Permanentmagneteinheit 60 an, die den zweiten Polkern 40 umschließt. Diese Permanentmagneteinheit 60 besteht aus mehreren kreissegmentartigen, beispielsweise sechs Kreissegmentmagneten. Diese Kreissegmentmagnete sind derart in der Stellvorrichtung 1 angeordnet, dass deren Magnetachsen 61 in radialer Richtung hinsichtlich des die zentrale Achse bildenden Stößels 11 ausgerichtet sind.
Den durch diese Permanentmagneteinheit 60 bewirkten Magnetlinienverlauf bei unbestromter Spuleneinheit 50 und einem Zustand der elektromagnetischen Stellvorrichtung 1 gemäß Figur 1 zeigt die Figur 4. In der Ruheposition I der beiden Stößel 11 und 31 liegen sowohl der Anker 12 der ersten Ankeranordnung 10 an dem ersten Polkern 20 als auch der Anker 32 der zweiten Ankeranordnung 30 an dem zweiten Polkern 40 an.
Durch die radiale Ausrichtung der Permanentmagneteinheit 60 entstehen zwei Magnetkreise 62 und 63. Der eine Magnetkreis 62 umschließt die Spuleneinheit 50, indem die zugehörigen Feldlinien ausgehend von der Permanentmagneteinheit 60 über das erste Gehäuseteil 2a, den ersten Polkern 20, den Anker 12 der ersten Ankeranordnung 10 und über den zweiten Polkern 40 in die Permanentmagneteinheit 60 zurück verlaufen. Die Permanentmagneteinheit 60 ist derart angeordnet, dass die Richtung der Feldlinien den angegebenen Richtungspfeilen des Magnetkreises 62 entspricht.
Der andere Magnetkreis 63 bildet sich auf der der Spuleneinheit 50 gegenüberliegenden Seite aus und verläuft ausgehend von der Permanentmagneteinheit 60 über den zweiten Polkern 40 und den Anker 32 der zweiten Ankeranordnung 30 und schließt sich wieder über das erste Gehäuseteil 2a. Auch hier entspricht die Richtung der Feldlinien den angegebenen Richtungspfeilen des Magnetkreises 63.
Da sowohl der Anker 12 der ersten Ankeranordnung 10 an dem ersten Polkern 10 als auch der Anker 32 der zweiten Ankeranordnung 30 an dem zweiten Polkern 40 anliegen, sind die zugehörigen Spalte S1 und S2 vernachlässigbar, wodurch sich an diesen Spalten S1 und S2 eine hohe Feldliniendichte ergibt und die dadurch entstehende Magnetkräfte sowohl den Anker 12 als auch den Anker 32 an dem Polkern 20 bzw. 40 halten. Außerdem wird in dieser Position des Ankers 12 dieser auch noch randseitig von dem zweiten Polkern 40 umschlossen, so dass auch dort der magnetische Widerstand gering ist. Die Eigenschaften der Permanentmagneteinheit 60 sind derart gewählt, dass die an den Spalten S1 und S2 erzeugten Magnetkräfte größer als die entsprechenden Rückstellkräfte der beiden Federelemente 13 und 34 sind. Damit werden die Stößel 11 und 31 in ihren Ruhepositionen I gehalten.
Im Folgenden wird die Funktion der elektromagnetischen Stellvorrichtung 1 und deren Zusammenwirken mit einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine anhand der Figuren 2, 3 und 5 bis 8 erläutert.
Die Figur 2 zeigt einen Steuerabschnitt einer Nockenwelle 70 mit zwei Steuernuten 71 und 72, so dass durch Zusammenwirken mit einem Stößel als erstes Stellelement 11 und einem weiteren Stößel als zweites Stellelement 31 ein axiales Hin- und Herschieben der Nockenwelle 70 bewirkt wird. Wird der Stößel 11 aus seiner Ruheposition I in seine Stellposition II ausgefahren, also in die Steuernut 71 abgesenkt, bewirkt ein gleichzeitiges Drehen der Nockenwelle deren Verschiebung in die Richtung L. Das Zurückschieben der Nockenwelle 70 in Richtung R in deren Ausgangsstellung erfolgt durch Ausfahren des Stößels 31 aus seiner Ruheposition I in die Steuernut 72 bei gleichzeitiger Rotation der Nockenwelle 70, aber erst nachdem der Stößel 11 in seine Ruheposition I zurückgezogen wurde.
Die Figur 3 zeigt in einer 360°-Abwicklung der beiden Steuernuten 71 und 72 die zugehörigen Stellbewegungen der beiden Stößel 11 und 31. Die Bestromung der Spuleneinheit 50 ist daher mit der Drehbewegung der Nockenwelle 70 synchronisiert.
