WO2008012179A2 - Elektromagnetische stellvorrichtung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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WO2008012179A2
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Definitions

  • Electromagnetic actuator and method of making same
  • the invention relates to an electromagnetic actuating device, for example for a variable camshaft control of an internal combustion engine of a motor vehicle, with a coil device, essentially consisting of a core of a magnetic material, which is enclosed by a coil, and with a relative to the coil device movably arranged adjusting element with an end wear-resistant engagement region, in which the actuating element can be acted upon by energizing the coil means with an actuating force, on the
  • the invention further relates to a method for producing such a positioning device.
  • a positioning device is known from WO 2003 021 612 A1.
  • a piston is designed as an actuating element, at the one end of which an engagement region for a setting task, for example for engagement in a groove of an actuating partner on a camshaft for a variable cam setting, is formed.
  • the piston is guided in a sleeve-shaped housing section and opens at its other end centrally into a second, cylindrical housing section, which accommodates a coil device which is formed by a core of magnetic material which is surrounded by an electrical coil. is closing.
  • a permanent magnet disc is arranged, which is magnetically held on a flat side of the core.
  • an electromagnetic opposing field is generated, which counteracts the magnetic field of the permanent magnet disc and leads to the repulsion of the core, so that the piston is driven out of the guide sleeve, where he fulfills his Stellaufgabe.
  • the adjusting movement of the piston is assisted by a compression spring, which is arranged in the core, but whose spring force alone is not sufficient to overcome the holding force of the permanent magnet disc.
  • the coil current can be reversed. If necessary, this retraction movement can be assisted by an external thrust force on the engagement region, for example via the aforementioned cam adjustment partner, until the permanent magnet disc again contacts the core of the coil device due to its magnetic attraction.
  • a comparable adjusting device is also known from DE 102 40 774 A1. It describes an improvement in the magnetic flux of the permanent magnets by means of magnetically conductive elements, in particular in the form of disks arranged on both sides of the permanent magnet disk, for example consisting of iron.
  • the disks serve as guide elements, over which the field lines of the permanent magnet circulate through the core in the de-energized state. When energized, the field lines of the permanent magnet in the transition region between the core and the adjacent guide element extend transversely and parallel to the field lines of the coil in this region, whereby an efficient repulsion effect is achieved.
  • the guide elements serve as a mechanical protection for the relatively brittle, for example made of a Nd-Fe alloy, permanent magnet material.
  • the actuating element is connected directly to the permanent magnet disc and thus is in magnetic contact therewith.
  • the actuator In order not to influence the magnetic flux thereby, the actuator must be made of a non-magnetic material.
  • a magnetic control element could interact with the magnetic fields of the coil device and the permanent magnet means and thereby lead to a disturbance of the holding function or the repulsion function and thus to an impairment of the actuating movement and the control of the control element.
  • the adjusting element is usually subjected to high forces during its setting task, for example high transverse forces when engaging in a sliding groove. Therefore, at least its engagement region must have a wear-resistant surface.
  • suitable non-magnetic materials that meet wear resistance and durability requirements are costly and usually require additional surface treatment, such as a special heat treatment, which increases manufacturing costs.
  • the invention has for its object to provide an electromagnetic actuator with a permanent magnetic holding device of the type described above, which allows safe and low-wear control operation and yet is structurally simple and inexpensive. Another object is to provide a method for producing such a positioning device.
  • the invention is based on the finding that in electromagnetic actuators in which an actuator is fixed by a permanent magnet in a position and solvable by electromagnetic repulsion of the permanent magnet from this holding position, actuators can also be used of magnetic material, if by a suitable magnetic insulation the actuator is the risk of functional interference is avoided by the optionally magnetic material of the control element in the control mode.
  • the invention is therefore based on an electromagnetic actuator, for example for a variable camshaft control of an internal combustion engine of a motor vehicle, with a coil means, essentially consisting of a core of a magnetic material which is enclosed by a coil, and with a relative to the coil means movable arranged adjusting element with an end wear-trained engaging portion in which the actuating element can be acted upon by energizing the coil means with an actuating force, wherein on the Adjusting element permanent magnet means are arranged, via which the adjusting element is magnetically held in the currentless state of the coil means to the coil means.
  • decoupling means are provided, via which the actuating element is magnetically decoupled from the permanent magnet means, at least in the engagement region.
  • a simple and cost-effective connection of a wear-resistant adjusting element to the permanent magnet means is advantageously made possible.
  • the production cost of such a control device is reduced with high demands on wear resistance and service life, while ensuring trouble-free operation of the actuator.
  • a particularly simple decoupling means can be designed as a non-magnetizable insulating piece which is arranged between the permanent magnet means and the adjusting element.
  • the insulating piece prevents direct surface contact between the permanent magnet material and the actuating element material and thus realizes a magnetic insulation.
  • the control element itself can not or only insignificantly influence the field line course of the dominant magnetic fields.
  • the adjusting element is formed as an elongated cylindrical actuator pin which is concentric with the coil means, as an axially movable translational actuating element is guided.
  • a permanent magnet means may be formed as a permanent magnet disc which is arranged on an end region of the actuator pins opposite the engagement region.
  • the coil device and the actuating element are preferably accommodated by a housing in which the permanent magnet means are guided in a first housing section, which surrounds the coil device, and the actuating element in a second housing section.
  • the housing sections and / or sections of the coil device are adapted to the dimensions of the non-magnetizable insulating piece or recesses formed thereon, so that an unhindered path of the actuator is ensured with the permanent magnet within the housing sections and a space-saving design is achieved.
  • a recess can also act as a stop for limiting a travel of the control element.
