EP2883233B1 - Bistabile elektromagnetische stellvorrichtung, ankerbaugruppe sowie nockenwellenverstellvorrichtung - Google Patents

Bistabile elektromagnetische stellvorrichtung, ankerbaugruppe sowie nockenwellenverstellvorrichtung Download PDF

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EP2883233B1
EP2883233B1 EP13730142.0A EP13730142A EP2883233B1 EP 2883233 B1 EP2883233 B1 EP 2883233B1 EP 13730142 A EP13730142 A EP 13730142A EP 2883233 B1 EP2883233 B1 EP 2883233B1
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EP
European Patent Office
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core region
permanent magnet
magnet means
actuating element
spring
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Jörg BÜRSSNER
Philipp FANGAUER
Peter Vincon
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ETO Magnetic GmbH
Original Assignee
ETO Magnetic GmbH
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    • F01L2820/03—Auxiliary actuators
    • F01L2820/031—Electromagnets

Definitions

  • the invention relates to a bistable electromagnetic actuator according to the preamble of claim 1, an armature assembly for an electromagnetic actuator according to the preamble of claim 9 and a camshaft adjusting device according to claim 10.
  • the DE 201 14 466 U1 shows a bistable electromagnetic actuator is used in, for example in the DE 20 2009 011 804 U1 described camshaft adjusting devices.
  • the known bistable electromagnetic actuator is characterized in that on a control element permanent magnet means are provided which comprise two pole discs and an intermediate, axially magnetized permanent magnet ring.
  • the permanent magnet means cooperate with a stationary core region generating an attractive force, the permanent magnet means and the core region lying opposite one another in a core region-side end position. In this end position, the actuating element of the core region away kraftbeier needde compression spring is maximally biased.
  • a stationary coil means is energized, wherein the actuator is accelerated by overcoming the adhesive force of the compression spring in the direction of the opposite end position, in which the piston-shaped actuator with an end-side engaging portion in the cam of a cam of an internal combustion engine intervenes.
  • the known bistable electromagnetic actuator has proven itself.
  • the relatively small stroke ranges of the control element are perceived as disadvantageous, in which the control element (permanent magnet armature) can move independently and without external influence into its core-area-side end position.
  • the permanent magnet means show in umbestromten state of the coil means a hyperbolic force-stroke curve, in which close to the nuclear region end position, the magnetic force increases sharply, but the other way around decreases rapidly with increasing stroke.
  • the DE 10 2006 059 188 A1 shows an electromagnetic actuator having a permanent magnet on its actuator.
  • the permanent magnet runs parallel to the core area. From the document in particular a possible installation situation of bistable electromagnetic actuators can be seen.
  • the DE 30 19 418 A1 shows a bidirectional adjusting device, wherein the provision is actuated by a corresponding energization of a coil used for use.
  • the permanent magnet of the known bidirectional adjusting device is re-magnetized during operation.
  • the GB 2 197 754 A describes a bistable actuator.
  • the known actuator has no spring means.
  • the present invention seeks to provide an adjusting device which is optimized in terms of the stroke time of the actuating element in the end region facing away from the core region and at the same time a retrieval of the permanent magnet means having actuating element in the direction of nuclear region end position as early as possible, ie with a comparatively large distance to the core area a lifting force in the direction Hubongslage acts. Furthermore, the object is to provide a correspondingly optimized armature assembly and a Nockenwellenverstellvortechnisch with a correspondingly improved bistable electromagnetic actuator.
  • the invention has recognized that it is advantageous for the simultaneous improvement of the stroke time of the control element and to ensure a long remindholweges based on permanent magnetic attraction forces to use spring means with a relatively low spring pitch and preferably a comparatively high maximum spring preload, as spring means with low spring characteristic slope in contrast to the spring used so far with a large spring characteristic slope even with a large stroke or distance of the control element to the core area nor spring force to accelerate the armature assembly or the permanent means bearing actuator provide.
  • the invention proposes to influence the magnetic force-stroke characteristic of the permanent magnet force by an axial overlap of the core region and the permanent means so that the permanent magnet force acting between the permanent magnet means and the core region over a longer stroke, i.
  • spring means with a relatively flat spring characteristic design, ie a lower spring constant in combination with a comparatively high Spring tension can be used, such springs with a flat spring characteristic transmitted the spring force over a long stroke, preferably the entire stroke on the actuator and thereby accelerate longer.
  • the contact point or intersection between the spring characteristic and the permanent magnet characteristic ie the return point
  • the contact point or intersection between the spring characteristic and the permanent magnet characteristic is shifted further to the right, ie towards a greater distance of the permanent magnet means or of the actuating element from the core region, so that the armature already moves over the permanent magnet means at a comparatively early point in time Towards the core area can be retrieved.
  • This distance is critical insofar as this is usually specified in camshaft adjusting devices.
  • a bistable electromagnetic actuator in which the, preferably shell side arranged on the, preferably piston-shaped actuator, most preferably disc-shaped, even more preferably ring-shaped and even more preferably axially penetrated by the actuator permanent magnets at least on the core area facing axial side of a pole piece of magnetically conductive material is assigned, which is fixedly positioned to the permanent magnet.
  • the permanent magnet can be better protected in the comparatively hard stop of the actuating element on the core region.