Um den Stößel 11 aus seiner Ruheposition I, entsprechend der in Figur 3 dargestellten Nullage N in seine Stellposition II zu steuern, so dass dieser in die Steuernut 71 abgesenkt wird, erfolgt eine Bestromung der Spuleneinheit 50 während einer Drehbewegung der Nockenwelle 70 von 0° bis 90°. Dabei erfolgt die Bestromung der Spuleneinheit 50 derart, dass gemäß Figur 5 ein Magnetkreis 51 erzeugt wird, der zunächst in axialer Richtung über den ersten Polkern 20, den Anker 12 der ersten Ankeranordnung 10, den zweiten Polkern 40, den Anker 32 der zweiten Ankeranordnung 30 verläuft und sich über den ersten Gehäuseabschnitt 2a schließt. Dabei werden die von dem Permanentmagneteinheit 60 erzeugten Feldlinien des Magnetkreis 62 im Bereich des ersten Polkerns 20, des Ankers 12 der ersten Ankeranordnung 10 und des zweiten Polkerns 40 neutralisiert, so dass unter der Federkraft des vorgespannten Federelementes 13 der Anker 12 zusammen mit dem Stößel 11 in Stellrichtung R1 bewegt wird, bis der Anker 12 an dem zweiten Polkern 40 anschlägt. Der Stößel 11 hat seine Stellposition II erreicht und befindet sich im Eingriff mit der Steuernut 71.
Der von der Permanentmagneteinheit 60 weitere erzeugte Magnetkreis 63 wird dagegen verstärkt, so dass sich die Haltekraft des Ankers 32 der zweiten Ankeranordnung 30 an dem zweiten Polkern 40 erhöht. Der Stößel 31 der zweiten Ankeranordnung 30 verbleibt in seiner Ruheposition I.
Der Stößel 11 verbleibt in seiner Stellposition II bis die Nockenwelle 70 den Drehwinkel 270° erreicht hat und dabei die Nockenwelle 70 in die Richtung L axial verschoben wird. Ab dieser Drehwinkellage nimmt die Nuttiefe der Steuernut 71 ab, wodurch der Stößel 11 zurück in Richtung seiner Ruheposition I gedrückt wird, bis an einem Punkt P der von der Permanentmagneteinheit 60 erzeugte Magnetkreis 62 im Bereich des Spaltes S1 zu einer Zunahme der Feldliniendichte führt, so dass hierdurch der Anker 12 der ersten Ankeranordnung 10 gegen die Federkraft des Federelementes 13 an den ersten Polkern 20 gezogen wird und damit wieder seine Ruheposition I bzw. die Nullage erreicht.
Die Figur 6 zeigt die dem Punkt P entsprechende Position des Ankers 12 der ersten Ankeranordnung 10, bei der randseitig ein erster Kontakt zwischen diesem Anker 12 und dem ersten Polkern 20 besteht und dadurch eine ausreichende Feldstärke zur vollständigen Bewegung des Ankers 12 in seine Ruheposition I erzeugt wird.
Zur Steuerung des Stößels 31 der zweiten Ankeranordnung 30 wird die Spuleneinheit 50 mit umgekehrter Polarität bestromt, so dass nicht mehr die Feldlinien des Magnetkreises 62 von den hierdurch erzeugten Feldlinien der Spuleneinheit 50 neutralisiert werden, sondern die Feldlinien des weiteren Magnetkreises 63, wie dies in Figur 7 dargestellt ist. Die Feldlinien des von der Spuleneinheit 50 erzeugten Magnetfeldes 51 ist nun derart gerichtet, dass das Magnetfeld 63 der Permanentmagneteinheit 60 neutralisiert wird, wogegen dessen Magnetfeld 62 eine Verstärkung erfährt.
Dadurch reicht die an dem Spalt S2 erzeugte Haltekraft nicht mehr aus, den Anker 32 an dem zweiten Polkern 40 gegen die Federkraft des vorgespannten Federelementes 34 zu halten, so dass hierdurch die zweite Ankeranordnung 30 durch das Federelement 34 in Stellrichtung R1 bewegt wird, bis der Anker 32 am Nutgrund 5a der Sacklochbohrung 5 anschlägt und gleichzeitig der Stößel 31 gegen das Federelement 36 aus seiner Ruheposition I in seine Stellposition II bewegt wird, so dass dieser nunmehr in die Steuernut 72 der Nockenwelle 70 eingreift.
Der entsprechende weitere Verlauf ergibt sich wieder aus Figur 3, wonach die Spuleneinheit 50 mit der Drehbewegung der Nockenwelle 70 bis zum Drehwinkel von 90° bestromt wird. Mit der Drehbewegung der Nockenwelle 70 bis zu einem Drehwinkel von 270° wird diese wieder axial in Richtung R zurückgeschoben.
Mit dem Erreichen des dem Punkt P entsprechenden Drehwinkels wird durch die abnehmende Nuttiefe der Steuernut 72 der Stößel 31 so weit in Richtung seiner Ruheposition I zurückgeschoben, dass nunmehr gemäß Figur 8 auch im Bereich der Spalte S2 zwischen dem Anker 32 der zweiten Ankeranordnung 30 und dem zweiten Polkern 40 die Feldlinienstärke so weit angestiegen ist, dass der Anker 32 gegen die Federkraft des Federelementes 34 von dem zweiten Polkern 40 angezogen wird, so dass hierdurch der Stößel 31 wieder seine Ruheposition I erreicht.