  • Such an adjusting device is particularly suitable for actuating tasks in mobile application areas with limited energy supply, since here the energy and cost savings through the only relatively short current pulses required for repelling or attraction of the permanent magnet effects particularly advantageous.
  • this translational actuator a particularly simple and stable, with short positioning times controllable variable cam setting.
  • the invention is limited neither to variable cam settings for motor vehicle valve trains nor to translatory actuating tasks in general.
  • the inventive magnetic decoupling between actuator or actuator and permanent magnet means in an electromagnetic actuator on constructions with others Movements, for example, with rotational adjustment paths, advantageously applicable.
  • the decoupling means is designed as a plastic Umspftzteil which engages around the end portion of the actuator pins.
  • a Kunststoffumsphtzung of the actuator pins in the field of permanent magnet means a particularly cost-effective, weight-saving and effective magnetic decoupling is achieved.
  • a collar, on the inner wall of an inner ring is formed, which engages in a formed on the actuator pin, adjacent to the inner ring, circumferential groove, the plastic Umsphtzteil can be securely fixed to the actuator pin.
  • a permanent magnet disk is used as a permanent magnet means, it can, with a central bore, simply be arranged on a central portion of the plastic surround, for example suitably attached, which is bounded by two-sided collars against which the permanent magnet disk bears flat against the inner walls of the collars , As a result, the permanent magnet disc is securely fixed to the actuator and at the same time effectively magnetically decoupled from this.
  • the umsphtzteil formed in this way is particularly advantageous for a magnetic disk package can be used, in which the permanent magnet disc are assigned to both sides fitting, magnetically conductive discs, which are then axially enclosed by the cantilevered parts.
  • these guide disks act as mechanical protection of the permanent magnet disk in the case of the repulsion movements and during the starting movements of the coil apparatus in the actuating mode and as means for improving the magnetic flux, as already explained above.
  • a protective ring made of plastic may also be provided. be seen, which encloses the permanent magnet disc and optionally additionally one or both discs of the disc pack around its outer edge and encapsulates.
  • an improvement of the magnetic flux and a stop protection can be achieved even with a magnetically conductive element arranged on one side, which is positioned in the region between the permanent magnet means and a stop surface of the coil device, to which the permanent magnet means magnetically adheres.
  • Another object of the invention is to provide a method by which a simple and inexpensive electromagnetic actuator can be made with a permanent magnetic holding device that allows safe and low-wear control operation.
  • the invention is therefore based on a method for producing an electromagnetic actuating device, for example for a variable camshaft control of an internal combustion engine of a motor vehicle, with a coil device, essentially consisting of a core of a magnetic material which is enclosed by a coil, and with a relative to the coil means movably arranged adjusting element with an end wear-trained engaging portion in which the actuating element can be acted upon by an energizing of the coil means with an actuating force, are arranged on the adjusting element permanent magnet means, the actuator in the de-energized state of the coil means magnetically hold the coil device.
  • a coil device essentially consisting of a core of a magnetic material which is enclosed by a coil, and with a relative to the coil means movably arranged adjusting element with an end wear-trained engaging portion in which the actuating element can be acted upon by an energizing of the coil means with an actuating force, are arranged on the adjusting element permanent magnet means, the actuator in the
  • the adjusting element is magnetically decoupled from the permanent magnet means by means of a plastic wrap which forms a plastic U msphtztei I.
  • a plastic extrusion can be magnetically isolated in the manufacture of an actuating device in a simple and cost-effective manner, an actuating element arranged thereon permanent magnet means.
  • an umsphtzteil formed by the Umsphtzung can be easily adapted to the respective construction of actuator and permanent magnet means, which is thus very flexible. Consequently, in the production of the adjusting device, adjusting elements made of magnetisable materials can also be used in a manner which is harmless for the electromagnetic actuation of the actuating element. As a result, costs can be saved, in particular when producing a wear-resistant engagement region of the actuating element.
  • Fig. 1 is a longitudinal section of an electromagnetic actuator device
  • Fig. 2 shows an enlarged detail of an actuating element of the adjusting device with a device for magnetic decoupling.
  • the adjusting device shown in FIG. 1 is designed as an actuator 1 for a (not shown) variable cam switching system of a valve train of a motor vehicle internal combustion engine.
  • the construction of such a positioning device is known per se from the aforementioned WO 2003 021 612 A1.
  • the actuator 1 essentially comprises a piston-shaped control element 2, which is designed as an actuator pin with an end-side engagement region 3 and a coil device 4.
  • This comprises a core 5 made of a magnetic material, such as iron, of a current supplied coil. 6 is surrounded.
  • the coil device 4 is accommodated in a cylindrical housing section 8 of a housing 7.
  • the housing section 8 is followed by a sleeve-shaped housing section 9, in which the actuator pin 2 is guided in an axially movable manner.
  • a disk pack 10 is arranged, which is guided as a piston in the cylindrical housing section 8.
  • the disk pack 10 comprises a permanent magnet disk 1 1, which is surrounded by a plastic ring 12.
  • On both sides of the permanent magnet disk 1 two magnetically conductive disks 13 and 14, for example made of iron, arranged.
  • the actuator pin 2 An axial travel of the actuator pin 2 is limited on the side facing away from the coil device 4 of the disk package 10 of a stop surface 15 of the housing portion 9 and on the coil 4 facing side of the disk pack 10 of a stop surface 16 of the core 5. Furthermore, the core 5 has a central bore 17, in which a designed as a helical compression spring spring means 18 is guided. About the spring 18 of the actuator pin 2 can be acted upon with an axial force in the direction of the sleeve portion 9 out.
  • the disk package 10 is accommodated with a central bore 27 (FIG. 2) on a magnetic decoupling means 20 according to the invention of the actuator pin 2.