  • Particularly preferred is an embodiment of the bistable electromagnetic actuator, wherein in addition to the aforementioned core region side Policrobial another Policrobial on the side facing away from the core region side, preferably axially magnetized, permanent magnet is provided, which sandwiches the permanent magnet sandwiched between them together with the core area side pole, wherein the remote from the core area Policrobial preferred the task of Magnethneumtechnisch in the radial direction, preferably towards or away from a guide housing for the armature assembly.
  • a pole disk of the permanent magnet means in particular the pole disk facing the core region (in the core region side stroke initial position of the actuating element and preferably even with already slightly away from the core region displaced actuator) the core region overlaps radially outside in the axial direction, in particular in that the pole disk is cup-shaped and / or in that the pole disk axially engages in a recess of the core region on the core region side.
  • the core region is formed such that it engages in a recess of the permanent magnet means, in particular in a recess, for example an annular recess of the pole disk and / or engages over the permanent magnet means radially outward in the axial direction.
  • the recess in which the permanent magnet means, in particular a pole disc of the permanent magnet means can engage, is arranged centrally within the core, wherein it is even more preferable if this opening simultaneously in a region radially within the overlap absorbs the spring means.
  • the core region and the permanent magnet means in the core region-side end position of the actuating element to a distance of a range of values between 0.1 mm and 3 mm, preferably overlap axially between 0.5 mm and 1.5 mm, as a result, in particular for the application of a camshaft adjusting optimized, Kraftstubkennline the permanent magnet means can be achieved.
  • the geometric contouring of the permanent magnet means in particular of the core region-side pole disk and / or the core region for realizing the overlap, there are different possibilities. It is very particularly preferred if a corresponding overlapping region is annular and circumferentially closed. It has proved particularly expedient if the overlapping region is conically contoured, for example with an outer conical core region and a corresponding inner conical permanent magnet central region, or vice versa.
  • the spring means comprise compression spring means and / or are constructed as compression spring means, which preferably have a spring constant, from a value range between 0.05 N / mm and 3 N / mm, preferably between 0.2 N / mm and 1 N / mm and / or has a biasing force in the core region-side end position of a value range between 1 N and 20 N, preferably between 4 N and 6 N.
  • the invention also leads to the use of an aforementioned adjusting device for a camshaft adjusting device and to a camshaft adjusting device.
  • This comprises at least one cam provided with a control groove, which cooperates with the engagement region of the adjusting element, wherein the adjusting element is adjustable by energizing the coil means, supported by the spring force of the spring means in the direction of the cam end end position and of the cam surface by rotation of the cam in the direction of the nuclear region End position is thrown back.
  • the invention leads to an armature assembly, in particular for use in a trained according to the concept of the invention adjusting device, very particularly preferred for use in a camshaft adjusting device.
  • the armature assembly is characterized by permanent magnet means which are designed and intended to axially overlap a stationary core region not belonging to the armature assembly but to the actuator by radially outwardly extending in the axial direction and / or engaging in a preferably annular recess in the armature core area.
  • the permanent magnet means have a, preferably inner surface portion, which preferably extends at least approximately perpendicular to the axial adjustment direction of the actuating element and which, together with a corresponding, preferably parallel surface of the core region defines a working air gap.
  • the permanent magnet means have an overlapping section projecting this surface section axially in the direction of the core area for overlapping the core area by radially outwardly overlapping and / or by engaging in a depression in the core area.
  • Fig. 1 an electromagnetic actuator 1 for use in a camshaft adjusting device is shown.
  • the adjusting device corresponds from its basic structure forth in Fig. 1 of the DE 201 114 466 U1 shown adjustment device, so that reference is made in terms of the similarities to the relevant description of the figures, which should be considered as belonging to the disclosure of the present application.
  • the essential difference to the adjusting device of the prior art is that the core region and permanent magnet means in the core-side end position overlap axially and is not worked as in the prior art with a Flachankerbaury.
  • the core area-side pole plate 7 is formed cup-shaped and has a radially inner surface portion 9, which extends perpendicular to the longitudinal extension of the actuating element 2, and limited to the opposite parallel surface of the core portion 3 a working air gap.
  • the surface portion 9 is axially surmounted by an overlapping portion 10 which is formed by an annular wall and which engages in the end position shown the core region 3 laterally, here radially outside in the axial direction, so that a part of the magnetic flux flows through this overlap region 10, whereby the resulting permanent magnetic holding force between the permanent magnet means 5 and the core region 3 is maintained over a longer stroke in the direction of the opposite end position or remains at a high level.
  • a winding device 11 In a region radially adjacent to the core region 3 is a winding device 11 with coil carrier 12 and energizable coil 13, the energization of which causes a movement of the actuating element 2 away from the core region 3 in the direction of the cam.
  • This adjustment is supported by spring means 14 formed by a compression spring, which in the embodiment shown in FIG a central opening of the core region 3 is accommodated and which is supported axially on the core region and on the adjusting element 2.
  • the spring means 14 are biased axially by an adjusting movement of the actuating element 2 by this up to a maximum biasing force, which is selected as high as possible.
  • the force path characteristic of the spring means 14 is comparatively flat in order to achieve the longest possible acceleration assistance of the control element 2.
  • Such a spring means design 14 is possible due to the overlapping of core region 3 and permanent magnet means 5 according to the invention.
  • the permanent magnet means 5 are guided on the inner circumference of a magnetically conductive housing 15 and the actuating element 2 is guided on a in the embodiment shown by way of example as a separate sleeve portion 16 of the housing.
  • Fig. 2a is greatly simplified a configuration of core area 3 and actuator 2 with permanent magnet means 5 shown.
