WO2001059267A1 - Verfahren zur herstellung eines elektromagnetischen aktuators und elektromagnetischer aktuator - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines elektromagnetischen aktuators und elektromagnetischer aktuator Download PDF

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WO2001059267A1 PCT/EP2001/001265 EP0101265W WO0159267A1 WO 2001059267 A1 WO2001059267 A1 WO 2001059267A1 EP 0101265 W EP0101265 W EP 0101265W WO 0159267 A1 WO0159267 A1 WO 0159267A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electromagnetic actuator with the features of the preamble of claim 1 and the actuator that arises in the process.
  • An electromagnetic actuator with the above features is such. B. known from DE 198 24 537A1.
  • the actuator with two electromagnets drives a pivoted lever that contains the armature.
  • the end opposite the lever bearing acts on the stem of a valve of an internal combustion engine.
  • the magnetic efficiency in the end positions should be high because then the energy requirement of the actuator in the end positions, that is, valve closed and open, is low. For this it is necessary that the armature m has the smallest possible air gap in the end positions.
  • the anchor bearing also has a non-negligible elasticity that leads to deformation.
  • the invention has for its object to provide a way to keep the air gap small without a significant increase in weight.
  • the solution according to the invention thus consists in at least largely compensating for the air gap enlargements in the end positions ⁇ caused by the bends and / or deformations by appropriate profiling of the pole faces and / or the armature faces.
  • a homogeneous small air gap is to be created in the end positions between the entire pole faces and the corresponding faces of the armature.
  • the primary focus will be on three-dimensional profiling of the surfaces. In the case of a pivotable mounting of the armature, the influence of the bearing elasticity can also be reduced by two-dimensional profiling, as will be shown later.
  • Fig. 3 shows an exemplary embodiment in which a two-dimensional profiling is carried out.
  • an actuator is shown in perspective. It consists of two electromagnets 1 and 2 with yokes la and 2a and windings lb and 2b. The yokes la and 2a are arranged between bearing plates 3, the front of which is removed to improve the overview. was left. Only the fastening openings 4 for connecting screws are shown here.
  • An armature 5 is arranged between the electromagnets 1 and 2 and is fastened to a tube 6 which can be pivoted about the axis 6a.
  • the armature 5 is part of a lever consisting of the armature tube 6, armature 5 and actuating part 7, the actuating part 7 acting on the valve stem against a valve spring force.
  • a torsion spring in the form of a bending tube is designated by 8, which generates the oppositely directed spring forces on the armature 5.
  • Electromagnets 1 and 2 are shown here with a deep depth T (T: B z. B.> 2) compared to the width B, in which the bending problem described at the outset occurs particularly strongly.
  • FIG. 2a shows the yokes la and 2a seen from the side between the partially interrupted bearing plates 3 and the armature 5 with the actuating part 7.
  • the solid lines above and below show the course of the yokes without the action of magnetic forces.
  • Fig. 2b the armature 5 m is brought to the upper end position.
  • the magnetic force acts on the yoke la, which leads to bending of the yoke.
  • the armature 5 is also bent by the force of the torsion spring 8 acting on it.
  • FIG. 2b shows the corresponding situation when the lower magnet is activated.
  • the armature bending due to the counterforce to the magnetic force, eg. B. the valve spring force F v is generated.
  • the resulting air gaps are shown hatched. The bends and air gaps are exaggerated.
  • the air gaps z. B. can also be determined by an impression method.
  • the desired profile can be created here by applying and / or removing methods.
  • the profiling can be produced particularly simply by placing the slats of the yokes la and 2a on an appropriately profiled electromagnet and attracting them.
  • the yoke lamellae are then preferably welded to one another or yoke side plates extending over the depth of the yokes are provided and the lamellae are at least partially welded to them.
  • FIG. 3 there is also provided an armature 10 which is pivotably mounted at 11 and which faces the poles of the yokes 12 and 13 of two electromagnets.
  • the armature 10 is shown in contact with the right pole of the yoke 12, but no magnetic forces should act on the armature 10.
  • the pole course can be changed.
  • the position of the armature 10 and its bearing tube 14 when the magnet is actuated is shown in dashed lines. Without this shortening, the armature 10 was lifted off the other pole of the yoke 12 in the case of magnetic actuation. This profiling is two-dimensional. A corresponding correction could be made on the anchor side even if the pollange was not shortened.