  • the decoupling means 20 is made in a plastic transfer molding process as a plastic transfer member 20 (shown in simplified form in FIG. 1) which includes the end of the actuator pin 2 carrying the disk package 10 and this to the surface of the actuator pin 2, so that there is no direct contact between the permanent magnet disc 1 1 and the actuator pin 2.
  • Fig. 2 shows the plastic U mspritztei I 20 in detail.
  • the actuator pin 2 has a tapered extension 19, which is encompassed by the extrusion-molded part 20.
  • a central portion 21 of the extrusion 20 carries the disk pack 10, wherein the bore 27 of the discs 1 1, 13 and 14 is increased according to a wall thickness of the central portion 21 relative to a diameter of the extension 19.
  • the disc package 10 is enclosed and fixed on both sides by integrally formed on the overmold 20 or connected thereto Krageilen 22, 23. Thus, the disk pack 10 is completely isolated from the surface of the actuator pin 2.
  • the end of the actuator pin 2 facing away from inner collar member 23 has an axially overlapping edge 24, on which an inner ring 25 is formed, which engages in an opening formed on the actuator pin 2 adjacent groove 26, whereby the overmold 20 with the actuator Pin 2 is firmly connected.
  • the axially opposite outer collar 22 encloses the disk pack 10 in the umsphtzteil 20 and the actuator pin 2 outwards towards the end.
  • the permanent magnet disc 11 is surrounded by the plastic ring 12, which also extends beyond the edge of the final disc 13.
  • the disk package 10 In de-energized state, the disk package 10 is held by the magnetic force of the permanent magnet disc 1 1 to the coil means 4. In this case, the disk 5 adjacent to the core 5 of the disk package 10 rests flat against the stop surface 16 of the core 5. The magnetic holding force thereby exceeds a biasing force of the compression spring 18.
  • the field lines of the permanent magnetic field (not shown) run through the disk pack 10 and the spool core 5, but not by the actuator pin 2, in particular not by the engagement region, because of the magnetically decoupling overmold 20 3, even if it consists of a magnetizable material.
  • an electromagnetic field is generated whose field lines circulate through the coil core 5 and the stop surface 16.
  • the field lines of the electromagnetic field are approximately parallel to the disk package 10 and displace the magnetic field of the permanent magnet 11, so that the permanent magnet disk 11 is pushed away from the core 5 and the disk package 10 is ejected releases from the stop surface 16 as soon as the repulsive force exceeds the holding force.
  • This can be realized by a corresponding current pulse on the coil 6.
  • the thus ejected actuator pin 2 supported by the axial force of the spring 18, pushed away from the coil means 4, so that it is led out of the sleeve 9 and performs its setting task.
  • the actuator pin 2 By applying an opposing field or a counter-pulse, possibly supported by an external axial loading in the reverse direction, the actuator pin 2 can be moved back to its original position until the disc pack 10 rests again against the stop 16 and is magnetically held.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung, beispielsweise für eine variable Nockenwellensteuerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, mit einer Spuleneinrichtung (4), im Wesentlichen bestehend aus einem Kern (5) aus einem magnetischen Material, der von einer Spule (6) umschlossen ist, und mit einem relativ zu der Spuleneinrichtung (4) beweglich angeordneten Stellelement (2) mit einem endseitig verschleißfest ausgebildeten Eingriffsbereich (3), bei der das Stellelement (2) über eine Bestromung der Spuleneinrichtung (4) mit einer Betätigungskraft beaufschlagbar ist, wobei an dem Stellelement (2) Permanentmagnetmittel (11) angeordnet sind, über die das Stellelement (2) in unbestromtem Zustand der Spuleneinrichtung (4) an der Spuleneinrichtung (4) magnetisch gehalten ist. Um die Stellvorrichtung so zu verbessern, dass sie einen sicheren und verschleißarmen Stellbetrieb ermöglicht und dennoch konstruktiv einfach und kostengünstig ist, sind Entkoppelungsmittel (20) vorgesehen, über die das Stellelement (2) zumindest im Eingriffsbereich (3) von den Permanentmagnetmitteln (11) magnetisch entkoppelt ist.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Elektromagnetische Stellvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Stellvorrichtung, beispielsweise für eine variable Nockenwellensteuerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, mit einer Spuleneinrichtung, im Wesentlichen be- stehend aus einem Kern aus einem magnetischen Material, der von einer Spule umschlossen ist, und mit einem relativ zu der Spuleneinrichtung beweglich angeordneten Stellelement mit einem endseitig verschleißfest ausgebildeten Eingriffsbereich, bei der das Stellelement über eine Bestromung der Spuleneinrichtung mit einer Betätigungskraft beaufschlagbar ist, wobei an dem Stellele- ment Permanentmagnetmittel angeordnet sind, über die das Stellelement in unbestromten Zustand der Spuleneinrichtung an der Spuleneinrichtung magnetisch gehalten ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Stellvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Stellvorrichtung ist aus der WO 2003 021 612 A1 bekannt. Darin ist ein Kolben als ein Stellelement ausgebildet, an dessen einen Ende ein Eingriffsbereich für eine Stellaufgabe, beispielsweise zum Eingriff in eine Nut eines Stellpartners an einer Nockenwelle für eine variable Nockeneinstellung, ausgebildet ist. Der Kolben ist in einem hülsenförmigen Gehäuseabschnitt geführt und mündet an seinem andern Ende zentrisch in einen zweiten, zylindrischen Gehäuseabschnitt, der eine Spuleneinrichtung aufnimmt, die von einem Kern aus magnetischem Material gebildet wird, der von einer elektrischen Spule um- schlössen ist. An diesem Ende des Kolbens ist eine Permanentmagnetscheibe angeordnet, die an einer planen Seite des Kerns magnetisch gehalten ist.
