WO2017012779A1 - Fahrzeug, motor, nockenwellenanordnung und stellvorrichtung - Google Patents

Fahrzeug, motor, nockenwellenanordnung und stellvorrichtung Download PDF

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WO2017012779A1
WO2017012779A1 PCT/EP2016/063455 EP2016063455W WO2017012779A1 WO 2017012779 A1 WO2017012779 A1 WO 2017012779A1 EP 2016063455 W EP2016063455 W EP 2016063455W WO 2017012779 A1 WO2017012779 A1 WO 2017012779A1
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WO
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air gap
permanent magnet
adjusting device
housing
armature
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PCT/EP2016/063455
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Juergen Graner
Karsten Feindt
Guenther Hohl
Mathias Eccarius
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01F7/1646—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet
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    • H01F7/122—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by permanent magnets
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    • F01L1/047—Camshafts
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    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/0015—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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L2013/10—Auxiliary actuators for variable valve timing
    • F01L2013/101—Electromagnets

Definitions

  • the present invention relates to a means of locomotion, an engine, a camshaft arrangement and an adjusting device for realizing a camshaft displacement parallel to the axis of rotation of the camshaft.
  • the present invention relates to improvements in the art
  • Valve known. To change from a first cam track to a next cam track, a displacement of the camshaft is to be carried out such that the valve stem is then moved over the new cam track. For this purpose, it is known to introduce control pins in a helical backdrop, so that the rotation of the camshaft by the positive connection with the control pin leads to an automatic displacement of the camshaft.
  • variable valve control usually uses a suitable electromagnetic actuator, which is used to activate or deactivate a desired or specific camshaft arrangement.
  • Electromagnetic actuators are known, for example, from DE 102 40 774 B4 and EP 1 421 591 B1. The ones described herein
  • Processing permanent magnets which are suitable for use in the working space of a
  • Valves can be chambered.
  • the R.347427 (DE 10 2013 204 764.9) discloses an electromagnetic actuator of the aforementioned type, in which a spring element is used to press a control pin against a permanent magnetic holding force. Moreover, it is proposed to arrange the permanent magnet stationary.
  • Adjusting device solved which can be used for example in a camshaft assembly of an internal combustion engine for a means of locomotion to move the camshaft along its axis of rotation and thus to activate different cam tracks.
  • the adjusting device comprises a housing in which a permanent magnet, a magnetically coupled to the permanent magnet armature, a coupled to the armature
  • the armature can be used to bring the actuator in a first position relative to the housing, in which the actuator ensures that a camshaft which can be coupled to the actuator reaches a first working position, as well as a second, different position from the first position opposite to the housing, in which the actuator provides for activation of a second cam track.
  • the actuator is also referred to as a "pin.”
  • the permanent magnet is configured to experience or generate a force such that the actuator can be retained or fixed in the first position and / or in the second position armature
  • the electromagnet is adapted to move the actuator from the first position to the second position.
  • a magnetic field built up by the electromagnet can with the magnetic field of the
  • a formed between the permanent magnet and the armature first air gap (also referred to as "radial gap") is oriented parallel to a direction of movement of the armature, in which the actuating element in the transition from the first position in the second
  • Position moves. Impacts on the permanent magnet when reaching the first or second position by the magnet armature are avoided in this way. As a result, a decrease in the magnetic forces achievable by the permanent magnet (for example, by aging) due to shocks is also prevented. In addition, a use of a in the state of
  • the actuator may protrude in the first position, a first length of the housing and in this position have no positive coupling with the Nockenwellenkulisse. In the second position, however, the actuator is a second, different from the first length length out of the housing, so that a positive coupling with the
  • Permanent magnet are arranged in close proximity to the first air gap, resulting in a particularly compact design and short
  • the arrangement can be configured.
  • the permanent magnet can realize as high as possible
  • magnetic force may be formed as a ring magnet and in particular be adapted to at least approximately enclose the armature, at least in some operating conditions. This allows a particularly large area of the first air gap and ensures a nearly vanishing
  • the permanent magnet can be configured as a solid ring, resulting in a particularly homogeneous structure and easy installation of the
  • the ring segments occupy sectors in the circumferential direction of the permanent magnet, which in sum constitute a substantially corresponding arrangement to the solid ring.
