WO2011026553A1 - Bistabile elektromagnetische stellvorrichtung - Google Patents

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WO2011026553A1
WO2011026553A1 PCT/EP2010/004890 EP2010004890W WO2011026553A1 WO 2011026553 A1 WO2011026553 A1 WO 2011026553A1 EP 2010004890 W EP2010004890 W EP 2010004890W WO 2011026553 A1 WO2011026553 A1 WO 2011026553A1
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permanent magnet
armature
coil unit
magnet means
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PCT/EP2010/004890
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Thomas Golz
Thomas Schiepp
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Eto Magnetic Gmbh
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    • F01L13/0036—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction
    • F01L2013/0052—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction with cams provided on an axially slidable sleeve
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    • H01F2007/1669—Armatures actuated by current pulse, e.g. bistable actuators

Definitions

  • the present invention relates to a bistable electromagnetic actuator according to the preamble of the main claim. Such a device is well known in the art.
  • Electromagnetic actuators in the form of actuators are used for a variety of control purposes, such as for the adjustment of a camshaft between different engagement positions in motor vehicles.
  • conventional actuators which are typically realized with a retraction anchor, have a single stable position (setting position) in which the anchor is usually held by a spring.
  • the coil unit In order to achieve a second setting position, the coil unit is subjected to a voltage application, with the effect that the spring force of the spring is overcome and the armature is moved into the second setting position.
  • the coil unit In such (monostable) actuators, the coil unit must be permanently energized to hold the anchor permanently in the second position, so that monostable solutions due to energy consumption are not or only limited for applications where the actuator is often in the second Parking position is.
  • bistable actuators are known from the prior art, in which the second setting position can be achieved by a time-limited (typically pulse-shaped) energization of the coil unit and then the armature in this position remains currentless (relative to the coil energization) stably ,
  • a time-limited (typically pulse-shaped) energization of the coil unit and then the armature in this position remains currentless (relative to the coil energization) stably
  • An example of such a known device is shown in DE 201 14 466 U1.
  • Object of the present invention is therefore to provide a bistable electromagnetic actuator which allows energetically favorable and with short switching times, the movement of the armature unit between the two parking positions, wherein both the movement of the armature unit from the first to the second control position, as well as the moving from the second setting position into the first setting position quickly, without external mechanical influence on the armature unit (by an actuating partner) and with minimization of switching times and energy expenditure to be made possible.
  • bistable electromagnetic actuator with the features of the main claim; advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
  • the (stationary) coil unit in the axial (movement) direction is assigned on both sides to permanent magnet means at the armature, which act and are poled in such a way that, in response to a (impulse-shaped, in particular temporally limited to the movement process) DC signal, the armature movement takes place in the manner of a switching operation.
  • a first permanent magnet of the permanent magnet means is attracted to the armature of the coil unit (according to a preferred embodiment: a magnetically effective combination of coil unit and stationary core area axially surrounding a central region of the armature), while simultaneously, opposite to the coil unit, the electromagnetic Repulsion of a second permanent magnet at the anchor takes place.
  • the coil unit is to be energized so that the repulsive effect on the permanent magnet adhering to the core region exceeds the permanent magnetic adhesive force;
  • the permanent magnetic attraction by the (axially opposite) further permanent magnet is effective.
  • the armature unit is elongated to realize this basic functionality and has a central shaft portion, which extends in accordance with preferred embodiments of the invention through the coil unit or the stationary core area and at both ends a permanent magnet, each more preferably in disk form, realized and optionally provided with further magnetically conductive elements for flow guidance. It is particularly preferred to form such an arrangement radially symmetrical, so that then within a cylindrical space, the adjusting device can be formed, wherein, based on a reduced diameter central shaft portion, each end ansitzenden permanent magnets are increased in diameter.
  • the armature unit for realizing the engagement means frontally (one or both ends) on a preferably flat surface (anchor end face) on which then sits a plunger unit and is moved with the armature unit; this ram unit is then for cooperation with an actuator (aggregate), e.g. a camshaft for the adjustment formed.
  • an actuator e.g. a camshaft
  • such an engagement-side ram unit not to be firmly connected to the Kerkerü to connect, but to effect a detachable connection.
  • the present invention makes it possible for such a metallic ram unit to be magnetically adhered to an anchor end face by means of the permanent magnetic adhesive force of the permanent magnet means, insofar as a detachable connection is possible. It is also possible according to training and provided to form a plurality of such plunger, which can be guided not only axially or axially parallel to the direction of movement, but also skew or otherwise.
  • the plunger unit is intended to form the plunger unit not exclusively of magnetic or magnetically conductive material; Rather, it is useful for applications in which on the one hand the described releasable adhesive action between armature unit and ram unit to be achieved, on the other hand, however, the unwanted adhesion of metallic abrasion in the control range is to be avoided on the plunger unit, meaning the armature unit opposite engagement region of the plunger unit to realize a non-magnetic material, which further training in terms of its hardness, toughness or the like. for interaction with the intervention partner (eg the camshaft) can be optimized by suitable material treatment.
  • the intervention partner eg the camshaft
  • both sections (magnetically on the one hand for adhering to or on the armature end face, non-magnetic grip for an aggregate on the other hand) realize as a permanently connected unit, where they od particular connection methods such as sintering, friction welding .dgl. to offer.
  • it is also to support the movement of the armature unit (in one or both directions of the movement longitudinal axis) by a spring action.
  • a spring eg compression spring
  • inwards ie in the movement space between the core region and the permanent magnet
  • outwardly approximately surrounding a ram unit
  • a further preferred embodiment of the invention provides for the bistable actuating device before a housing, which takes over, consisting of magnetically conductive material, tasks of the flux conduction of the magnetic flux and insofar extends parallel to the longitudinal axis of movement preferably between the setting positions of the both sides provided on the armature unit permanent magnets.