Bei einer geeigneten Strombeaufschlagung der Spule wird ein elektromagneti- sches Gegenfeld erzeugt, dass dem Magnetfeld der Permanentmagnetscheibe entgegenwirkt und zu deren Abstoßung vom dem Kern führt, so dass der Kolben aus der Führungshülse heraus getrieben wird, wobei er seine Stellaufgabe erfüllt. Die Stellbewegung des Kolbens wird durch eine Druckfeder unterstützt, die im Kern angeordnet ist, deren Federkraft allein aber nicht ausreicht, um die Haltekraft der Permanentmagnetscheibe zu überwinden. Für eine umgekehrte Stellbewegung, also ein Zurückfahren des Kolbens gegen die Federkraft, kann der Spulenstrom umgepolt werden. Diese Einfahrbewegung kann gegebenenfalls noch durch eine externe Schubkraft auf den Eingriffsbereich, beispielsweise über den eingangs erwähnten Nockenstellpartner, unterstützt werden, bis die Permanentmagnetscheibe durch ihre magnetische Anziehungskraft wieder den Kern der Spuleneinrichtung kontaktiert.
Eine vergleichbare Stellvorrichtung ist auch aus der DE 102 40 774 A1 bekannt. Darin wird eine Verbesserung des magnetischen Flusses des Permanentmag- neten mit Hilfe von magnetisch leitenden Elementen, insbesondere in Form von beidseitig der Permanentmagnetscheibe angeordneten, beispielsweise aus Eisen bestehende, Scheiben, beschrieben. Die Scheiben dienen zum einen als Leitelemente, über die in stromlosem Zustand die Feldlinien des Permanentmagneten durch den Kern umlaufen. In bestromtem Zustand verlaufen die Feldlinien des Permanentmagneten im Übergangsbereich zwischen dem Kern und dem benachbarten Leitelement quer und parallel zu den Feldlinien der Spule in diesem Bereich, wodurch ein effizienter Abstoßungseffekt erzielt wird. Weiterhin dienen die Leitelemente als ein mechanischer Schutz für das relativ spröde, beispielsweise aus einer Nd-Fe - Legierung bestehende, Permanentmagnetmaterial. Gegenüber einer herkömmlichen elektromagnetischen Stellvorrichtung, bei der das Stellelement gegen die Kraft einer Rückstellfeder ver- stellbar ist, ist bei dieser Anordnung kein permanenter Haltestrom der Spuleneinrichtung zur Aufrechthaltung des ausgefahrenen Stellzustandes erforderlich, welches sich energiesparend auswirkt und die Ansteuerung vereinfacht. Zudem ist der mechanische Aufbau konstruktiv einfach und kostengünstig.
Nachteilig wirkt sich aus, dass das Stellelement direkt mit der Permanentmagnetscheibe verbunden ist und somit mit dieser in magnetischem Kontakt steht. Um den magnetischen Fluss dadurch nicht zu beeinflussen, muss das Stellelement aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt sein. Ein magnetisches Stellelement könnte mit den Magnetfeldern der Spuleneinrichtung und der Per- manentmagnetmittel in eine Wechselwirkung treten und dadurch zu einer Störung der Haltefunktion bzw. der Abstoßungsfunktion sowie damit zu einer Beeinträchtigung der Stellbewegung und der Ansteuerung des Stellelementes führen.
Andererseits ist das Stellelement bei seiner Stellaufgabe jedoch in der Regel hohen Kräften ausgesetzt, beispielsweise hohen Querkräften beim Eingreifen in eine Verschiebe-Nut. Daher muss zumindest dessen Eingriffsbereich eine verschleißfeste Oberfläche aufweisen. Geeignete nicht-magnetische Werkstoffe, welche die Anforderungen an Verschleißfestigkeit und Lebensdauer erfüllen, sind jedoch kostenaufwendig und erfordern meist eine zusätzliche Oberflächenbehandlung, beispielsweise eine spezielle Wärmebehandlung, die die Herstellungskosten erhöht. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer permanentmagnetischen Haltevorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die einen sicheren und verschleißarmen Stellbetrieb ermöglicht sowie dennoch konstruktiv einfach und kostengünstig ist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Stellvorrichtung anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei elektromagnetischen Stellvorrichtungen, bei denen ein Stellelement durch einen Permanentmagnet in einer Position fixierbar und durch elektromagnetisches Abstoßen des Permanentmagneten aus dieser Halteposition lösbar ist, Stellelemente auch aus magnetischem Material verwendet werden können, wenn durch eine geeignete magnetische Isolierung des Stellelements die Gefahr von Funktionsbeeinflussungen durch das gegebenenfalls magnetische Material des Stellelementes im Stellbetrieb vermieden wird.
Die Erfindung geht daher aus von einer elektromagnetischen Stellvorrichtung, beispielsweise für eine variable Nockenwellensteuerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, mit einer Spuleneinrichtung, im Wesentlichen bestehend aus einem Kern aus einem magnetischen Material, der von einer Spule umschlossen ist, und mit einem relativ zu der Spuleneinrichtung beweglich angeordneten Stellelement mit einem endseitig verschleißfest ausgebildeten Eingriffsbereich, bei der das Stellelement über eine Bestromung der Spuleneinrichtung mit einer Betätigungskraft beaufschlagbar ist, wobei an dem Stellelement Permanentmagnetmittel angeordnet sind, über die das Stellelement in unbestromten Zustand der Spuleneinrichtung an der Spuleneinrichtung magnetisch gehalten ist. Zudem sind Entkoppelungsmittel vorgesehen, über die das Stellelement zumindest im Eingriffsbereich von den Permanentmagnetmit- teln magnetisch entkoppelt ist.