  • the adjusting device according to the invention can be designed such that a first magnetic circuit extends over the first air gap and a second
  • Air gap (working gap) closes, wherein the second air gap in the first position of the actuating element is shorter than in the second position of the actuating element.
  • the second air gap oriented in the direction of movement
  • the adjusting device may further comprise a second magnetic circuit which closes over the first air gap and a third air gap, wherein the third air gap in the first position of the actuating element is longer than in the second position.
  • the third air gap may be oriented such that the magnetic field lines flowing through it are oriented substantially in the direction of movement of the actuating element. This applies in conjunction with the second air gap
  • the second air gap increases as the third air gap narrows (and vice versa). In this way, two stable positions for the actuator already based on the force of the permanent magnetic field. As soon as the second air gap is smaller than the third air gap, close the magnetic field lines of the Permanent magnetic field preferably over the second air gap, whereby its force is increased to the armature and the first position of the
  • Actuator is approached. Only by applying additional forces, the armature can bring the actuator from the first position to the second position, which can be done for example by means of the electromagnet. If the magnet armature is arranged in the adjusting device such that the third air gap is smaller than the second air gap, the magnetic armature is moved to the second position solely on account of the force of the permanent magnet, whereby the third air gap becomes minimal. Also from this position, an additional force is required to switch back to the first position. This force can be generated for example by a ramp on the camshaft, which presses the actuating element in the direction of the first position. In this way, a spring element for realizing two stable positions of the control element can be omitted. Nevertheless, only a single permanent magnet is required.
  • the permanent magnet may be configured to generate a magnetic flux via both the aforementioned first magnetic circuit and the second magnetic circuit.
  • the height of the magnetic fluxes from a current position of the armature may be configured to generate a magnetic flux via both the aforementioned first magnetic circuit and the second magnetic circuit.
  • the electromagnet may be configured to negatively superimpose the magnetic field of the permanent magnet at the first and second air gaps by a first current direction.
  • the permanent magnetic field is weakened in this operating state by the electromagnet at the second air gap.
  • Magnetic field in the third air gap be neutral.
  • the electromagnet can be arranged immovably relative to the housing. In this way it is avoided that any existing coils due to
  • Camshaft arrangement for a vehicle eg a car, a van, Truck, a motorcycle, an aircraft and / or watercraft
  • a vehicle eg a car, a van, Truck, a motorcycle, an aircraft and / or watercraft
  • the camshaft of the camshaft assembly according to the invention from a first position in which a first
  • Cam is active, in a second position in which a second cam is active brought.
  • an internal combustion engine preferably a piston engine
  • a means of transport which has a camshaft assembly according to the second-mentioned and / or an adjusting device according to the first-mentioned aspect of the invention.
  • a fourth aspect of the present invention is a
  • Propulsion means proposed which an adjusting device according to the first-mentioned aspect of the invention, a camshaft assembly according to the second-mentioned aspect of the invention and / or a motor according to the
  • third aspect of the invention has. Also for the third and fourth aspect of the present invention, the features, combinations of features and advantages will be appreciated.
  • the polarity of the permanent magnet (north pole on the inner / outer diameter) is irrelevant, since compensation for the magnetic field can always be achieved via the corresponding polarity of the coil.
  • the height of the armature can be equal, smaller or larger than the
  • corresponding height of the permanent magnet can be selected.
  • FIG. 1 shows a sectional view through a first embodiment of an adjusting device according to the present invention
  • Figure 2 is a sectional view through a rotationally symmetrical
  • FIGS. 3-5 show magnetic field simulations with magnetic field lines ⁇ represented by an exemplary embodiment of an adjusting device according to the present invention in different positions of the magnet armature;
  • Figure 6 is a sectional view and a plan view of a
  • FIGS. 7a and 7b show different examples of magnetization directions of a ring segment for a permanent magnet
  • Figures 8a to 8d are plan views of embodiments of a
  • FIG. 1 shows a sectional view through a first exemplary embodiment of an adjusting device according to the invention, which has a housing 2.
  • a pin 8 as an actuating element and a magnet armature 4 are rigidly coupled to each other so that they always moved together and the pin 8 in the vertical direction (arrow P) pushed out of the housing 2 and can be retracted into the housing 2.
  • a first air gap 1 1 is arranged between the magnet armature 4 and a permanent magnet 5, which can close (not shown) magnetic field lines regardless of a current position of the armature 4.
  • the height of the armature 4 is identical to the height of the permanent magnet 5.