  • the housing by means of at least one bow-shaped housing element, advantageously not the housing circumferentially around the permanent magnet means extends, but here only legs of a further preferred U (alternatively L) -shaped element are provided. If a pair of such brackets, axially aligned along respective openings for guiding the armature (more precisely: the shaft portion between the permanent magnets), then interleaved against each other, creates an easy to install, mechanically stable and magnetically effective housing construction.
  • the erfindunssiee bistable electromagnetic actuator as a tristable electromagnetic Stellvor- direction, which is to fall within the scope of the invention, the term "unstable” as a special education under the general term “bistable”.
  • the invention is encompassed by the invention according to a preferred development, not (only) two stable states by means of the inventive device. but to enable a third stable state in addition. According to training in the context of the invention, this is done by a third (preferably stable) center position along the longitudinal axis of movement of the armature unit can be stably occupied by the device, more preferably characterized in that also here (ie without energizing the coil unit) the armature in this position remains.
  • this tristillability-inducing position is achieved by the permantent magnet means of the armature unit, which are advantageously provided at both ends, cooperating with a (central) stationary core area in such a way that none of the permanent magnet units adhere to the core unit due to opposing attractive forces one (preferably the same) distance from the core unit, with the result that the armature unit occupies the stable third setting position in the middle between the end-side parking positions.
  • the armature unit can be moved into this third setting position by (once) pulse-shaped energization, whereby a further (one-time) pulse, in one or the other direction, is triggered by energizing pulses of corresponding polarity.
  • a further (one-time) pulse in one or the other direction, is triggered by energizing pulses of corresponding polarity.
  • it has proven to be favorable to keep the stable end position either de-energized or by means of an AC signal for the coil unit (or even to reach in the first place).
  • the putreliunsze advantageous tristability then allows completely new applications and control tasks, especially those in which then selectively an anchor unit along a longitudinal movement axis can be spent in one of three separate, each stable positions, wherein advantageously and further education, at least two of these, more preferably all three, each without current are stable.
  • advantageously and further education at least two of these, more preferably all three, each without current are stable.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of the bistable electromagnetic actuating devices according to a first embodiment of the invention, wherein the armature is in a first parking position on the left;
  • FIG. 2 a representation analogous to FIG. 1 with the armature extended into the second setting position (right); FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through the devices of Figures 1, 2 in the de-energized state of the coil unit and in the first parking position on the left.
  • FIG. 4 a representation analogous to FIG. 3 at the beginning of the energization of the coil unit and before a movement into the second setting position;
  • Fig. 5 is a perspective view of a bow-shaped housing unit with a pair of legs;
  • FIG. 6 shows an arrangement of two nested housing bars (FIG. 5) with an anchor unit guided therein and a mounted coil unit; various views of the anchor end face (s) of the device of Figure 6 to illustrate the interaction with one or more plunger units.
  • FIG. 11 shows a variant of a spring insert between core region and permanent magnet armature disk;
  • Fig. 12 a longitudinal section through a bistable electromagnetic
  • Fig. 13 a view analogous to FIG. 12, but with an additional energization of the coil unit, through which then the (center) equilibrium of FIG. 12 dissolved and the anchor unit can be brought into an end position.
  • FIGS. 1 to 4 illustrate the essential functional components for realizing the bistable electromagnetic actuator according to a first preferred embodiment, including sketched field progressions:
  • An anchor unit consisting of an armature shaft 10, both sides ansitzenden permanent magnet discs 12 and 14, the permanent magnet discs each axially outwardly final armature discs 16th , 18 and the permanent Magnetic discs 12, 14 axially inward limiting inner discs 20, 22 is guided axially displaceably in a stationary core assembly 24.
  • the core unit 24 cooperates with a coil unit 26 which (see in particular the sectional views of FIGS. 3, 4) is arranged surrounding the shaft region 10. Radially shell side, the arrangement is enclosed by a stationary housing shell 30th
  • FIG. 2 illustrates the reverse, axially displaced state of the armature (second setting position).
  • Figures 3 and 4 illustrate in this context the effect of the permanent magnet or a Bestromungsimpulses the coil:
  • Figure 3 corresponding to the position of Figure 1, illustrates the permanent magnetic field of the disc-shaped permanent magnets 12, 14 (axially magnetized in the manner shown), wherein the magnetic circuit is closed via the disks 16, 20 or 18, 22 and the enclosing housing or shaft 10.
  • FIGs 5, 6 illustrate how the housing 30 can be made in an elegant manner of bow-shaped elements space and effort saving; More specifically, a U-shaped stirrup member 34 shown in Figure 5 is formed of a pair of legs 36 (these extend, as shown in Figure 6, parallel to the axial direction of travel) and a central portion 38 which is both legs 36 connects. The central portion 38 has a central opening 39 through which the shaft portion 10 of the armature can move.
  • FIG. 6 illustrates how, in an interleaved fashion, a pair of housing elements 34 form the housing for the actuator and enclose the core or coil area 24, 26, while seated on the shaft 10 at the end, the respective disc-shaped permanent magnets with associated inner or inner Anchor disks, between the respective pairs of legs 36, can be guided outwards.
  • an outer face of the armature disks 17 or 18 offers different possibilities for driving ram elements (ram units) 40 seated thereon.
  • at least one plunger element 40 (alternatively also two or more, see the figures 8, 9, wherein the figure 9 also carries in the opposite direction a plunger element) by means of magnetic adhesive force, characterized in that the plunger element 40 of magnetic Mate - Rial of the permanent magnet 12 and 14 is held on the respective flat end face (this can be parallel to the axis, centric, alternatively also skewed, depending on the configuration).