Durch diesen Aufbau wird vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Anbindung eines verschleißfesten Stellelementes an die Permanentmagnetmittel ermöglicht. Insbesondere können durch eine freie Materialwahl Stellelemente aus einem kostengünstigen Magnetstahl verwendet werden, die eine hohe Verschleißfestigkeit bieten, wobei auf eine zusätzliche Wärmebehandlung des Stellelementes gänzlich verzichtet oder zumindest auf eine günstigere Wärmebehandlung oder ein günstigeres Härtungsverfahren zum Erreichen eines verschleißfesten Eingriffsbereichs des Stellelementes zurückgegriffen werden kann. Dadurch wird der Herstellungsaufwand einer solchen Stellvorrichtung mit hohen Anforderungen an Verschleißfestigkeit sowie Lebensdauer verringert, und gleichzeitig eine störungsfreie Funktion der Stellvorrichtung gewährleistet.
Ein besonders einfaches Entkoppelungsmittel kann als ein nicht - magnetisier- bares Isolierstück ausgebildet sein, dass zwischen den Permanentmagnetmitteln und dem Stellelement angeordnet ist. Durch das Isolierstück wird ein direkter Oberflächenkontakt zwischen dem Permanentmagnet - Material sowie dem Stellelement - Material vermieden und somit eine magnetische Isolierung realisiert. Dadurch kann das Stellelement selbst, den Feldlinienverlauf der maßge- benden Magnetfelder nicht oder nur unwesentlich beeinflussen.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Stellelement als ein lang gestreckter zylindrischer Aktuator-Pin ausgebildet ist, der konzentrisch zu der Spuleneinrichtung, als ein axial bewegliches translatorisches Betätigungselement geführt ist. Dabei kann ein Permanentmagnetmittel als eine Permanentmagnetscheibe ausgebildet sein, die an einem dem Eingriffsbereich entgegengesetzten Endbereich des Aktuator-Pins angeordnet ist. Dabei sind vorzugsweise die Spuleneinrichtung und das Stellelement von einem Gehäuse aufgenommen, in dem die Permanentmagnetmittel in einem ersten Gehäuseabschnitt, das die Spuleneinrichtung umgibt, und das Stellelement in einem zweiten Gehäuseabschnitt geführt sind.
Erfindungsgemäß sind die Gehäuseabschnitte und/oder Abschnitte der Spulen- einrichtung den Abmessungen des nicht-magnetisierbaren Isolierstücks derart angepasst bzw. daran Ausnehmungen ausgebildet, so dass ein ungehinderter Laufweg des Aktuators mit der Permanentmagnetscheibe innerhalb der Gehäuseabschnitte gewährleistet ist und eine bauraumsparende Konstruktion erreicht ist. Weiterhin kann eine Ausnehmung auch als Anschlag zur Begrenzung eines Stellweges des Stellelementes fungieren.
Eine solche Stellvorrichtung ist besonders für Stellaufgaben in mobilen Anwendungsbereichen mit begrenzter Energieversorgung geeignet, da sich hier die Energie- und Kosteneinsparung durch die lediglich zum Abstoßen bzw. Anzie- hen des Permanentmagneten erforderlichen relativ kurzen Stromimpulse besonders vorteilhaft auswirkt. Im Kraftfahrzeugbereich lässt sich mit dieser translatorischen Stellvorrichtung eine besonders einfache und stabile, mit kurzen Stellzeiten ansteuerbare variable Nockeneinstellung realisieren.
Die Erfindung ist jedoch weder auf variable Nockeneinstellungen für Kraftfahrzeug - Ventiltriebe noch auf translatorische Stellaufgaben im Allgemeinen beschränkt. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße magnetische Entkoppelung zwischen Stellglied bzw. Stellelement und Permanentmagnetmitteln in einer elektromagnetischen Stellvorrichtung auch auf Konstruktionen mit anderen Bewegungsabläufen, beispielsweise mit rotatorischen Stellwegen, vorteilhaft anwendbar.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Entkoppelungsmittel als ein Kunst- stoff-Umsphtzteil ausgebildet ist, das den Endbereich des Aktuator-Pins umgreift. Durch eine Kunststoffumsphtzung des Aktuator-Pins im Bereich der Permanentmagnetmittel wird eine besonders kostengünstige, gewichtssparende und effektive magnetische Entkopplung erreicht. Durch einen Kragen, an dessen Innenwand ein Innenring angeformt ist, der in eine an dem Aktuator-Pin, benachbart zu dem Innenring, ausgebildete umlaufende Nut eingreift, kann das Kunststoff-Umsphtzteil sicher an dem Aktuator-Pin fixiert werden.
Wird eine Permanentmagnetscheibe als Permanentmagnetmittel eingesetzt, kann diese, mit einer zentralen Bohrung versehen, einfach auf einem Mittenab- schnitt der Kunststoffumsphtzung angeordnet, beispielsweise passend aufgesteckt sein, die von beidseitigen Kragen, an denen die Permanentmagnetscheibe flächig an den Innenwänden der Kragen anliegt, begrenzt wird. Dadurch wird die Permanentmagnetscheibe sicher an dem Stellelement fixiert und gleichzeitig von diesem effektiv magnetisch entkoppelt.
Das derart ausgebildete Umsphtzteil ist besonders vorteilhaft für ein Magnetscheibenpaket einsetzbar, bei dem der Permanentmagnetscheibe beidseitig anliegende, magnetisch leitende Scheiben zugeordnet sind, die dann von den Kragenteilen axial eingefasst sind. Diese Leitscheiben fungieren gleichzeitig als mechanischer Schutz der Permanentmagnetscheibe bei den Abstoßungsbewegungen und bei den Anfahrbewegungen an die Spulenvorrichtung im Stellbetrieb sowie als Mittel zur Verbesserung des magnetischen Flusses wie bereits eingangs erläutert. Für eine weitere Verbesserung des mechanischen Schutzes der Permanentmagnetscheibe kann noch ein Schutzring aus Kunststoff vorge- sehen sein, der die Permanentmagnetscheibe und gegebenenfalls zusätzlich eine oder beide Leitscheiben des Scheibenpaketes um seinen Außenrand ein- fasst und kapselt.