  • the core region-side, cup-shaped pole disk 7 for overlapping interaction with the core region 3 can be seen.
  • the permanent magnet means 5 can engage in an, for example, annular or centric opening in the core region 3.
  • the core region, the permanent magnet means 5 radially outwardly in the axial direction to be formed across or engaging in an, for example, annular opening in the permanent magnet means 5, in particular in the pole disk 7.
  • the geometric design of the overlap region other than schematically shown, for example, conically contoured be executed.
  • Fig. 2b an associated permanent force is shown in a force (F) / travel (s) characteristic K1.
  • a force (F) / travel (s) characteristic K1 Evident is a flattened area of the characteristic curve after an initial more steeply sloping area. This flattening (saddle or terrace section) is achieved by the axial overlap.
  • the spring means 14 are pulled exclusively in the direction of the nuclear area end position due to the permanent magnet force effect of the permanent magnet means. Due to the flat design of the spring characteristic acceleration support of the actuating element over its entire stroke in the direction of the camshaft end position is achieved.
  • FIG. 2a the arrangement of an actuator 2 is shown with permanent magnet means 5, wherein the arrangement is designed as a flat armature system, ie the permanent magnet means do not overlap with the core area together.
  • Fig. 3b shown hyperbolic characteristic K2 of the permanent magnet means in permanent magnet force (F) stroke (s) - diagram according to Fig.
  • Fig. 4 is greatly simplified another alternative configuration of core area 3 and actuator 2 with permanent magnet means 5 shown.
  • the core portion is cup-shaped and the core-side pole plate 7 carries axially into the cup formed by the core portion 3, and indeed centrally.
  • the adjusting element more precisely the pole disk 7 or its axial extension is guided in the core region.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Ankerbaugruppe für eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie eine Nockenwellenverstellvorrichtung gemäß Anspruch 10.
  • Die DE 201 14 466 U1 zeigt eine bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung zum Einsatz in, beispielsweise in der DE 20 2009 011 804 U1 beschriebenen Nockenwellenverstellvorrichtungen. Die bekannte bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass an einem Stellelement Permanentmagnetmittel vorgesehen sind, die zwei Polscheiben und einen dazwischen befindlichen, axial magnetisierten Permanentmagnetenring umfassen. Die Permanentmagnetmittel wirken mit einem stationären Kernbereich, eine Anziehkraft erzeugend zusammen, wobei sich Permanentmagnetmittel und Kernbereich in einer kernbereichsseitigen Endstellung gegenüberliegen. In dieser Endstellung ist eine das Stellelement von dem Kernbereich weg kraftbeaufschlagende Druckfeder maximal vorgespannt. Um nun die Haltekraft der Permanentmagnetmittel zu überwinden, wird eine stationäre Spuleneinrichtung bestromt, wobei das Stellelement ab Überwinden der Haftkraft zusätzlich von der Druckfeder in Richtung der gegenüberliegenden Endstellung beschleunigt wird, in welcher das kolbenförmige Stellelement mit einem endseitigen Eingriffsbereich in die Steuernut einer Nocke eines Verbrennungsmotors eingreift.
  • Die bekannte bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung hat sich bewährt. Als nachteilig werden jedoch die vergleichsweise kleinen Hubbereiche des Stellelementes empfunden, in denen sich das Stellelement (Permanentmagnetanker) selbständig und ohne äußere Einwirkung in seine kernbereichsseitige Endlage bewegen kann.
  • Die Permanentmagnetmittel zeigen im umbestromten Zustand der Spuleneinrichtung einen hyperbelförmigen Kraft-Hub-Verlauf, bei welchem nahe der kernbereichsseitigen Endlage die Magnetkraft stark ansteigt, jedoch andersherum bei größer werdendem Hub schnell abfällt.
  • Dies ist bei federunterstützten bistabilen Stellvorrichtungen von Nachteil, da nur ein kleiner Teil der zur Verfügung stehenden Magnetarbeit dafür genutzt werden kann, um die Feder vorzuspannen, d.h. der Hubbereich, in dem ausreichend Permanentmagnetkraft zur Verfügung steht, um das mit Permanentmagnetmitteln versehene Stellelement selbständig zurück in die kernbereichsseitige Endlage zu ziehen ist sehr schmal. So müssen bei bekannten elektromagnetischen Stellvorrichtungen Druckfedern mit sehr steilen Kraftwegkennlinien eingesetzt werden, um das Stellelement mittels der Permanentmagnetmittel in Richtung kernbereichsseitiger Hubanfanglage zurückzuholen. Auch bestehen Forderungen nach einer immer kürzeren Hubzeit des Stellelementes in Richtung der von dem Kernbereich abgewandten Hubendlage. Vorgenannte Hubzeit ist insbesondere kritisch bei Stellvorrichtungen zum Einsatz in Nockenwellenverstellvorrichtungen, da es entscheidend auf einen schnellen Steuernuteneingriff ankommt.
  • Aus der DE 10 2009 015 833 B4 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem zwischen zwei Endlagen bewegbaren Stellelement bekannt, welches keine Permanentmagnetmittel trägt. Letztere sind stationär angeordnet. In einer eingefahrenen Schaltposition taucht das Ende eines Hohlzylinders eines Flussleitkörpers der Stellvorrichtung in eine Ringnut eines Ringkörpers eines Polkörpers der Vorrichtung ein.