  • the tappet unit shown in elongated cylindrically is formed from a plurality of axially adjoining sections;
  • a section which engages on the outer surface of the armature disk is preferably magnetic in order to achieve the advantageous releasable adhesive effect.
  • Figures 10 and 11 illustrate ways in which, based on the configuration of Figures 1 and 2, one or two compression springs 50, 52 (from the outside) and 54 (between the core and inner disc 20, 22) force-enhancing, damping or on other, otherwise known manner can be used.
  • FIGS 12 and 13 illustrate a second embodiment of the present invention, wherein like reference numerals with the first embodiment in this regard denote identical or equivalent functional components.
  • FIG. 12 illustrates the slightly different structural design of the armature unit, in which case the central shaft region 10 has additionally been supplemented by permanent-magnetically flux-conducting sections 60 which likewise allow a flux-guiding action via the surrounding housing 30 as disks 62.
  • the closed thin arrowheads 66 illustrate a permanent magnetic flux, symmetrically in the manner shown in FIG. 12, which holds the anchor unit in a central position between both end positions, as in connection with FIG described first embodiment, allows. More specifically, two permanent magnetic force arrows shown in FIG.
  • This intermediate state can be achieved by pulsing the coil unit for a short time in order to bring the armature unit into this state, in which case the energizing is terminated before a stop takes place at the opposite end.
  • the now possible energization as produced by a pulse and according to the arrow 70, produces a repulsive effect in the left-hand area in the figure (insofar as the left-hand arrow is enlarged in relation to the right), with the effect that that, in response to the current pulse, the armature moves to the right end position from the stable center position.
  • the present invention is particularly suitable for forming a camshaft adjustment, so that the use for the purpose of the camshaft adjustment of an internal combustion engine is claimed as belonging to the present invention.
  • the present invention is not limited thereto. Rather, the present invention is suitable for any setting purpose, which allows or uses a bistable electromagnetic locations.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer relativ zu einer stationären Spuleneinheit (26) und als Reaktion auf eine Bestromung derselben entlang einer Bewegungslängsachse zwischen mindestens zwei Stellpositionen bewegbaren Ankereinheit (10, 12, 14, 16, 18, 20, 22), die ein- oder beidends Eingriffsmittel (40) zum Zusammenwirken mit einem nachgeschalteten, zu stellenden Aggregat aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ankereinheit in der Richtung der Bewegungslängsachse beidseits der Spuleneinheit Permanentmagnetmittel (12, 14) aufweist, die zum Zusammenwirken mit einem der Spuleneinheit zugeordneten stationären Kernbereich (24) so ausgebildet sind, dass als Reaktion auf die Bestromung der Spuleneinheit mit einem Gleichspannungssignal einer ersten Polarität die Ankereinheit in eine erste, bevorzugt endseitige und stromlos stabile der Stellpositionen verbracht wird und als Reaktion auf die Bestromung der Spuleneinheit mit einem Gleichspannungssignal einer zweiten Polarität die Ankereinheit in eine der ersten Stellposition axial entgegengesetzten zweite, bevorzugt endseitige und stromlos stabile der Stellpositionen verbracht wird.

Description

Bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.
Elektromagnetische Stellvorrichtungen in Form von Akuatoren werden für verschiedenste Stellzwecke benutzt, so etwa für das Verstellen einer Nockenwelle zwischen verschiedenen Eingriffspositionen bei Kraftfahrzeugen. Dabei verfü- gen konventionelle Aktuatoren, welche typischerweise mit einem Einzugsanker realisiert sind, über eine einzelne stabile Lage (Stellposition), in welcher der Anker üblicherweise von einer Feder gehalten ist. Um eine zweite Stellposition zu erreichen, erfolgt eine Spannungsbeaufschlagung der Spuleneinheit, mit der Wirkung, dass die Federkraft der Feder überwunden wird und der Anker in die zweite Stellposition verbracht wird. Bei derartigen (monostabilen) Stellvorrichtungen muss die Spuleneinheit permanent mit Spannung beaufschlagt werden, um den Anker dauerhaft in der zweiten Stellposition zu halten, so dass sich monostabile Lösungen aufgrund des Energieverbrauchs nicht oder nur begrenzt für Anwendungsfälle eignen, bei welchen der Aktuator häufig in der zweiten Stellposition steht.
Aus dem Stand der Technik sind daher auch sogenannte bistabile Aktuatoren bekannt, bei welchen die zweite Stellposition durch eine zeitlich begrenzte (typischerweise impulsförmige) Bestromung der Spuleneinheit erreicht werden kann und dann der Anker in dieser Position stromlos (bezogen auf die Spulen- bestromung) stabil verbleibt. Ein Beispiel für eine derartige bekannte Vorrichtung zeigt die DE 201 14 466 U1.
Allerdings ist bei diesem Stand der Technik das Zurückstellen, d.h. das Bewe- gen des Ankers von der zweiten Stellposition zurück in die erste (Ausgangs- )Stellposition, problematisch und wird durch den externen Stellpartner (das zu stellende Aggregat) bewirkt; dies ist jedoch nicht immer möglich oder praktikabel. Darüber hinaus besteht im Hinblick auf den Energieverbrauch im Schaltvorgang sowie wirksame Schaltzeiten Verbesserungsbedarf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung zu schaffen, welche energetisch günstig und mit kurzen Schaltzeiten das Bewegen der Ankereinheit zwischen den zwei Stellpositionen ermöglicht, wobei sowohl das Bewegen der Ankereinheit von der ersten in die zweite Stellposition, als auch das Bewegen von der zweiten Stellposition in die erste Stellposition schnell, ohne externen mechanischen Einfluss auf die Ankereinheit (durch einen Stellpartner) und unter Minimierung von Schaltzeiten und Energieaufwand ermöglicht werden soll.