Grundsätzlich ist eine Verbesserung des magnetischen Flusses und ein Anschlagschutz auch schon mit einem einseitig angeordneten magnetisch leitenden Element erreichbar, dass im Bereich zwischen dem Permanentmagnetmittel und einer Anschlagfläche der Spuleneinrichtung, an der das Permanentmagnetmittel magnetisch haftet, positioniert ist.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine einfache und kostengünstige elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer permanentmagnetischen Haltevorrichtung hergestellt werden kann, die einen sicheren und verschleißarmen Stellbetrieb ermöglicht.
Weiterhin geht die Erfindung demnach aus von einem Verfahren zur Herstellung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung, beispielsweise für eine variable Nockenwellensteuerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, mit einer Spuleneinrichtung, im Wesentlichen bestehend aus einem Kern aus ei- nem magnetischen Material, der von einer Spule umschlossen ist, und mit einem relativ zu der Spuleneinrichtung beweglich angeordneten Stellelement mit einem endseitig verschleißfest ausgebildeten Eingriffsbereich, bei der das Stellelement über eine Bestromung der Spuleneinrichtung mit einer Betätigungskraft beaufschlagbar ist, wobei an dem Stellelement Permanentmagnetmittel ange- ordnet sind, die das Stellelement in unbestromtem Zustand der Spuleneinrichtung an der Spuleneinrichtung magnetisch halten. Zudem ist vorgesehen, dass das Stellelement von den Permanentmagnetmitteln mittels einer Kunststoffum- sphtzung, die ein Kunststoff- U msphtztei I bildet, magnetisch entkoppelt wird. Durch eine Kunststoffumspritzung kann bei der Herstellung einer Stellvorrichtung auf einfache und kostengünstige Weise ein Stellelement von daran angeordneten Permanentmagnetmitteln magnetisch isoliert werden. Dabei kann ein durch die Umsphtzung ausgebildetes Umsphtzteil leicht an die jeweilige Kon- struktion von Stellelement und Permanentmagnetmitteln angepasst werden, welches somit sehr flexibel einsetzbar ist. Folglich können bei der Herstellung der Stellvorrichtung auch Stellelemente aus magnetisierbaren Werkstoffen in für die elektromagnetische Ansteuerung des Stellelementes unschädlicher Weise zur Verwendung gelangen. Dadurch können insbesondere bei der Erzeugung eines verschleißfesten Eingriffbereiches des Stellelements Kosten eingespart werden.
Besonders kostengünstig ist es, den Umspritzprozess mit einem häufig ohnehin vorgesehenen Arbeitsvorgang, bei dem die Permanentmagnetmittel zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen im Stellbetrieb umfänglich mit einer Kunststoffumspritzung ei ngefasst werden, zu verbinden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung an einer Ausführungsform näher erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt einer elektromagnetischen Stell- Vorrichtung, und
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Stellelementes der Stellvorrichtung mit einer Vorrichtung zur magnetischen Entkoppelung. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die in Fig. 1 gezeigte Stellvorrichtung ist als ein Aktuator 1 für ein (nicht dargestelltes) variables Nockenschaltsystem eines Ventiltriebs eines Kraftfahrzeug - Verbrennungsmotors ausgebildet. Die Bauweise einer solchen Stellvorrichtung ist an sich aus der eingangs erwähnten WO 2003 021 612 A1 bekannt.
Der Aktuator 1 umfasst im Wesentlichen ein kolbenförmiges Stellelement 2, das als ein Aktuator-Pin mit einem endseitigen Eingriffsbereich 3 ausgebildet ist sowie eine Spuleneinrichtung 4. Diese weist einen Kern 5 aus einem magnetischen Material, beispielsweise Eisen, auf, der von einer bestrombaren Spule 6 umgeben ist. Die Spuleneinrichtung 4 ist in einem zylindrischen Gehäuseabschnitt 8 eines Gehäuses 7 aufgenommen. An den Gehäuseabschnitt 8 schließt sich ein hülsenförmiger Gehäuseabschnitt 9 an, in dem der Aktuator-Pin 2 axial beweglich geführt ist.
An dem dem Eingriffsbereich 3 abgewandten Ende des Aktuator-Pins 2 ist ein Scheibenpaket 10 angeordnet, das als ein Kolben in dem zylindrischen Gehäuseabschnitt 8 geführt ist. Das Scheibenpaket 10 umfasst eine Permanentmag- netscheibe 1 1 , die von einem Kunststoff ring 12 eingefasst ist. Beidseitig der Permanentmagnetscheibe 1 1 sind zwei magnetisch leitende Scheiben 13 und 14, beispielsweise aus Eisen, angeordnet.
Ein axialer Stellweg des Aktuator-Pins 2 wird auf der der Spuleneinrichtung 4 abgewandten Seite des Scheibenpaketes 10 von einer Anschlagfläche 15 des Gehäuseabschnitts 9 und auf der der Spuleneinrichtung 4 zugewandten Seite des Scheibenpaketes 10 von einer Anschlagfläche 16 des Kerns 5 begrenzt. Weiterhin weist der Kern 5 eine zentrische Bohrung 17 auf, in der ein als Schraubendruckfeder ausgebildetes Federmittel 18 geführt ist. Über die Feder 18 ist der Aktuator-Pin 2 mit einer axialen Stellkraft in Richtung aus dem Hülsenabschnitt 9 heraus beaufschlagbar.