  • This two-dimensional profiling will be used if the bends discussed above do not have to be compensated for due to the rigidity of the yokes and the anchor or if the complex profiling of FIGS. 1 and 2 is to be saved.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators beschrieben, wie er z. B. zum Antrieb eines Ventils eines Verbrennungsmotors benutzt wird. Um die durch Durchbiegungen der Joche (1a, 2a) der Elektromagnete und/oder des Ankers bei Aktuatorbetätigung in den Endstellungen des Ankers (5) auftretende Luftspalte wenigstens weitgehend zu kompensieren, werden diese ermittelt und durch eine entsprechende Profilgebung der Joche und/oder des Ankers ausgeglichen.

Description

Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators und elektromagnetischer Aktuator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ei- nes elektromagnetischen Aktuators mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und den Aktuator, der dabei entsteht .
Ein elektromagnetischer Aktuator mit den oben genannten Merkmalen ist z. B. aus der DE 198 24 537A1 bekannt. Dort wird durch den Aktuator mit zwei Elektromagneten ein schwenkbar gelagerter Hebel angetrieben, der den Anker beinhaltet. Das der Hebellagerung gegenüberliegende Ende wirkt auf den Schaft eines Ventils eines Verbrennungsmotors ein.
Für einen solchen Aktuator ist es wichtig, daß einerseits möglichst geringe Massen zu bewegen sind. Andererseits soll der Magnetwirkungsgrad in den Endstellungen mög- liehst hoch sein, weil dann der Energiebedarf des Aktua- tors in den Endstellungen, das heißt, Ventil geschlossen und offen, gering ist. Hierzu ist es notwendig, daß der Anker m den Endstellungen einen möglichst kleinen Luftspalt aufweist.
Wenn die Elektromagnete hohe Kräfte entwickeln, kommt es zu Durchbiegungen des Magnetjochs, die einen relativ großen Restluftspalt zur Folge haben, was einen hohen Haltestrom und damit eine hohe Haltestromleistung bedeutet. Dieser Nachteil tritt insbesondere dann auf, wenn wie m der alteren Anmeldung PCT/EP99/08755 beschrieben die Tiefe der Joche und des Ankers groß ist, z. B. die Tiefe zur Breite großer 1,5 bzw. 2 oder gar großer 3 ist. Zur Definition der Tiefe T und Breite B wird auf Fig. 1 der Zeichnung verwiesen, wo diese Großen eingezeichnet sind.
Auf den tiefen Anker, der die Antriebskraft auf den Ventilschaft übertragt, wirken ebenfalls verbiegende Kräfte ein; ebenso hat die Ankerlagerung eine nicht vernachlas- sigbare Elastizität, die zu Verformungen fuhrt.
Es besteht die Möglichkeit diese Verformungen durch Verstärkungen klein zu halten, was jedoch Erhöhung des Gewichts bedeutet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, den Luftspalt klein zu halten, ohne daß eine wesentliche Gewichtserhöhung zustande kommt.
Diese Aufgabe wird durch die Herstellungsmerkmale des Anspruchs 1, bzw. die Anordnungsmerkmale des Anspruchs 13 gelost. Die Unteranspruche beinhalten Weiterbildungen der Erfindung . Die erfmdungsgemaße Losung besteht somit darin, die durch die Verbiegungen und/oder Verformungen entstehenden Luftspaltvergroßerungen in den Endstellungen αurch eine entsprechende Profilgebung der Polflachen und/oder der Ankerflachen zumindest weitgehend zu kompensieren. Es soll also m den Endstellungen zwischen den gesamten Pol- flachen und den entsprechenden Flachen des Ankers ein homogener kleiner Luftspalt entstehen. Hierbei wird primär an eine dreidimensionale Profilierung der Flachen zu den- ken sein. Im Falle einer schwenkbaren Lagerung des Ankers kann der Emfluss der Lagerelastizitat auch durch eine zweidimensionale Profilierung erniedrigt werden, wie spater noch gezeigt wird.
Anhand der Ausfuhrungsbeispiele der Zeichnung wird die Erfindung naher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ak- tuators
Fig. 2a bis 2c prinzipielle Seitenansichten des Ak- tuators er Fig.l in verschiedenen Situa- tionen, wobei eine dreidimensionale Profilierung erfolgt .