Die Aufgabe wird durch die bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind der (stationären) Spuleneinheit in axialer (Bewegungs-)Richtung beidseits Permanentmagnetmittel am Anker zu- geordnet, die so wirken und gepolt sind, dass als Reaktion auf ein (impulsförmi- ges, also zeitlich insbesondere auf den Bewegungsvorgang beschränktes) Gleichspannungssignal die Ankerbewegung in der Art eines Schaltvorgangs erfolgt. Dabei wird gemäß bevorzugter Weiterbildung ein erster Permanentmagnet der Permanentmagnetmittel am Anker von der Spuleneinheit (gemäß bevorzugter Ausführungsform: einer axial einen Mittenbereich des Ankers umgebenden, magnetisch wirksamen Kombination aus Spuleneinheit und stationärem Kernbereich) angezogen, während gleichzeitig, gegenüberliegend bezogen auf die Spuleneinheit, die elektromagnetische Abstoßung eines zweiten Permanentmagneten am Anker erfolgt. Entsprechend ist in sehr wirksamer Weise ein bistabiles, im Hinblick auf das Schalt- und Bewegungsverhalten symmetrisches Antreiben des Ankers bei optimierten Schaltzeiten ermöglicht. Energetisch ist die Spuleneinheit so zu bestromen, dass die Abstoßungswirkung auf den am Kernbereich haftenden Permanentmagneten die permanentmagnetische Haftkraft übersteigt; zusätzlich wirksam ist die permanentmagnetische Anziehung durch den (axial gegenüberliegenden) weiteren Permanent- magneten.
In konstruktiv besonders geeigneter Weise ist zur Realisierung dieser prinzipiellen Funktionalität die Ankereinheit langgestreckt und weist einen mittigen Schaftabschnitt auf, welcher gemäß bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sich durch die Spuleneinheit bzw. den stationären Kernbereich erstreckt und beidends einen Permanentmagneten, jeweils weiter bevorzugt in Scheibenform, realisiert und ggf. mit weiteren magnetisch leitenden Elementen zur Flussführung versehen ist. Besonders bevorzugt ist es, eine solche Anordnung radialsymmetrisch auszubilden, so dass dann innerhalb eines zylindrischen Bauraums die Stellvorrichtung ausgebildet werden kann, wobei, bezogen auf einen im Durchmesser verringerten mittigen Schaftabschnitt, die jeweils endseitig ansitzenden Permanentmagneten im Durchmesser vergrößert sind.
Je nach konkreten Erfordernissen kann eine solche Vorrichtung axial mittig oder exzentrisch im Hinblick auf die Ankerführung ausgestaltet sein, denkbar sind auch andere, schräg geneigte Konfigurationen. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung bietet die Ankereinheit zur Realisierung der Eingriffsmittel stirnseitig (ein- oder beidends) eine bevorzugt plane Fläche (Ankerstirnfläche) an, auf welcher dann eine Stößeleinheit sitzt und mit der Ankereinheit bewegt wird; diese Stößeleinheit ist dann zum Zusammenwirken mit einem Stellpartner (Aggregat), z.B. einer Nockenwelle zu deren Verstellung, ausgebildet.
Besonders günstig und weiterbildungsgemäß bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, eine derartige eingriffseitige Stößeleinheit nicht fest mit der An- kereinheit zu verbinden, sondern eine lösbare Verbindung zu bewirken. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch das Vorsehen der Permanentmagnetmittel, dass etwa mittels der permanentmagnetischen Haftkraft der Permanentmagnetmittel eine solche metallische Stößeleinheit magnetisch haftend auf einer Ankerstirnfläche aufsitzt, insoweit eine lösbare Verbindung ermöglicht. Auch ist es weiterbildungsgemäß möglich und vorgesehen, eine Mehrzahl derartiger Stößel auszubilden, wobei diese nicht nur axial bzw. achsparallel zur Bewegungsrichtung, sondern auch windschief oder auf andere Weise geführt sein können.
Im Hinblick auf die konkrete konstruktive Realisierung und das Zusammenwirken einer solchen Stößeleinheit mit einem unterliegenden Permanentmagneten gilt die Offenbarung des deutschen Gebrauchsmusters 20 2008 008 142 der Anmelderin als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Anmeldung einbezo- gen.