Das Scheibenpaket 10 ist mit einer zentralen Bohrung 27 (Fig. 2) auf einem erfindungsgemäßen magnetischen Entkoppelungsmittel 20 des Aktuator-Pins 2 aufgenommen. Das Entkoppelungsmittel 20 ist in einem Kunststoffumsphtzver- fahren als ein Kunststoff- U mspritztei I 20 (in der Fig. 1 vereinfacht dargestellt) hergestellt, welches das Ende des Aktuator-Pins 2 umfasst, das Scheibenpaket 10 trägt und dieses zur Oberfläche des Aktuator-Pins 2 beabstandet, so dass kein direkter Kontakt zwischen der Permanentmagnetscheibe 1 1 und dem Aktuator-Pin 2 besteht.
Die Fig. 2 zeigt das Kunststoff- U mspritztei I 20 im Detail. An seinem dem Eingriffsbereich 3 abgewandten Ende weist der Aktuator-Pin 2 einen verjüngten Fortsatz 19 auf, der von dem Umspritzteil 20 umfasst wird. Ein Mittenabschnitt 21 des Umspritzteils 20 trägt das Scheibenpaket 10, wobei die Bohrung 27 der Scheiben 1 1 , 13 und 14 entsprechend einer Wandstärke des Mittenabschnitts 21 gegenüber einem Durchmesser des Fortsatzes 19 vergrößert ist. Zusätzlich ist das Scheibenpaket 10 beidseitig von an dem Umspritzteil 20 angeformten bzw. mit diesem verbundenen Kragenteilen 22, 23 eingefasst und fixiert. Somit ist das Scheibenpaket 10 von der Oberfläche des Aktuator-Pins 2 vollständig isoliert.
Das dem Ende des Aktuator-Pins 2 abgewandte innere Kragenteil 23 weist einen axial übergreifenden Rand 24 auf, an dem ein Innenring 25 ausgebildet ist, der in eine an dem Aktuator-Pin 2 ausgebildete benachbarte Nut 26 eingreift, wodurch das Umspritzteil 20 mit dem Aktuator-Pin 2 fest verbunden ist. Der axial gegenüberliegende äußere Kragen 22 schließt das Scheibenpaket 10 in das Umsphtzteil 20 ein und den Aktuator-Pin 2 nach außen zum Ende hin ab. Als Schutz vor mechanischer Beanspruchung ist die Permanentmagnetscheibe 11 von dem Kunststoffring 12 umrandet, der sich zusätzlich über den Rand der abschließenden Scheibe 13 erstreckt.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des Aktuators 1 erläutert:
In stromlosem Zustand wird das Scheibenpaket 10 durch die Magnetkraft der Permanentmagnetscheibe 1 1 an der Spuleneinrichtung 4 gehalten. Dabei liegt die zum Kern 5 benachbarte Scheibe 13 des Scheibenpaketes 10 flächig plan an der Anschlagfläche 16 des Kerns 5 an. Die magnetische Haltekraft übersteigt dabei eine Vorspannkraft der Druckfeder 18. Die Feldlinien des Permanentmagnetfeldes (nicht dargestellt) laufen dabei durch das Scheibenpaket 10 und den Spulenkern 5, wegen des magnetisch entkoppelnden Umspritzteils 20 jedoch nicht durch den Aktuator-Pin 2, insbesondere nicht durch dessen Eingriffsbereich 3, auch wenn dieser aus einem magnetisierbaren Material besteht.
Bei einer Bestromung der Spuleneinrichtung 4 wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, dessen Feldlinien durch den Spulenkern 5 und die Anschlagfläche 16 umlaufen. Im Bereich zwischen der Anschlagfläche 16 und der Leitscheibe 13 verlaufen die Feldlinien des elektromagnetischen Feldes annähernd parallel zu dem Scheibenpaket 10 und verdrängen das Magnetfeld des Permanentmagneten 1 1 , so dass die Permanentmagnetscheibe 1 1 von dem Kern 5 abge- stoßen wird und das Scheibenpaket 10 sich von der Anschlagfläche 16 löst, sobald die Abstoßungskraft die Haltekraft übersteigt. Dies kann durch einen entsprechenden Stromimpuls auf die Spule 6 realisiert werden. Der dadurch abgestoßene Aktuator-Pin 2 wird, unterstützt durch die Axialkraft der Feder 18, von der Spuleneinrichtung 4 weggedrückt, sodass er aus der Hülse 9 herausgeführt wird und seine Stellaufgabe verrichtet.
Durch Anlegen eines Gegenfeldes bzw. eines Gegenimpulses, gegebenenfalls unterstützt durch eine externe axiale Beaufschlagung in umgekehrter Richtung, kann der Aktuator-Pin 2 wieder in seine Ausgangsposition zurückgefahren werden, bis das Scheibenpaket 10 erneut an dem Anschlag 16 anliegt und magnetisch gehalten wird.