  • Die DE 10 2006 059 188 A1 zeigt eine elektromagnetische Stellvorrichtung, die an ihrem Stellglied ein Permanentmagnet aufweist. Der Permanentmagnet verläuft parallel zum Kernbereich. Aus der Druckschrift ist insbesondere eine mögliche Einbausituation von bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtungen zu entnehmen.
  • Die DE 30 19 418 A1 zeigt eine bidirektionale Stellvorrichtung, wobei die Rückstellung durch eine entsprechende Bestromung einer zum Einsatz kommenden Spule aktuiert wird. Der Permanentmagnet der bekannten bidirektionalen Stellvorrichtung wird dazu während des Betriebs ummagnetisiert.
  • Die GB 2 197 754 A beschreibt eine bistabile Stellvorrichtung. Die bekannte Stellvorrichtung weist keine Federmittel auf.
  • Zum weiteren Stand der Technik werden die EP 0 794 540 A1 , die US 6,392,516 B1 und die DE 10 2008 000 534 A1 genannt.
  • Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung anzugeben, die im Hinblick auf die Hubzeit des Stellelementes in die von dem Kernbereich abgewandte Endlage optimiert ist und bei der gleichzeitig eine Rückholung des Permanentmagnetmittel aufweisenden Stellelementes in Richtung kernbereichsseitiger Endlage zu einem möglichst frühen Zeitpunkt, d.h. mit vergleichsweise großem Abstand zum Kernbereich eine Hubkraft in Richtung Hubanfangslage wirkt. Ferner besteht die Aufgabe darin, eine entsprechend optimierte Ankerbaugruppe sowie eine Nockenwellenverstellvorrichtung mit einer entsprechend verbesserten bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich der bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weitebildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung hat erkannt, dass es zur gleichzeitigen Verbesserung der Hubzeit des Stellelementes und zur Gewährleistung eines großen Rückholweges auf Basis permanentmagnetischer Anziehungskräfte vorteilhaft ist, Federmittel mit einer vergleichsweise geringen Federsteigung und vorzugsweise einer vergleichsweise hohen maximalen Federvorspannung einzusetzen, da Federmittel mit geringer Federkennliniensteigung im Gegensatz zu den bisher zum Einsatz kommenden Federn mit großer Federkennliniensteigung auch noch bei großem Hub bzw. Abstand des Stellelementes zum Kernbereich noch Federkraft zur Beschleunigung der Ankerbaugruppe bzw. des Permanentmittel tragenden Stellelementes liefern. Um derartige Federn einsetzen zu können schlägt die Erfindung vor, durch eine axiale Überlappung des Kernbereichs und der Permanentmittel die Magnetkraft-Hub-Kennlinie der Permanentmagnetkraft so zu beeinflussen, dass die Permanentmagnetkraft, die zwischen den Permanentmagnetmitteln und dem Kernbereich wirkt über einen längeren Hub, d.h. bis zu einem größeren Abstand der Permanentmagnetmittel zum Kernbereich auf einem höheren Kraftniveau bleibt. Dies ist zunächst überraschend, da schnellere Hubzeiten des Stellelementes in die von dem Kernbereich abgewandte Endstellung erreicht werden sollen, jedoch die Permanentmagnetkraft dieser Verstellbewegung entgegenwirkt.
  • Durch die erfindungsgemäße Beeinflussung, insbesondere Abflachung, der vorgenannten Kennlinie, die in Abkehr von den bisher zum Einsatz kommenden Flachankersystemen durch die axiale Überlappung von Kernbereich und Permanentmagnetmitteln erreicht wird bzw. durch die hieraus resultierende teilweise Umleitung des magnetischen Flusses am eigentlichen, sich im Wesentlichen senkrecht zur Verstellrichtung des Stellelementes erstreckenden Arbeitsluftspalt zwischen dem Kernbereich und den Permanentmagnetmitteln vorbei, können Federmittel mit einer vergleichsweise flachen Federkennlinienauslegung, d.h. einer geringeren Federkonstante in Kombination mit einer vergleichsweise hohen Federspannung eingesetzt werden, wobei derartige Federn mit einer flachen Federkennlinie die Federkraft über einen langen Hub, vorzugsweise den gesamten Hub auf das Stellelement übertragen und dieses dadurch länger beschleunigen. Gleichzeitig wird der Berührungs- oder Schnittpunkt zwischen Federkennlinie und Permanentmagnetkennlinie, d.h. der Rückholpunkt weiter nach rechts, also hin zu einem größeren Abstand der Permanentmagnetmittel bzw. des Stellelementes von dem Kernbereich verschoben, so dass der Anker bereits zu einem vergleichsweise frühen Zeitpunkt über die Permanentmagnetmittel in Richtung Kernbereich zurückgeholt werden kann. Dieser Abstand ist insoweit kritisch, als dass dieser bei Nockenwellenverstellvorrichtungen im Regelfall vorgegeben ist. Darüber hinaus ergibt sich bei vergleichsweise weit rechts liegendem Schnittpunkt eine größere zulässige Toleranzspanne im Hinblick auf die Auslegung des Gesamtsystems.
  • Insgesamt wird also durch die Erfindung die Forderung nach immer kürzeren Schaltzeiten erfüllt und gleichzeitig bei einem Rückwurf des Stellelementes durch eine Rotationsbewegung der Nocke sichergestellt, dass ab einem möglichst frühen Zeitpunkt sich das Stellelement mit Hilfe der Permanentmagnetmittel zum Kern zieht und dabei gleichzeitig die Federmittel spannt.