Entsprechend weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, die Stößeleinheit nicht ausschließlich aus magnetischem bzw. magnetisch leitendem Material zu bilden; vielmehr ist es für Anwendungsfälle, bei welchen einerseits die beschrie- bene lösbare Haftwirkung zwischen Ankereinheit und Stößeleinheit erreicht werden soll, andererseits jedoch das unerwünschte Anhaften von metallischem Abrieb im Stellbereich an der Stößeleinheit vermieden werden soll, sinnvoll, den der Ankereinheit entgegengesetzten Eingriffsbereich der Stößeleinheit aus einem nicht-magnetischen Material zu realisieren, welches zudem weiterbil- dungsgemäß im Hinblick auf seine Härte, Zähigkeit od.dgl. zum Zusammenwirken mit dem Eingriffspartner (z.B. der Nockenwelle) durch geeignete Materialbehandlung optimiert werden kann. Im Rahmen weiterer bevorzugter Ausführungsbeispiele liegt es hier, beide Abschnitte (magnetisch einerseits zum Haften auf bzw. an der Ankerstirnfläche, nicht-magnetisch für einen Aggregatein- griff andererseits) als unlösbar verbundene Einheit zu realisieren, wobei sie hier insbesondere Verbindungsverfahren wie Sintern, Reibschweißen od.dgl. anbieten. Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung liegt es ferner, die Bewegung der Ankereinheit (in eine oder beide Richtungen der Bewegungslängsachse) durch eine Federwirkung zu unterstützen. Dabei bietet es sich bevorzugt an, eine derartige Feder (z.B. Druckfeder) an der Ankerstirnfläche einends oder beidends abzustützen, wobei ein solches Abstützen sowohl nach innen (d.h. in den Bewegungsraum zwischen Kernbereich und Permanentmagnet), als auch nach außen (etwa eine Stößeleinheit umgebend) erfolgen kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht für die bistabile Stellvorrichtung ein Gehäuse vor, welches, bestehend aus magnetisch leitendem Material, Aufgaben der Flussleitung des magnetischen Flusses übernimmt und insoweit sich parallel zur Bewegungslängssachse bevorzugt zwischen den Stellpositionen der beidends an der Ankereinheit vorgesehenen Permanentmagnete erstreckt.
Aufgrund der günstigen magnetischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, zur einfachen Montage (und damit Verbesserung der Großserientauglichkeit) sowie zum Erreichen eines kompakten Bauraums ist es dabei bevorzugt, das Gehäuse mittels mindestens eines bügeiförmigen Gehäuseelementes zu realisieren, wobei sich vorteilhaft das Gehäuse nicht gesamt-umfänglich um die Permanentmagnetmittel erstreckt, vielmehr hier lediglich Schenkel eines weiter bevorzugt U- (alternativ L-)förmigen Elementes vorgesehen sind. Wird dann ein Paar derartiger Bügel, axial ausgerichtet entlang jeweiliger Durchbrüche zur Führung des Ankers (genauer: des Schaftabschnittes zwischen den Perma- nentmagneten), gegeneinander verschachtelt, entsteht eine leicht zu montierende, mechanisch stabile und magnetisch wirksame Gehäusekonstruktion.
Im Rahmen der Erfindung ist es zudem möglich, die erfindunsgemäße bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung als tristabile elektromagnetische Stellvor- richtung weiterzubilden, wobei im Rahmen der Erfindung der Begriff „instabil" als speziellere Ausbildung unter dem generellen Begriff „bistabil" fallen soll. Konkret ist es von der Erfindung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung um- fasst, nicht (nur) zwei stabile Zustände mittels der erfindungsgemäßen Vorrich- tung zu realisieren, sondern einen dritten stabilen Zustand zusätzlich zu ermöglichen. Weiterbildungsgemäß im Rahmen der Erfindung geschieht dies dadurch, dass eine dritte (bevorzugt stabile) Mittenposition entlang der Bewegungslängsachse der Ankereinheit durch die Vorrichtung stabil eingenommen werden kann, weiter bevorzugt dadurch, dass auch hier stromlos (d.h. ohne Bestro- mung der Spuleneinheit) der Anker in dieser Position verbleibt.
In bevorzugter Realisierung wird diese die tristabilität bewirkende Position dadurch erreicht, dass die vorteilhaft beidends endseitig vorgesehenen Perma- nentmagnetmittel der Ankereinheit jeweils so mit einem (mittleren) stationären Kernbereich zusammenwirken, dass durch einander entgegengesetzte Anziehungskräfte keine der Permanentmagneteinheiten an der Kerneinheit haftet, vielmehr beide in einem (bevorzugt gleichen) Abstand von der Kerneinheit stehen, mit der Folge, dass die Ankereinheit die stabile dritte Stellposition in der Mitte zwischen den endseitigen Stellpositionen einnimmt.
Bevorzugt und im Rahmen der Erfindung kann die Ankereinheit in diese dritte Stellposition durch (einmal-)impulsförmige Bestromung verbracht werden, wobei ein weiterer (Einmal-)impuls, in die eine oder andere Richtung, durch Bestromungsimpulse entsprechender Polarität ausgelöst werden. Alternativ und in der Praxis hat es sich als günstig herausgestellt, die stabile Endposition entweder stromlos oder mittels eines Wechselstromsignals für die Spuleneinheit zu halten (bzw. auch überhaupt erst zu erreichen). Die weiterbildunsgemäß vorteilhafte Tristabilität ermöglicht dann völlig neue Einsatzgebiete und Stellaufgaben, insbesondere solche, bei welchen dann gezielt eine Ankereinheit entlang einer Bewegungslängsachse in eine von drei voneinander abgegrenzten, jeweils stabilen Positionen verbracht werden kann, wobei vorteilhaft und weiterbildungsgemäß zumindest zwei von diesen, weiter bevorzugt alle drei, jeweils stromlos stabil sind. lm Ergebnis ermöglicht es damit die Erfindung, auf konstruktiv einfache und damit großserientaugliche Weise eine bistabile Stellvorrichtung zu realisieren, welche kurze Stellzeiten mit hoher Energieeffizienz im Betrieb kombiniert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
Fig. 1 : eine schematische Seitenansicht der bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtungen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei sich der Anker in einer ersten Stellposition links befindet;
Fig. 2: eine Darstellung analog Fig. 1 mit ausgefahrenem Anker in die zweite Stellposition (rechts);
Fig. 3: einen schematischen Längsschnitt durch die Vorrichtungen der Fig. 1 , 2 in unbestromtem Zustand der Spuleneinheit sowie in der ersten Stellposition links;
Fig. 4: eine Darstellung analog Fig. 3 zu Beginn der Bestromung der Spuleneinheit und vor einer Bewegung in die zweite Stellposition; Fig. 5: eine Perspektivansicht einer bügeiförmigen Gehäuseeinheit mit einem Paar von Schenkeln;
Fig. 6: eine Anordnung aus zwei ineinander verschachtelten Gehäusebügeln (Fig. 5) mit darin geführter Ankereinheit sowie montierter Spuleneinheit; verschiedene Ansichten der Ankerstirnfläche(n) der Vorrichtung gemäß Fig. 6 zum Verdeutlichen des Zusammenwirkens mit einer oder mehreren Stößeleinheiten; eine Darstellung analog Fig. 2 mit einem Paar von beidseits axial von außen auf die Ankerstirnflächen greifenden Federn; Fig. 11 : eine Variante eines Federeinsatzes zwischen Kernbereich und Permanentmagnet-Ankerscheibe;
Fig. 12: ein Längsschnitt durch eine bistabile elektromagnetische
Stellvorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausfüh- rungsform, wobei in dieser Ausführungsform, zum Beschreiben einer tristabilen Funktionalität sowie einer Möglichkeit für die Ankereinheit zum Erreichen einer stabilen mittleren Stellposition, geeignete magnetische Flusspfeile eingezeichnet sind, um insoweit den stromlos stabilen Zu- stand (samt zugehöriger permanentmagnetischer Kraftpfeile) zu verdeutlichen, und
Fig. 13: eine Ansicht analog der Fig. 12, jedoch mit einer zusätzlichen Bestromung der Spuleneinheit, durch welche dann das (Mitten-)gleichgewicht der Fig. 12 aufgelöst und die Ankereinheit in eine Endposition gebracht werden kann.