  • the field lines generated by the permanent magnet 5 close predominantly on the armature 4, the housing 2, the pole core 14 and the second air gap 12 or via the magnet armature 4, the bottom 16 and the third air gap 13.
  • a suitable energization of the coil 9 takes place as an electromagnet, that portion of the permanent magnetic field lines, which closes on the second air gap 12 , Compensated or weakened, so that the permanent magnetic field over the third air gaps 13 outweighs and results in a downward (in the direction of movement P) oriented force on the armature 4.
  • Figure 2 shows a rotationally symmetrical representation of an adjusting device according to the invention, in which the coils 9 as an electromagnet are substantially concentric about an axis of symmetry 15. Accordingly, the permanent magnet 5 is arranged symmetrically around the pin 8 as a control element as a solid ring.
  • the height h1 of the magnet armature 4 is chosen to be less than the height h2 of the permanent magnet, whereby a homogeneous
  • Magnetic field line arrangement in the first air gap 1 1 is achieved independently of a vertical position of the armature 4.
  • the length L1 of the second air gap 12 is less than the length L2 of the third air gap 13. Accordingly, the force F P1 due to the
  • Permanent magnet 5 and the permanent magnet flux ⁇ ⁇ ⁇ in the direction of the pole core 14 is greater than that due to the permanent magnet 5 and the
  • FIG. 3 shows a simulation of a magnetic field within an adjusting device, which substantially coincides with the arrangement shown in FIG.
  • the coils 9 are de-energized, so that the permanent magnet 5 generates a first magnetic field ⁇ ⁇ within the first air gap 1 1, which essentially closes over the second air gap 12 and further via the third air gap 13.
  • the upper (first) magnetic circuit Due to the currently lower magnetic resistance of the second air gap 12, the upper (first) magnetic circuit carries a higher magnetic flux ⁇ ⁇ ⁇ , as the closing over the third air gap 13 magnetic flux ⁇ ⁇ 2 .
  • the armature 4 and the pin 8 connected to it are fixed in the first (retracted) position.
  • FIG. 4 shows a magnetic field simulation within a device according to the invention
  • FIG. 5 shows the magnet armature 4 in its second / extended end position with the excitation of the coils 9 switched off.
  • the small number of magnetic field lines closing over the second air gap 12 is due solely to the length of the air gap 12.
  • the magnetic holding force of the magnetic field lines increasingly closing over the third air gap 13 ensures a stable position of the magnet armature 4 in the illustrated position ⁇ ⁇ 2 » ⁇ ⁇ ⁇ .
  • a return of the magnet armature 4 can take place, for example, by means of a ramp-shaped structure on the camshaft, which in the course of the rotation of the camshaft pushes back the pin (not shown) and the magnet armature 4 into the first position.
  • FIG. 6 shows in the left half of the illustration a sectional view through a ring-shaped permanent magnet 5, in the right Representation half a corresponding top view. Visible is the
  • Permanent magnet 5 configured as a full ring magnet and magnetized in the radial direction.
  • the magnetic field lines run within the permanent magnet 5 in the radial direction and thus allow radial field line courses within a likewise annular designed
  • Air gap provided in the eye of the ring magnet, e.g. a cylindrical magnet armature (not shown) is inserted.
  • FIG. 7 a shows a ring segment 51 for the production of a permanent magnet 5, which is magnetized in such a way that it is completely open
  • composite permanent magnet 5 in the form of a ring magnet results in a substantially radial direction of magnetization.
  • Figure 7b shows a ring segment 51 for producing an annular
  • Permanent magnet 5 which is instead traversed in the radial direction in a direction transverse to its longitudinal extent of parallel magnetic field lines.
  • a substantially radial one results
  • Magnetization direction provided that the number of ring segments used 51 is large enough or their longitudinal extent is small enough. This form of magnetization can bring manufacturing advantages.
  • Figure 8 shows in part a) a configured as a solid ring permanent magnet 5 with a radial magnetization direction. Part figure b) shows one
  • Ring surfaces 51 composite permanent magnet 5.
  • the faces or abutment surfaces of the ring segments 51 are oriented in the radial direction with respect to the annular shape, resulting in small air gaps and a high field line density.
  • the lateral surfaces of the ring segments 51 are configured in a circular arc.
  • Part c) shows a composite of ring segments 51 permanent magnet 5, wherein the ring segments 51 have the shape of parallelepipeds.
  • End faces with respect to the annular shape of the permanent magnet 5 radially oriented are so that small air gaps and a high field line density result, while manufacturing advantages by waiving
  • the present invention realizes several advantages over the arrangements known in the prior art. Due to the radial non-contact arrangement, no direct impact pulses are transmitted to the permanent magnet during the switching process, nor are stop pulses derived via the permanent magnet. This is due to the fact that the permanent magnet has an air gap to the moving actuator and thus only indirectly exposed to the shocks of the armature and the control element and a mass-related insulation
  • Actuator according to the invention completely without a closing spring, which simplifies the construction and the adjusting device