  • Besonders bewährt hat sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung bei einer bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung, bei der dem, vorzugsweise mantelseitig an dem, bevorzugt kolbenförmigen Stellelement angeordneten, ganz besonders bevorzugt scheibenförmigen, noch weiter bevorzugt ringscheibenförmigen und noch weiter bevorzugt von dem Stellelement axial durchsetzten Permanentmagneten zumindest auf dem Kernbereich zugewandten Axialseite eine Polscheibe aus magnetisch leitfähigem Material zugeordnet ist, die fest zum Permanentmagneten positioniert ist.
  • Durch die Polscheibe kann der Permanentmagnet bei dem vergleichsweise harten Anschlag des Stellelementes am Kernbereich verbessert geschützt werden. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung, bei der zusätzlich zu der vorgenannten kernbereichsseitigen Polscheibe eine weitere Polscheibe auf der von dem Kernbereich abgewandten Seite des, bevorzugt axial magnetisierten, Permanentmagneten vorgesehen ist, die zusammen mit der kernbereichsseitigen Polscheibe den Permanentmagneten sandwichartig zwischen sich aufnimmt, wobei die vom Kernbereich abgewandte Polscheibe bevorzugt die Aufgabe der Magnetflussumleitung in radialer Richtung, vorzugsweise hin zu oder weg von einem Führungsgehäuse für die Ankerbaugruppe hat.
  • Im Hinblick auf die geometrische Realisierung der axialen Überlappung von Kernbereich und Permanentmagnetmitteln gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei welcher eine Polscheibe der Permanentmagnetmittel, insbesondere die dem Kernbereich zugewandte Polscheibe (in der kernbereichsseitigen Hubanfangslage des Stellelementes und vorzugsweise auch noch bei bereits etwas von dem Kernbereich weg verstelltem Stellelement) den Kernbereich radial außen in axialer Richtung übergreift, insbesondere indem die Polscheibe napfförmig ausgebildet ist und/oder indem die Polscheibe in eine kernbereichsseitige Vertiefung des Kernbereichs axial eingreift.
  • Auch ist es möglich, dass der Kernbereich so ausgeformt ist, dass dieser in eine Vertiefung der Permanentmagnetmittel, insbesondere in eine Vertiefung, beispielsweise eine ringförmige Vertiefung der Polscheibe eingreift und/oder die Permanentmagnetmittel radial außen in axialer Richtung übergreift.
  • Besonders bevorzugt ist auch eine Variante, bei der die Vertiefung, in die die Permanentmagnetmittel, insbesondere einer Polscheibe der Permanentmagnetmittel eingreifen können, zentrisch innerhalb des Kerns angeordnet ist, wobei es noch weiter bevorzugt ist, wenn diese Öffnung gleichzeitig in einem Bereich radial innerhalb der Überlappung die Federmittel aufnimmt.
  • Als besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt, wenn sich Kernbereich und Permanentmagnetmittel in der kernbereichsseitigen Endlage des Stellelementes um eine Strecke aus einem Wertebereich zwischen 0,1 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm axial überlappen, da hierdurch eine, insbesondere für die Anwendung einer Nockenwellenverstellvorrichtung optimierte, Krafthubkennlinie der Permanentmagnetmittel erreicht werden kann.
  • Bezüglich der geometrischen Konturierung der Permanentmagnetmittel, insbesondere der kernbereichsseitigen Polscheibe und/oder des Kernbereichs zur Realisierung der Überlappung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn ein entsprechender Überlappungsbereich ringförmig und umfangsgeschlossen ausgebildet ist. Als besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt, wenn der Überlappungsbereich konisch konturiert ist, beispielsweise mit einem außenkonischen Kernbereich und einem korrespondierenden innenkonischen Permanentmagnetmittelbereich, oder umgekehrt.
  • Als besonders zweckmäßig für die Anwendung der Stellvorrichtung in einer Nockenwellenverstellvorrichtung hat es sich herausgestellt, wenn die Federmittel Druckfedermittel umfassen und/oder als Druckfedermittel ausgebildet sind, die vorzugsweise eine Federkonstante, aus einem Wertebereich zwischen 0,05 N/mm und 3 N/mm, vorzugsweise zwischen 0,2 N/mm und 1 N/mm aufweist und/oder eine Vorspannkraft in der kernbereichsseitigen Endlage aus einem Wertebereich zwischen 1 N und 20 N, vorzugsweise zwischen 4 N und 6 N aufweist.
  • Die Erfindung führt auch auf die Verwendung einer vorgenannten Stellvorrichtung für eine Nockenwellenverstellvorrichtung sowie auf eine Nockenwellenverstellvorrichtung. Diese umfasst mindestens eine mit einer Steuernut versehene Nocke, die mit dem Eingriffsbereich des Stellelementes zusammenwirkt, wobei das Stellelement durch Bestromen der Spuleneinrichtung, unterstützt durch die Federkraft der Federmittel in Richtung der nockenseitigen Endstellung verstellbar ist und von der Nockenoberfläche durch Rotation der Nocke in Richtung kernbereichsseitiger Endstellung zurückgeworfen wird.