Bezugszeichenliste
1 Aktuator
2 Stellelement, Aktuator-Pin 3 Eingriffsbereich
4 Spuleneinrichtung
5 Kern
6 Spule
7 Gehäuse 8 Spulen - Gehäuseabschnitt
9 Stellelement - Gehäuseabschnitt
10 Scheibenpaket
11 Permanentmagnetmittel, Permanentmagnetscheibe
12 Schutzring, Schutzeinfassung 13 Magnetisch leitendes Element, Leitscheibe
14 Magnetisch leitendes Element, Leitscheibe
15 Gehäuse-Anschlagfläche
16 Kern - Anschlagfläche
17 Kern - Bohrung 18 Federmittel, Schraubendruckfeder
19 Stellelement - Fortsatz
20 Entkoppelungsmittel, Kunststoff-Umspritzteil
21 Mittenabschnitt
22 Äußeres Kragenteil 23 Inneres Kragenteil
24 Kragenteil - Rand
25 Kragenteil - Innenring
26 Stellelement - Nut
27 Scheiben - Bohrung

Claims

Patentansprüche
1. Elektromagnetische Stellvorrichtung, beispielsweise für eine variable Nockenwellensteuerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeu- ges, mit einer Spuleneinrichtung (4), im Wesentlichen bestehend aus einem Kern (5) aus einem magnetischen Material, der von einer Spule (6) umschlossen ist, und mit einem relativ zu der Spuleneinrichtung (4) beweglich angeordneten Stellelement (2) mit einem endseitig verschleißfest ausgebildeten Eingriffsbereich (3), bei der das Stellelement (2) über eine Bestromung der Spuleneinrichtung (4) mit einer Betätigungskraft beaufschlagbar ist, wobei an dem Stellelement (2) Permanentmagnetmittel (1 1 ) angeordnet sind, über die das Stellelement (2) in unbestromtem Zustand der Spuleneinrichtung (4) an der Spuleneinrichtung (4) magnetisch gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass Entkoppelungsmittel (20) vorgesehen sind, über die das Stellelement (2) zumindest im Eingriffsbereich (3) von den Permanentmagnetmitteln (11 ) magnetisch entkoppelt ist.
2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Entkoppelungsmittel (20) als ein nicht-magnetisierbares Isolierstück zwischen den Permanentmagnetmitteln (11 ) und dem Stellelement (2) ausgebildet ist.
3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (2) als ein lang gestreckter zylindrischer Aktuator-
Pin ausgebildet ist, der konzentrisch zu der Spuleneinrichtung (4), als ein axial bewegliches translatorisches Betätigungselement geführt ist.
4. Stellvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Permanentmagnetmittel (1 1 ) als eine Permanentmagnetscheibe ausgebildet ist, die an einem dem Eingriffsbereich (3) entgegengesetzten Endbereich des Stellelementes (2) angeordnet ist.
5. Stellvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinrichtung (4) und das Stellelement (2) von einem Gehäuse (7) aufgenommen sind, wobei in einem ersten Gehäuseabschnitt (8) mit der Spuleneinrichtung (4) die Permanentmag- netmittel (1 1 ) geführt sind, und in einem zweiten, sich daran axial anschließenden Gehäuseabschnitt (9), das Stellelement (2) geführt ist.
6. Stellvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in zu den Entkoppelungsmitteln (20) benachbar- ten Abschnitten der Bauteile des Gehäuses (7) und/oder der Spuleneinrichtung (4) Ausnehmungen zur Aufnahme der Entkoppelungsmittel (20) ausgebildet sind.
7. Stellvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkoppelungsmittel (20) als ein Kunststoff-
Umsphtzteil ausgebildet ist, welches den dem Eingriffsbereich (3) abgewandten Endbereich des Aktuator-Pins (2) umgreift.
8. Stellvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Umspritzteil (20) einen Kragen (23) aufweist, an dessen Innenwand ein Innenring (25) angeformt ist, der in eine an dem Aktuator- Pin (2), benachbart zu dem Innenring (25), ausgebildete umlaufende Nut (26) eingreift.
9. Stellvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Umspritzteil (20) einen von beidseitigen Kragen (22, 23) begrenzten Mittenabschnitt (21 ) aufweist, auf dem wenigstens die mit einer zentralen Bohrung (27) versehene Permanentmagnetscheibe (1 1 ) angeordnet ist.
10. Stellvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Permanentmagnetmittel (1 1 ) wenigstens einseitig ein magnetisch leitendes Element (13, 14) zugeordnet ist.
11. Stellvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnetscheibe (11 ) beidseitig anliegende, magnetisch leitende Scheiben (13, 14) zugeordnet sind, die zusammen mit der Permanentmagnetscheibe (11 ) ein zylinderförmiges Scheibenpaket (10) bilden.
12. Stellvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Permanentmagnetscheibe (1 1 ) radial außen von einem Schutzring (12) aus Kunststoff eingefasst ist.
13. Verfahren zur Herstellung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung, beispielsweise für eine variable Nockenwellensteuerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, mit einer Spuleneinrichtung (4), im Wesentlichen bestehend aus einem Kern (5) aus einem magnetischen Material, der von einer Spule (6) umschlossen ist, und mit einem relativ zu der Spuleneinrichtung (4) beweglich angeordneten Stellelement (2) mit einem endseitig verschleißfest ausgebildeten Eingriffsbereich (3), bei der das Stellelement (2) über eine Bestromung der Spuleneinrichtung (4) mit einer Betätigungskraft beaufschlagbar ist, wobei an dem Stellelement (2) Permanentmagnetmittel (1 1 ) angeordnet sind, die das Stellelement (2) in unbestromtem Zustand der Spuleneinrichtung (4) an der Spuleneinrichtung (4) magnetisch halten, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (2) von den Permanentmagnetmitteln (1 1 ) mittels einer Kunststoffumsphtzung, die ein Kunststoff-Umsphtzteil (20) bildet, magnetisch entkoppelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel (1 1 ) mit einer umfänglichen Kunststoffumsphtzung, die eine mechanische Schutzeinfassung (12) bildet, versehen werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffumsphtzung zur Bildung der magnetischen Entkoppelung des Stellelementes (2) und die Kunststoffumsphtzung zur Bildung der mechanischen Schutzeinfassung (12) der Permanentmagnetmittel (1 1 ) im Rahmen eines zusammenhängenden Arbeitsprozesses erfolgt.
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