Fig. 3 ein Ausfuhrungsbeispiel, bei dem eine zweidimensionale Profilierung vorgenommen wird .
In Fig. 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Aktuator gezeigt. Er besteht aus zwei Elektromagneten 1 und 2 mit Jochen la und 2a und Wicklungen lb und 2b. Die Joche la und 2a sind zwischen Lagerplatten 3 angeordnet, von denen die vordere zur Verbesserung der Übersicht wegge- lassen wurde. Es sind hier nur die Befestigungsoffnungen 4 für Verbindungsschrauben gezeigt. Zwischen den Elektromagneten 1 und 2 ist ein Anker 5 angeordnet, der an einem um die Achse 6a schwenkbaren Rohr 6 befestigt ist. Der Anker 5 ist Teil eines aus Ankerrohr 6, Anker 5 und Beta- tigungsteil 7 bestehenden Hebels, wobei das Betaπgungs- teil 7 entgegen einer Ventilfederkraft auf den Ventil- schaft einwirkt. Mit 8 ist eine Torsionsfeder in Form eines Biegerohrs bezeichnet, die die entgegengesetzt ge- richteten Federkräfte auf den Anker 5 erzeugt. Es sind hier Elektromagnete 1 und 2 mit im Vergleich zur Breite B großer Tiefe T (T:B z. B>2) dargestellt, bei denen das eingangs beschriebene Verbiegungsproblem besonders stark auftritt .
Die Fig. 2a zeigt von der Seite gesehen die Joche la und 2a zwischen den teilweise unterbrochen gezeichneten Lagerplatten 3 und den Anker 5 mit dem Betatigungsteil 7. Die ausgezogenen Linien oben und unten zeigen die Verlaufe der Joche ohne Einwirkung von Magnetkräften. In Fig. 2b ist oben der Anker 5 m die obere Endstellung gebracht. Auf das Joch la wirkt die Magnetkraft, die zu Verbiegungen des Jochs fuhrt. Auch der Anker 5 wird durch die auf ihn wirkende Kraft der Torsionsfeder 8 verbogen. In Fig. 2b unten ist die entsprechende Situation bei Ak- tivierung des unteren Magneten gezeigt, wobei die Anker- verbiegung durch die Gegenkraft zur Magnetkraft, z. B. die Ventilfederkraft Fv erzeugt wird. Schraffiert sind die entstehenden Luftspalte eingezeichnet. Die Verbiegungen und Luftspalte sind übertrieben dargestellt.
Wird nun, wie beschrieben, z. B. durch finite Elemente
Berechnungsverfahren, die Biegelime berechnet, wie dies m Fig. 2b oben und unten festgehalten ist, so kann man z. B. ohne etwas am Anker zu andern, den Jochen la und 2a die n der Fig. 2c gezeigten Profile la λ und 2a geben. Ohne Belastung sind diese m Fig. 2a mit la λ λ λ und 2a x gezeigt. Bei Betätigung des entsprechenden Elektromagneten legt sich dann der Anker 5 mit minimalem Luftspalt an das neue Profil an, wobei der minimale Luftspalt nicht 0 sein muß. Zur Klarstellung der Fig. 2b und 2c: Die Profile la λ und 2a λ der Fig. 2c müssen den Verlaufen la λ Λ und 2a, λ der Fig. 2b entsprechen.
Alternativ können die Luftspalte z. B. auch durch ein Ab- druckverfahren ermittelt werden.
Die gewünschte Profilierung kann hier durch Auf- und/oder Abtrageverfahren erzeugt werden. Die Profilierung kann bei lamellierten Jochen besonders einfach dadurch hergestellt werden, dass die Lamellen der Joche la und 2a auf einen entsprechend profilierten Elektromagneten aufgesetzt und von diesem angezogen werden. Danach werden die Jochlamellen vorzugsweise miteinander verschweißt oder es werden über die Tiefe der Joche verlaufende Jochseitenplatten vorgesehen und die Lamellen werden zumindest teilweise mit diesen verschweißt.