  • Darüber hinaus führt die Erfindung auf eine Ankerbaugruppe, insbesondere zum Einsatz in einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Stellvorrichtung, ganz besonders bevorzugt zum Einsatz in einer Nockenwellenverstellvorrichtung. Die Ankerbaugruppe zeichnet sich durch Permanentmagnetmittel aus, die ausgebildet und bestimmt sind, einen nicht zur Ankerbaugruppe sondern zur Stellvorrichtung gehörenden, stationären Kernbereich axial zu überlappen, und zwar durch radial äußeres Übergreifen in axialer Richtung und/oder durch Eingreifen in eine, vorzugsweise ringförmige Vertiefung im Kernbereich. Hierzu weisen die Permanentmagnetmittel einen, vorzugsweise inneren Flächenabschnitt auf, der sich bevorzugt zumindest näherungsweise senkrecht zur axialen Verstellrichtung des Stellelementes erstreckt und der zusammen mit einer entsprechenden, vorzugsweise dazu parallelen Fläche des Kernbereichs einen Arbeitsluftspalt begrenzt.
  • Darüber hinaus weisen die Permanentmagnetmittel zur Realisierung der axialen Überlappung einen diesen Flächenabschnitt axial in Richtung Kernbereich überragenden Überlappungsabschnitt auf zum Überlappen des Kernbereichs durch radial äußeres Übergreifen und/oder durch Eingreifen in eine Vertiefung im Kernbereich. Vorstehende bevorzugte Ausführung der Ankerbaugruppe soll auch im Zusammenhang mit der beanspruchten Stellvorrichtung als offenbart gelten.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
  • Diese zeigen in:
    • Fig. 1:
    einen Längsschnitt durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
    Fig. 2a:
    eine stark schematisierte Ansicht einer Ankerbaugruppe und eines Kernelementes, wobei sich Permanentmagnetmittel und Kernbereich in einer Hubanfangslage axial überlappen können,
    Fig. 2b:
    eine zugehörige Permanentmagnetkraft-Hub-Kennlinie,
    Fig. 3a:
    eine Anordnung aus Ankerbaugruppe mit Permanentmagnetmitteln sowie einen gegenüberliegenden Kernbereich gemäß dem Stand der Technik, wobei hier die Anordnung als Flachankersystem ausgeführt ist,
    Fig. 3b:
    eine zugehörige Magnetkraft-Hub-Kennlinie, und
    Fig. 4
    eine alternative Anordnung aus Ankerbaugruppe mit Permanentmagnetmitteln, wobei hier das Stellelement axial in eine korrespondierende Vertiefung des Kernbereichs eintaucht.
  • In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In Fig. 1 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung 1 zum Einsatz in einer Nockenwellenverstellvorrichtung gezeigt. Die Stellvorrichtung entspricht von ihrem grundsätzlichen Aufbau her der in Fig. 1 der DE 201 114 466 U1 gezeigten Stellvorrichtung, so dass bezüglich der Gemeinsamkeiten auf die diesbezügliche Figurenbeschreibung verwiesen wird, die als zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gehörig offenbart gelten soll. Der wesentliche Unterschied zu der Stellvorrichtung aus dem Stand der Technik besteht darin, dass sich Kernbereich und Permanentmagnetmittel in der kernseitigen Endlage axial überlappen und nicht wie im Stand der Technik mit einer Flachankerbaugruppe gearbeitet wird.
  • Gleichzeitig sind die Federmittel anders dimensioniert - die Federmittel bei der hier gezeigten Ausführungsform weisen bevorzugt eine höhere Vorspannkraft und eine niedrigere Federkonstante auf. Im Detail:
    • Die elektromagnetische Stellvorrichtung 1 umfasst ein zwischen einer kernbereichsseitigen Hubanfangslage und einer axial beabstandeten Hubendlage bewegbares, kolbenförmiges Stellelement 2, welches im Bereich seines von einem stationären Kernbereich 3 abgewandten Endes einen Eingriffsbereich 4 zum Eintauchen in einer Steuernut einer nicht dargestellten Nocke eines Verbesserungsmotors aufweist. Das Stellelement 2 trägt mantelseitig Permanentmagnetmittel 5, umfassend einen scheibenringförmigen, axial magnetisierten Permanentmagnet 6 sowie zwei Polscheiben, die den Permanentmagnet 6 axial zwischen sich aufnehmen und die ebenfalls mantelseitig am Stellelement 2 angeordnet sind, welches die Permanentmagnetmittel 5 axial durchsetzt. Dabei handelt es sich zum einen um eine kernbereichsseitige Polscheibe 7 und eine eingriffsbereichsseitige Polscheibe 8. Die eingriffsbereichsseitige Polscheibe 8 dient zur Umlenkung des magnetischen Flusses in radialer Richtung. Die kernbereichsseitige Polscheibe 7 hat eine Kennlinienanpassungsfunktion und eine Stabilisierungsfunktion, da diese bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in unmittelbare Wechselwirkung tritt mit dem Kernbereich 3.
  • Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist die kernbereichsseitige Polscheibe 7 napfartig ausgeformt und weist einen radial inneren Flächenabschnitt 9 auf, der sich senkrecht zur Längserstreckung des Stellelementes 2 erstreckt, und der mit der gegenüberliegenden parallelen Fläche des Kernbereichs 3 einen Arbeitsluftspalt begrenzt. Der Flächenabschnitt 9 wird axial überragt von einem Überlappungsabschnitt 10, der von einer Ringwand gebildet ist und welcher in der gezeigten Endlage den Kernbereich 3 seitlich, hier radial außen in axialer Richtung übergreift, so dass ein Teil des Magnetflusses über diesen Überlappungsbereich 10 fließt, wodurch die resultierende permanentmagnetische Haltekraft zwischen den Permanentmagnetmitteln 5 und dem Kernbereich 3 über einen längeren Hub in Richtung der gegenüberliegenden Endlage aufrechterhalten bzw. auf hohem Niveau bleibt.