Bezugszeichenliste

1: elektromagnetische Stellvorrichtung
2: Gehäuse der elektromagnetische Stellvorrichtung 1
2a: erstes Gehäuseteil des Gehäuses 2
2b: zweites Gehäuseteil des Gehäuses 2
3: rohrförmiges Aufnahmeelement der elektromagnetische Stellvorrichtung 1
4: Bohrung des zweiten Gehäuseteils 2b
5: Schlaglochbohrung des zweiten Gehäuseteils 2b
6: Bohrung des zweiten Gehäuseteils 2b
7: Sacklochbohrung
8
10: erste Ankeranordnung
11: erstes Stellelement der ersten Ankeranordnung 10
12: Anker der ersten Ankeranordnung 10
13: Federelement der ersten Ankeranordnung
14: Sacklochbohrung des Ankers 12
20: erste Polkern
21: ringförmiger Flansch des Polkerns 20
22: Flansch des Polkerns 20
23: Bohrung

30: zweite Ankeranordnung
31: zweites Stellelement der zweiten Ankeranordnung 30
32: Anker der zweiten Ankeranordnung 30
33: Ankerplatte der zweiten Ankeranordnung 30
34: Federelement
35: Aufnahmeelement
36: Federelement

40: zweiter Polkern
41: Sacklochbohrung des zweiten Polkerns 40
42: Durchgangsbohrung

50: Spuleneinheit
51: Magnetkreis der Spuleneinheit 50

60: Permanentmagneteinheit
61: Magnetachse
62: Magnetkreis der Permanentmagneteinheit 60
63: Magnetkreis der Permanentmagneteinheit 60

70: Nockenwelle einer Brennkraftmaschine
71: Steuernut der Nockenwelle
72: Steuernut der Nockenwelle

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) umfassend:
- eine in axialer Richtung zwischen einer Ruheposition (I) und einer Stellposition (II) verschiebbare erste Ankeranordnung (10), welche mit einem ersten Stellelement (11) verbunden ist,