Die Figuren 1 bis 4 verdeutlichen die wesentlichen Funktionskomponenten zum Realisieren der bistabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform samt skizzierten Feldverläufen: Eine Ankereinheit, bestehend aus einem Ankerschaft 10, daran beidends ansitzenden Permanentmagnetscheiben 12 bzw. 14, die Permanentmagnetscheiben jeweils axial auswärts abschließenden Ankerscheiben 16, 18 sowie die Permanent- magnetscheiben 12, 14 axial einwärts begrenzenden inneren Scheiben 20, 22 ist in einer stationären Kernanordnung 24 axial verschieblich geführt. Die Kerneinheit 24 wirkt zusammen mit einer Spuleneinheit 26, welche (vgl. insbesondere die Schnittansichten der Figuren 3, 4) den Schaftbereich 10 umgebend an- geordnet ist. Radial mantelseitig ist die Anordnung umschlossen von einer stationären Gehäuseschale 30.
Die Bistabilität dieser Anordnung wird dadurch erreicht, dass in einem jeweiligen Endzustand (Stellposition) in axialer Richtung einer der Permanentmagne- ten 12, 14 (über die zwischenliegenden Scheiben 20 bzw. 22) am magnetischen Kern 24 haftet; so haftet in der Stellposition der Figur 1 der rechts gelegene Permanentmagnet 14 an der Kerneinheit 24, während der Permanentmagnet 12 axial ausgefahren ist. Die Figur 2 verdeutlicht den umgekehrten, a- xial verschobenen Zustand des Ankers (zweite Stellposition).
Die Figuren 3 und 4 verdeutlichen in diesem Zusammenhang die Wirkung der Permanentmagneten bzw. eines Bestromungsimpulses der Spule: Die Figur 3, entsprechend der Position der Figur 1 , verdeutlicht das Permanentmagnetfeld der scheibenförmigen Permanentmagneten 12, 14 (in der gezeigten Weise axial magnetisiert), wobei der magnetische Kreis über die Scheiben 16, 20 bzw. 18, 22 und das umschließende Gehäuse bzw. den Schaft 10 geschlossen ist.
Bei Bestromung der Spuleneinheit 26 mit einem (impulsförmigen) Gleichspannungssignal einer ersten Polarität entsteht ein zusätzlicher magnetischer Fluss, verdeutlicht durch die Pfeilschaar 32. Diese, entgegengesetzt gerichtet dem Permanentmagnetfeld des rechtsseitigen Permanentmagneten 14, erzeugt unter Aufhebung der permanentmagnetischen Anziehung an den Kern 24 eine abstoßende Kraft auf die Ankereinheit, welche die Ankereinheit (in der Figur rechts) dann in die zweite Stellposition der Figur 2 treibt. Unterstützt wird dieser Effekt durch eine anziehende Wirkung zwischen dem Magnetfeld der Spuleneinheit und dem Permanentmagnetfeld des linksseitigen Permanentmagneten 12, welcher (vgl. die Darstellung der Figuren 3, 4), bezogen auf den gegenüberliegenden Permanentmagneten, in axialer Richtung entgegengesetzt gepolt ist. Die Figuren 5, 6 verdeutlichen, wie das Gehäuse 30 in eleganter Weise aus bügeiförmigen Elementen platz- und aufwandssparend hergestellt werden kann; genauer gesagt ist ein in der Fig. 5 gezeigtes U-förmiges Bügelelement 34 ge- bildet aus einem Paar von Schenkeln 36 (diese erstrecken sich, vgl. die Darstellung der Figur 6, parallel zur axialen Bewegungsrichtung) sowie einem Mittenabschnitt 38, welcher beide Schenkel 36 verbindet. Der Mittenabschnitt 38 weist einen zentralen Durchbruch 39 auf, durch welchen sich der Schaftabschnitt 10 des Ankers bewegen kann.