  • In einem Bereich radial benachbart zum Kernbereich 3 befindet sich eine Spuleinrichtung 11 mit Spulenträger 12 und bestrombarer Spule 13, deren Bestromung eine Bewegung des Stellelementes 2 von dem Kernbereich 3 weg Richtung Nocke bewirkt. Diese Verstellbewegung wird unterstützt von einer Druckfeder gebildeten Federmitteln 14, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einer zentrischen Öffnung des Kernbereichs 3 aufgenommen ist und die sich axial am Kernbereich sowie am Stellelement 2 abstützt. Die Federmittel 14 werden bei einer Verstellbewegung des Stellelementes 2 durch dieses axial vorgespannt bis zu einer maximalen Vorspannkraft, die möglichst hoch gewählt ist. Gleichzeitig ist die Kraftwegkennlinie der Federmittel 14 vergleichsweise flach, um eine möglichst lange Beschleunigungsunterstützung des Stellelementes 2 zu erreichen. Eine derartige Federmittelauslegung 14 ist aufgrund des erfindungsgemäßen Überlappens von Kernbereich 3 und Permanentmagnetmitteln 5 möglich.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnetmittel 5 am Innenumfang eines magnetisch leitenden Gehäuses 15 geführt und das Stellelement 2 ist an einem in dem gezeigten Ausführungsbeispiel beispielhaft als separater Hülsenabschnitt 16 des Gehäuses geführt.
  • In Fig. 2a ist stark vereinfacht eine Konfiguration von Kernbereich 3 und Stellelement 2 mit Permanentmagnetmitteln 5 gezeigt. Zu erkennen ist die kernbereichsseitige, napfförmige Polscheibe 7 zum überlappenden Zusammenwirken mit dem Kernbereich 3. Hier sind verschiedene Konfigurationen denkbar. Anstatt oder zusätzlich zur radial äußeren axialen Übergreifung des Kernbereichs können die Permanentmagnetmittel 5 in eine beispielsweise ringförmige oder zentrische Öffnung im Kernbereich 3 eingreifen. Ebenso kann dann der Kernbereich die Permanentmagnetmittel 5 radial außen in axialer Richtung übergreifend ausgebildet sein oder eingreifend in eine, beispielsweise ringförmige Öffnung in den Permanentmagnetmitteln 5, insbesondere in der Polscheibe 7. Auch kann die geometrische Gestaltung des Überlappungsbereichs anders als schematisch dargestellt, beispielsweise konisch konturiert ausgeführt sein.
  • In Fig. 2b ist eine zugehörige Permanentkraft in einer Kraft- bzw. Hub- (F) / Weg (s) -Kennlinie K1 gezeigt. Zu erkennen ist ein abgeflachter Bereich der Kennlinie nach einem anfänglichen stärker abfallenden Bereich. Diese Abflachung (Sattel- oder Terrassenabschnitt) wird durch die axiale Überlappung erreicht. Hierdurch ist es möglich eine Feder mit einer Federkennlinie F1 mit vergleichsweise hoher Vorspannkraft und flachem Verlauf einzusetzen. Etwa im Bereich der senkrechten strichlierten Linie werden die Federmittel 14 ausschließlich aufgrund der Permanentmagnetkraftwirkung der Permanentmagnetmittel 5 in Richtung kernbereichsseitige Endlage gezogen. Durch die flache Ausgestaltung der Federkennlinie wird eine Beschleunigungsunterstützung des Stellelementes über seinen gesamten Hub in Richtung nockenwellenseitige Endlage erreicht.
  • Eingezeichnet ist in dem Diagramm auch eine nicht zu bevorzugende Federkennlinie F2 einer Feder mit geringerer Vorspannkraft, wobei aus Vereinfachungsgründen die gleiche Federkonstante gewählt wurde. Diese Feder würde zu einer geringeren Beschleunigungswirkung führen.
  • Vergleicht man nun die Konfiguration gemessen in Fig. 2a und 2b mit der Stand der Technik-Konfiguration gemäß den Fig. 3a und 3b stellt man den Vorteil einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung fest. In Fig. 2a ist die Anordnung aus einem Stellelement 2 mit Permanentmagnetmitteln 5 gezeigt, wobei die Anordnung als Flachankersystem ausgebildet ist, d.h. die Permanentmagnetmittel wirken nicht überlappend mit dem Kernbereich zusammen. Hieraus resultiert die in Fig. 3b gezeigte hyperbelförmige Kennlinie K2 der Permanentmagnetmittel in Permanentmagnetkraft (F) Hub (s) - Diagramm gemäß Fig. 3b. Zur Verdeutlichung der Vorteilhaftigkeit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik-Ausführungsform sind die gleichen Federkennlinien F1, F2 eingezeichnet, wobei die Federkennlinie F1 die hyperbelförmige Kennlinie K2 nach einem bereits sehr kurzen Hub schneidet, so dass eine Feder mit der Federkennlinie F2 gewählt werden muss, um den gleichen, senkrecht strichliert dargestellten Rückholpunkt, der häufig systembedingt vorgegeben ist einhalten zu können.