In Fig. 3 ist ebenfalls ein bei 11 schwenkbar gelagerter Anker 10 vorgesehen, dem die Pole der Joche 12 und 13 zweier Elektromagnete gegenüberstehen. Der Anker 10 ist in Anlage an dem rechten Pol des Jochs 12 dargestellt, wobei jedoch keine Magnetkräfte auf den Anker 10 einwirken sollen. Der dem Schwenkpunkt 11 naher liegende Pol ist hier um einen Wert =h verkürzt. Diese Verkürzung =h ist so bemessen, dass der bei auf den Anker einwirkenden Magnetkräften des Magneten mit dem Joch 12 wegen der La- gerelastizitat zustande kommender Versatz ≡e des Schwenkpunkts 11 die Verkürzung ≡h ausgleicht; dieser Luftspalt _≡h wird also weitgehend ausgeglichen, wobei zur Optimie- rung keine reine Verkürzung, sondern auch eine kleine
Wmkelanderung des Polverlaufs vorgenommen sein kann. Die Stellung des Ankers 10 und seines Lagerrohrs 14 bei Ma- gnetbetatigung ist gestrichelt eingezeichnet. Ohne diese Verkürzung wurde im Fall der Magnetbetatigung der Anker 10 vom andern Pol des Jochs 12 abheben. Diese Profilierung ist zweidimensional. Es konnte auch bei unverkürzter Pollange eine entsprechende Korrektur auf Seite des Ankers vorgenommen werden.
Diese zweidimensionale Profilierung wird man anwenden, wenn die oben diskutierten Verbiegungen wegen der Steifheit der Joche und des Ankers nicht kompensiert werden müssen oder wenn die aufwendige Profilierung der Fig. 1 und 2 eingespart werden soll.

Claims

Patentansprüche
1) Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators, dessen Anker (5) durch Magnetkraft m Verbindung mit wenigstens einer Federkraft (8) in zwei Endstellungen gebracht wird, wobei dem Anker (5) Pol¬ flachen wenigstens eines Magnetjochs (la, 2a) gegen¬ überstehen, über die die Magnetkraft auf den Anker (5) einwirkt, und wobei der Anker (5) ein zu bewegendes Teil antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß m wenigstens einer der Endstellungen festgestellt wird, welche Beeinflussung der Luftspalt zwischen den Polflachen und dem Anker (5) durch die auf das wenig¬ stens eine Joch (la, 2a) einwirkende Magnetkraft und/oder die auf den Anker einwirkende Federkraft (8, Fv) erfahrt, und daß aufgrund dieser Feststellung die Polflachen des Jochs (la, 2a) und/oder die den Polflachen (laλ, 2a ) gegenüberliegenden Flachen des Ankers (5) ein solches Profil (la 2aλ) erhalten, daß m der wenigstens einen Endstellung wenigstens weit- gehend ein gewünschter minimaler Luftspalt zwischen den magnetisch wirksamen Flachen entsteht.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator ein Elektromagnet ist.
3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Anker des Aktuators zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte (8, F0 und abwechselnd zwei entgegengesetzt gerichtete Magnetkräfte einwirken.
4) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (5) Teil eines an einem Ende (6a) schwenkbar gelagerten Hebels (5, 6, 7; ist und daß das andere Hebelende (7) auf das anzutreibende Teil, insbesondere den Schaft eines Ventils einwirkt.
5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Hebel (5, 6 , n ) die Federkraft (Federkraf- te) eines Drehstabs (8) einwirken.
6) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Beeinflus¬ sung des Luftspalts durch ein Abdruckverfahren erfolgt .
7) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Beeinflussung des Luftspalts durch ein Simulationsverfahren (z. B. finite Elemente Methode) erfolgt.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung durch auf- und/oder abtragende Verfahren erfolgt.
9) Elektromagnetischer Aktuator, dessen Anker (5) durch Magnetkraft in Verbindung mit wenigstens einer Federkraft (8, Fv) in zwei Endstellungen gebracht wird, wobei dem Anker (5) Polflachen wenigstens eines Ma- gnetjochs (la, 2a) gegenüberstehen, über die die Magnetkraft auf den Anker (5) einwirkt, und wobei der Anker (5) ein zu bewegendes Teil antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflachen des wenigstens einen Jochs (la, 2a) und/oder die diesen Flachen gegenüberstehenden Flachen des Ankers (5) ein solches Profil (laλ, 2aλ) aufweisen, daß m der wenigstens einen Endstellung des Ankers (5) ein gewünschter minimaler Luftspalt zwischen den magnetisch wirksamen Flachen vorhanden ist.
10) Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er tiefe Joche (la, 2a) und einen entsprechend tiefen Anker (5) aufweist (Tiefe T zu Breite B > 1,5
11) Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators, dessen Anker (5) durch Magnetkraft n Verbindung mit wenigstens einer Federkraft (8) m zwei Endstellungen gebracht wird, wobei dem Anker (5) Polflachen wenigstens eines Magnetjochs (la, 2a) gegenüberstehen, über die die Magnetkraft auf den Anker (5) einwirkt, und wobei der Anker (5) ein zu bewegendes Teil antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß m wenigstens einer der Endstellungen festgestellt wird, welche Beeinflussung der Luftspalt zwischen den Polflachen und dem Anker (5) durch die Betätigung des Aktuators erfahrt, und daß aufgrund dieser Feststel- lung die Polflachen des Jochs (la, 2a) und/oder die den Polflachen (la 2aλ) gegenüberliegenden Flachen des Ankers (5) eine solche Gestaltung (laλ, 2a ) erhalten, daß m der wenigstens einen Endstellung wenigstens weitgehend ein gewünschter minimaler Luftspalt zwischen den magnetisch wirksamen Flachen entsteht . 12) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflachen des wenigstens einen Jochs und/oder die den Polflachen gegenüberliegenden Ankerflachen eine dreidimensionale Profilierung erfahren (Fig. 2) .
13) Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) aufweist.
14) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Anker des Aktuators zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte (8, F ) und abwechselnd zwei entgegengesetzt gerichtete Magnetkräfte einwirken.
15) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (5) Teil eines an einem
Ende (6a) schwenkbar gelagerten Hebels (5, 6, 7) ist und daß das andere Hebelende (7) auf das anzutreibende Teil, insbesondere den Schaft eines Ventils einwirkt .
16) Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Hebel (5, 6,7) die Federkraft (Federkräfte) eines Drehstabs (8) einwirken.
17) Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei dem Anker wenigstens zwei Pole eines Jochs gegenüberstehen, da- durch gekennzeichnet, dass nur der Pol, der dem Drehpunkt (11) des Ankers (10) naher liegt und/oder die diesem gegenüberliegende Ankerflache einen sich bei Aktuatorbetatigung wenigstens weitgehend ausgleichenden Versatz ≤h aufweist. 18) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Beeinflussung des Luftspalts durch ein Abdruckverfahren erfolgt.
19) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Beeinflussung des Luftspalts durch ein Simulationsverfahren (z. B. finite Elemente Methode) erfolgt.
20) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung durch auf- und/oder abtragende Verfahren erfolgt.
21) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei lameliierten Jochen deren Profilierung dadurch erfolgt, dass das Negativ der festgestellten Profilierung auf eine Hilfsflache aufgebracht wird, dass die frei gegeneinander verschiebbaren Lamellen mit ihren Enden auf diese Flache aufgesetzt werden und dass auf die Lamellen eine m Richtung zur Hilfsflache hin wirkende Kraft wirksam gemacht wird.
22) Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft durch einen Magneten aufgebracht wird.
23) Elektromagnetischer Aktuator, dessen Anker (5) durch Magnetkraft m Verbindung mit wenigstens einer Feder- kraft (8, Fv) m zwei Endstellungen gebracht wird, wobei dem Anker (5) Polflachen wenigstens eines Ma- gnet ochs (la, 2a) gegenüberstehen, über die die Magnetkraft auf den Anker (5) einwirkt, und wobei der Anker (5) ein zu bewegendes Teil antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflachen des wenigstens einen Jochs (la, 2a) und/oder die diesen Flachen gegenüberstehenden Flachen des Ankers (5) eine solche Gestaltung (la 2aΛ) aufweisen, daß bei Aktuatorbeta- tigung m der wenigstens einen Endstellung des Ankers (5) ein gewünschter minimaler Luftspalt zwischen den magnetisch wirksamen Flachen vorhanden ist.
24) Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß er tiefe Joche (la, 2a) und einen entsprechend tiefen Anker (5) aufweist (Tiefe T zu Breite B > 1,5
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