Die Figur 6 verdeutlicht, wie in ineinander geschachtelter Weise ein Paar von Gehäuseelementen 34 das Gehäuse für die Stellvorrichtung ausbilden und innen den Kern- bzw. Spulenbereich 24, 26 umschließen, während, endseitig am Schaft 10 sitzend, die jeweiligen scheibenförmigen Permanentmagneten mit zugehörigen inneren bzw. Ankerscheiben, zwischen den jeweiligen Paaren von Schenkeln 36, nach auswärts geführt werden können.
Anhand der Figuren 7 bis 9 wird verdeutlicht, dass eine stirnseitige Außenfläche der Ankerscheiben 17 bzw. 18 verschiedene Möglichkeiten anbietet, um damit aufsitzende Stößelelemente (Stößeleinheiten) 40 anzutreiben. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist mindestens ein Stößelelement 40 (alternativ auch zwei oder mehrere, vgl. die Figuren 8, 9, wobei die Figur 9 auch in die entgegengesetzte Richtung ein Stößelelement trägt) mittels magnetischer Haftkraft aufgesetzt, dadurch, dass das Stößelelement 40 aus magnetischem Mate- rial vom Permanentmagneten 12 bzw. 14 auf der jeweiligen flachen Stirnfläche gehalten ist (dies kann achsparallel, zentrisch, alternativ auch windschief geschehen, je nach Konfiguration). Zur näheren Offenbarung wird diesbezüglich verwiesen auf die Patentoffenlegung 10 2007 028 600 bzw. die Gebrauchsmusterveröffentlichung 20 2008 008 142 der Anmelderin, welche verschiedene We- ge offenbaren, wie eine Stößeleinheit (lösbar) mit einer eine Permanentmagnetscheibe aufweisenden Ankereinheit zusammenwirken kann. Zusätzlich weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, dass die langgestrecktzylindrisch gezeigte Stößeleinheit gebildet ist aus mehreren axial aneinander- grenzenden Abschnitten; bevorzugt ist dabei ein auf die Außenfläche der Ankerscheibe greifender Abschnitt magnetisch, um insoweit die vorteilhafte lösba- re Haftwirkung zu erzielen. Dagegen ist es bevorzugt, ein entgegengesetztes freies Ende, welches in ansonsten bekannter, jedoch in den Figuren nicht gezeigter Weise mit einem Stellpartner (Aggregat), etwa einer Nockenwelle, zusammenwirkt, aus nicht-magnetischem Material auszugestalten. Dies hat andererseits den Vorteil, dass im praktischen Betrieb dann kein magnetischer Abrieb anhaften kann. Auch gibt es die Möglichkeit, einen solchen Bereich geeignet zu härten bzw. für seinen Eingriffszweck geeignet verschleißfest auszubilden. Die beschriebenen Abschnitte können dann in geeigneter Weise, z.B. über Sintern, Reibschweißen od.dgl., dauerhaft und unlösbar zusammengefügt werden. Die Figuren 10 und 11 verdeutlichen Möglichkeiten, wie, aufbauend auf der Konfiguration der Figuren 1 bzw. 2, eine oder zwei Druckfedern 50, 52 (von außen) bzw. 54 (zwischen Kern und innerer Scheibe 20, 22) kraftverstärkend, dämpfend oder auf andere, ansonsten bekannte Weise eingesetzt werden können.
Die Figuren 12 und 13 verdeutlichen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel insoweit identische bzw. äquivalente Funktionskomponenten bezeichnen.
Die Längsschnittansicht der Fig. 12 verdeutlicht den leicht abweichenden konstruktiven Aufbau der Ankereinheit, wobei hier der mittlere Schaftbereich 10 zusätzlich um permanentmagnetisch flussleitende Abschnitte 60 ergänzt wurde, welche gleichermaßen kernseitig als Scheiben 62 eine Flussleitwirkung über das umgebende Gehäuse 30 ermöglichen. Insoweit verdeutlichen die geschlossenen dünnen Pfeilscharen 66 einen permanentmagnetischen Fluss, in der in Fig. 12 gezeigten Weise symmetrisch, der das Halten der Ankereinheit in einer Mittelposition zwischen beiden Endpositionen, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, ermöglicht. Genauer gesagt verdeutlichen zwei in Fig. 12 als dicke Pfeile 68 gezeigte permanentmagnetische Kraftpfeile, wie durch permanentmagnetische Anziehungskraft der Scheiben 12, 14 und ohne Bestromung der Spule ein stabiler Mittenzustand erreicht wird, da, bei annähernd gleicher permanentmagnetischer Anziehungskraft und symmetrischer Geometrie, insoweit die aufeinandergerichteten Kräfte 68 sich neutralisieren. Erreicht werden kann dieser Zwischenzustand durch ein impulsförmig- befristetes Bestromen der Spuleneinheit, um insoweit die Ankereinheit in diesen Zustand zu bringen, wobei das Bestromen beendet wird, bevor ein Anschlag am gegenüberliegenden Ende erfolgt.
Aufbauend auf der Geometrie der Fig. 12 verdeutlicht die nunmehr mögliche Bestromung, wie durch einen Impuls und gemäß Pfeilschar 70, eine abstoßende Wirkung im linksseitigen Bereich in der Figur erzeugt wird (insoweit der linksseitige Pfeil gegenüber dem rechten vergrößert ist), mit der Wirkung, dass sich als Reaktion auf den Strominpuls der Anker in die rechte Endposition aus der stabilen Mittelposition bewegt.