  • Dies führt dann jedoch zu der Feder mit der geringeren Vorspannkraft und damit zu einer schlechteren Beschleunigungsunterstützung des Stellelementes in Richtung von dem Kernbereich weg.
  • In Fig. 4 ist stark vereinfacht eine weitere alternative Konfiguration von Kernbereich 3 und Stellelement 2 mit Permanentmagnetmitteln 5 gezeigt. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a ist hier der Kernbereich napfförmig ausgeformt und die kernbereichsseitige Polscheibe 7 tragt axial in den von dem Kernbereich 3 gebildeten Napf hinein, und zwar zentrisch. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Stellelement, genauer die Polscheibe 7 bzw. deren Axialfortsatz im Kernbereich geführt.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Stellvorrichtung
    2
    Stellelement
    3
    Kernbereich
    4
    Eingriffsbereich
    5
    Permanentmagnetmittel
    6
    Permanentmagnet
    7
    Polscheibe
    8
    Polscheibe
    9
    Flächenabschnitt
    10
    Überlappungsabschnitt
    11
    Spuleneinrichtung
    12
    Spulenträger
    13
    Spule
    14
    Federmittel
    15
    Gehäuse
    16
    Hülsenabschnitt
    F1
    Federkennlinie
    F2
    Federkennlinie
    K1
    Kennlinie
    K2
    Kennlinie

Claims (7)

  1. Nockenwellenverstellvorrichtung mit einer eine Steuernut aufweisenden Nocke eines Verbrennungsmotors und einer bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung (1), mit einem endseitig einen Eingriffsbereich (4) ausbildenden und axial zwischen zwei Endlagen bewegbaren Stellelement (2), zum Eingreifen in die Steuernut der Nocke, und mit einer relativ zu dem Stellelement (2) stationär vorgesehenen und zum Ausüben einer Kraft auf dieses ausgebildeten Spuleneinrichtung (11), wobei das Stellelement (2) Permanentmagnetmittel (5) aufweist, die zum Zusammenwirken mit einem relativ zu dem Stellelement (2) stationär vorgesehenen Kernbereich (3) ausgebildet sind, und wobei die Spuleneinrichtung (11) zum Erzeugen einer einer Haltekraft der Permanentmagnetmittel (5) entgegenwirkenden und diese vom Kernbereich (3) lösenden Gegenkraft als Reaktion auf ein elektronisches Ansteuersignal ausgebildet ist und wobei Federmittel (14) vorgesehen sind, die das Stellelement (2) in eine von dem Kernbereich (3) wegweisende Axialrichtung federkraftbeaufschlagend angeordnet sind, wobei die Permanentmagnetmittel (5) mindestens einen, axial magnetisierten Permanentmagneten (6) und eine auf der dem Kernbereich (3) zugewandten Seite eine Polscheibe (7) aus magnetisch leitfähigem Material aufweisen und eine von dem Kernbereich (3) abgewandte Polscheibe (8) aus einem magnetisch leitenden Material umfassen, und wobei das Stellelement (2) durch Bestromen der Spuleneinrichtung (11) in eine Endstellung verstellbar ist, in der es mit seinem Eingriffsbereich (4) in die Steuernut eingreift und das von der Nocke durch ihre Rotation in Richtung einer kernbereichsseitigen Hubanfangslage beschleunigbar ist in der die Federmittel (14) mittels des Stellelementes (2) maximal vorgespannt sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich der Kernbereich (3) und die auf der dem Kernbereich zugewandten Seite angeordnete Polscheibe (7) der Permanentmagnetmittel (5) in der kernbereichseitigen Hubanfangslage in axialer Richtung zur Beeinflussung des Rückholpunktes überlappen.
  2. Nockenwellenverstellvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die dem Kernbereich (3) zugewandte Polscheibe (7) der Permanentmagnetmittel (5) den Kernbereich (3) radial außen in axialer Richtung übergreifend und/oder in eine kernbereichsseitige, insbesondere konzentrische oder zentrische, Vertiefung des Kernbereichs (3) axial eingreifend ausgeformt und angeordnet ist.
  3. Nockenwellenverstellvorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Polscheibe (7, 8) napfförmig konturiert ist und eine Napfwandung den Kernbereich (3) axial übergreift und/oder in die kernbereichsseitige Vertiefung eingreift.
  4. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kernbereich (3) die Permanentmagnetmittel (5), insbesondere radial außen axial übergreifend und/oder in eine permanentmagnetmittelseitige, insbesondere polscheibenseitige, bevorzugt konzentrische oder zentrische Vertiefung der Permanentmagnetmittel (5) axial eingreifend ausgeformt und angeordnet ist.
  5. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich Kernbereich (3) und Permanentmagnetmittel (5) in der kernbereichsseitigen Endlage über eine in axialer Richtung gemessene Strecke aus einem Wertebereich zwischen 0,1 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm axial überlappend ausgebildet sind.
  6. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein axialer, insbesondere ringförmiger, Überlappungsabschnitt (10) der Permanentmagnetmittel (5) und/oder des Kernbereichs (3) umfangsgeschlossen und/oder konisch oder zylindrisch konturiert ist.
  7. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Federmittel (14) Druckfedermittel umfassen und/oder als Druckfedermittel ausgebildet sind, die vorzugsweise eine Federkonstante aus einem Wertebereich zwischen 0,05 N/mm und 3 N/mm, vorzugsweise zwischen 0,2 N/mm und 1 N/mm aufweist.
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