- einen in magnetische Wirkverbindung mit der ersten Ankeranordnung (10) bringbaren ersten Polkern (20),

- eine axial ausgerichtete bestrombare Spuleneinheit (50) zur Beeinflussung der magnetischen Wirkverbindung zwischen dem ersten Polkern (20) und der ersten Ankeranordnung (10), und

- eine mit einem zweiten Stellelement (31) verbundene, in axialer Richtung zwischen einer Ruheposition (I) und einer Stellposition (II) verschiebbare zweite Ankeranordnung (30),
dadurch gekennzeichnet, dass

- ein in magnetische Wirkverbindung mit der zweiten Ankeranordnung (30) bringbarer zweiter Polkern (40) vorgesehen ist, welcher zur Beeinflussung von dessen magnetischen Wirkverbindung mit der zweiten Ankeranordnung (30) durch die Spuleneinheit (50) axial gegenüber dem ersten Polkern (10) ausgerichtet ist, und

- eine Permanentmagneteinheit (60) vorgesehen ist, deren Magnetachse (61) zur Erzeugung einer magnetischen Wirkverbindung sowohl zwischen dem ersten Polkern (20) und der ersten Ankeranordnung (10) als auch zwischen dem zweiten Polkern (40) und der zweiten Ankeranordnung (30) radial ausgerichtet und feststehend ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Federelement (12) vorgesehen ist, welches die erste Ankeranordnung (10) gegen den ersten Polkern (20) in Stellrichtung (R1) vorspannt.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Federelement (32) vorgesehen ist, welches die zweite Ankeranordnung (30) gegen den zweiten Polkern (40) in Stellrichtung (R2) vorspannt.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit (60) ausgebildet ist, bei unbestromter Spuleneinheit (50) sowohl die erste Ankeranordnung (10)mit dem ersten Polkern (20) als auch die zweite Ankeranordnung (30) mit dem zweiten Polkern (40) in eine magnetische Wirkverbindung zu bringen.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagneteinheit (60) ausgebildet ist, mit der erzeugten magnetischen Wirkverbindung die erste und zweite Ankeranordnung (10, 30) in deren Ruhepositionen (I) zu halten.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit (50) ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Bestromungsrichtung entweder die magnetische Wirkverbindung zwischen der ersten Ankeranordnung (10) und dem ersten Polkern (20) oder die Wirkverbindung zwischen der zweiten Ankeranordnung (30) und dem zweiten Polkern (40) aufzuheben.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ankeranordnung (30) einen Anker (32) mit einer Ankerplatte (33) umfasst, wobei die Ankerplatte (33) in Wirkverbindung mit dem zweiten Stellelement (31) ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Polkern (40) zur verschieblichen Aufnahme der ersten Ankeranordnung (10) mit einer Sacklochbohrung (41) ausgebildet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein rohrförmiges Aufnahmeelement (2) vorgesehen ist, welches einenends mit dem ersten Polkern (20) und andernends mit dem zweiten Polkern (40) verbunden ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass an dem zum ersten Polkern (20) benachbarten Ende des rohrförmigen Aufnahmeelementes (2) die Spuleneinheit (50) auf diesem Aufnahmeelement (2) angeordnet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit (60) auf dem zweiten Polkern (40) radial umlaufend angeordnet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit (60) axial in Stellrichtung benachbart zur Spuleneinheit (50) angeordnet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit (60) aus kreisringsegmentartigen Permanentmagneten aufgebaut ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stellelement (11) als Stößel ausgebildet ist, auf welchem die erste Ankeranordnung (10) bewegungsfest und die zweite Ankeranordnung (30) verschiebbar angeordnet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stellelement (31) als Stößel ausgebildet ist und in der Stellvorrichtung (1) axial versetzt angeordnet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (31) des zweiten Stellelementes mittels eines Federelementes (32) entgegen der Stellrichtung (R2) vorgespannt ist und flächenschlüssig an der Ankerplatte (33) der zweiten Ankeranordnung (30) anliegt.
Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (1) als Stelleinheit für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Verstellung einer Nockenwelle (70) der Brennkraftmaschine ausgebildet ist.