Ergänzend vorteilhaft hat sich im Rahmen der Realisierung des beschriebenen Ausführungsbeispiels herausgestellt, dass ein Verbringen bzw. Halten in einer Mittenposition gemäß Fig. 12 auch möglich ist durch eine Bestromung der Spuleneinheit mit einem Wechselsignal; bei geeigneter Frequenzeinstellung führt dies dazu, dass, durch permanentes Umpolen, die Mittelposition zuverlässig erreicht und gehalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung eignet sich in besonders günstiger Weise zur Ausbildung einer Nockenwellenverstellung, so dass die Verwendung für den Zweck der Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors als zur vorliegenden Erfindung gehörig beansprucht wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch dar- auf nicht beschränkt. Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung für jeglichen Stellzweck, welcher ein bistabiles elektromagnetisches Stellen ermöglicht oder einsetzt.

Claims

Patentansprüche
Bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit
einer relativ zu einer stationären Spuleneinheit (26) und als Reaktion auf eine Bestromung derselben entlang einer Bewegungslängsachse zwischen mindestens zwei Stellpositionen bewegbaren Ankereinheit (10, 12, 14, 16, 18, 20, 22),
die ein- oder beidends Eingriffsmittel (40) zum Zusammenwirken mit einem nachgeschalteten, zu stellenden Aggregat aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit in der Richtung der Bewegungslängsachse beidseits der Spuleneinheit Permanentmagnetmittel (12, 14) aufweist, die zum Zusammenwirken mit einem der Spuleneinheit zugeordneten stationären Kernbereich (24) so ausgebildet sind, dass als Reaktion auf die Bestromung der Spuleneinheit mit einem Gleichspannungssignal einer ersten Polarität die Ankereinheit in eine erste, bevorzugt endseitige und stromlos stabile der Stellpositionen verbracht wird
und als Reaktion auf die Bestromung der Spuleneinheit mit einem Gleichspannungssignal einer zweiten Polarität die Ankereinheit in eine der ersten Stellposition axial entgegengesetzten zweite, bevorzugt endseitige und stromlos stabile der Stellpositionen verbracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich sowie die Permanentmagnetmittel so ausgebildet sind, dass in der ersten und/oder der zweiten Stellposition die Permanentmagnetmittel am Kernbereich magnetisch haften. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit und der Kernbereich so mit den Permanentmagnetmitteln zusammenwirken, dass die bevorzugt einmal-impulsförmige Bestromung ein magnetisches Abstoßen eines ersten Permanentmagneten der Permanentmagnetmittel sowie ein magnetisches Anziehen eines axial bezogen auf die Spuleneinheit gegenüberliegenden zweiten Permanentmagneten der Permanentmagnetmittel für einen Stellvorgang von der ersten zur zweiten Stellposition bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit sowie die Permanentmagnetmittel so ausgebildet sind, dass die Ankereinheit in eine dritte, bevorzugt stromlos stabile der Stellpositionen verbracht werden kann, wobei die dritte Stellposition entlang der Richtung der Bewegungslängsachse zwischen der ersten end- seitigen Stellposition und der zweiten endseitigen Stellposition, insbesondere mittig zwischen diesen, liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit so ausgebildet ist, dass diese im Zusammenwirken mit den Permanentmagnetmitteln und als Reaktion auf eine temporäre und/oder Wechselspannungs-Bestromung die Ankereinheit in die dritte Stellposition verbringt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit langgestreckt ausgebildet ist und einen bevorzugt mittig vorgesehenen Schaftabschnitt (10) aufweist, der sich durch die Spuleneinheit und/oder den Kernbereich hindurch erstreckt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit axial mittig oder exzentrisch durch die Spuleneinheit (26) bzw. den Kernbereich (24) hindurchreicht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel axial beidends der Spuleneinheit und/oder des Kernbereichs vorgesehene, bevorzugt scheibenförmige Permanentmagneten (12, 14) aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffsmittel als scheibenförmige Ankerstirnfläche (16, 18) ausgebildet sind, die eine mit der Ankerstirnfläche zusammenwirkende Stößeleinheit (40) bewegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stößeleinheit (40) lösbar und durch permanentmagnetische Haftwirkung der Permanentmagnetmittel auf der Ankerstirnfläche gehalten ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stößeleinheit in axialer Richtung mehrere Abschnitte aufweist, wobei ein erster, auf die Ankerstirnfläche gerichteter Abschnitt aus magnetischem Material gebildet ist und ein axial anschließender zweiter, mit dem Aggregat zusammenwirkender Abschnitt nicht-magnetisch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 119, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abschnitt, insbesondere durch Sintern oder Reibschweißen, unlösbar miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt zumindest an einem Eingriffsende für das Zusammenwirken mit dem Aggregat gehärtet und/oder verschleißfest ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit ein- oder beidends mit Federmitteln (50, 52, 54) zusammenwirkt, wobei die Federmittel sich bevorzugt von einer axialen Ankerstirnfläche (16, 18) der Ankereinheit abstützen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung in einem Gehäuse aus einem magnetisch leitenden Material aufgenommen ist, wobei das Gehäuse einen Wandabschnitt (36) aufweist, der sich parallel zur Bewegungslängsachse, insbesondere zwischen den Stellpositionen der Permanentmagnetmittel, erstreckt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mittels eines bügeiförmigen und/oder längsschnittlich U- oder L- förmigen Gehäuseelements realisiert ist, dessen mindestens ein Schenkel (36) sich parallel zur Bewegungslängsachse erstreckt, wobei das Gehäuseelement einen Durchbruch (39) zum Hindurchführen eines Mittel- und/oder Verbindungsabschnitts (10) zwischen Permanentmagneten der Ankereinheit aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Paar von ineinander und/oder gegeneinander verschachtelt vorgesehenen, bügeiförmigen und mit jeweiligen axial ausgerichteten Durchbrüchen versehenen Gehäuseelementen aufweist.
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