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Abstract

Es werden ein Fortbewegungsmittel, ein Motor, eine Nockenwellenanordnung sowie eine Stellvorrichtung vorgeschlagen. Die Stellvorrichtung umfasst: -ein Gehäuse (2); -einen Permanentmagnet (5); -einen Magnetanker (4); -ein Stellelement (8); und -einen Elektromagnet (9); wobei -das Stellelement (8) eingerichtet ist, -eine erste Positiongegenüber dem Gehäuse (2) einzunehmen, sowie -zumindest eine zweite, von der ersten Position unterschiedliche Position gegenüber dem Gehäuse einzunehmen, wobei -der Permanentmagnet (5) eingerichtet ist, das Stellelement (8)in der ersten Position und/oder in der zweiten Position zu haltern; wobei -der Elektromagnet (9) eingerichtet ist, das Stellelement (8) aus der ersten Position in die zweite Position zu bewegen und wobei -ein zwischen dem Permanentmagnet (5) und dem Magnetanker (4) ausgebildeter erster Luftspalt (11) parallel zu einer Bewegungsrichtung verläuft, in welcher sich das Stellelement (8) beim Übertritt aus der ersten Position in die zweite Position bewegt.

Description

Beschreibung
Titel
Fahrzeug, Motor, Nockenwellenanordnung und Stellvorrichtung Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel, einen Motor, eine Nockenwellenanordnung sowie eine Stellvorrichtung zur Realisierung einer Nockenwellenverschiebung parallel zu der Rotationsachse der Nockenwelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verbesserungen hinsichtlich der
Lebensdauer des Permanentmagneten sowie konstruktive Vereinfachungen (z. B. Teilevielfalt, Montagevorgang, etc.).
Um unterschiedliche Ventilhübe von Verbrennungsmotoren zu generieren, sind Nockenwellen mit unterschiedlichen Nockenbahnen für ein jeweils betrachtetes
Ventil bekannt. Um von einer ersten Nockenbahn auf eine nächste Nockenbahn zu wechseln, ist eine Verschiebung der Nockenwelle derart vorzunehmen, dass der Ventilstößel anschließend über die neue Nockenbahn bewegt wird. Hierzu ist es bekannt, Steuerpins in eine schraubenförmige Kulisse einzubringen, sodass die Rotation der Nockenwelle durch den Formschluss mit dem Steuerpin zu einer selbsttätigen Verschiebung der Nockenwelle führt.
Eine derartige Realisierung unterschiedlicher Nockenwellenprofile, somit eine variable Ventilsteuerung, verwendet meist eine geeignete elektromagnetische Stellvorrichtung, die zum Aktivieren bzw. Deaktivieren einer gewünschten bzw. bestimmten Nockenwellenanordnung verwendet wird. Herkömmliche
elektromagnetische Stellvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 102 40 774 B4 und der EP1 421 591 B1 bekannt. Die hierin beschriebenen
elektromagnetischen Stellvorrichtungen verwenden jedoch schwer zu
verarbeitende Permanentmagnete, die für den Einsatz im Arbeitsraum eines
Ventils gekammert werden können. Die R.347427 (DE 10 2013 204 764.9) offenbart eine elektromagnetische Stellvorrichtung der vorgenannten Art, in welcher ein Federelement verwendet wird, um einen Steuerpin entgegen einer permanentmagnetischen Haltekraft zu drücken. Überdies wird vorgeschlagen, den Permanentmagneten stationär anzuordnen.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Aufbau sowie die Lebensdauer gattungsgemäßer Vorrichtungen zu verbessern und die Produktionskosten sowie den
Montageaufwand zu verringern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Stellvorrichtung gelöst, welche beispielsweise in einer Nockenwellenanordnung eines Verbrennungsmotors für ein Fortbewegungsmittel eingesetzt werden kann, um die Nockenwelle entlang ihrer Rotationsachse zu verschieben und somit unterschiedliche Nockenbahnen zu aktivieren. Die Stellvorrichtung umfasst ein Gehäuse, in welchem ein Permanentmagnet, ein mit dem Permanentmagnet magnetisch koppelbarer Magnetanker, ein mit dem Magnetanker gekoppeltes
Stellelement und ein Elektromagnet vorgesehen sind. Der Magnetanker kann verwendet werden, um das Stellelement in eine erste Position gegenüber dem Gehäuse zu bringen, in welcher das Stellelement dafür sorgt, dass eine mit der Stellvorrichtung koppelbare Nockenwelle in eine erste Arbeitsposition gelangt, sowie in eine zweite, von der ersten Position unterschiedliche Position gegenüber dem Gehäuse zu bringen, in welcher das Stellelement für eine Aktivierung einer zweiten Nockenbahn sorgt. Das Stellelement wird auch als „Pin" bezeichnet. Der Permanentmagnet ist eingerichtet, eine Kraft derart zu erfahren beziehungsweise zu erzeugen, dass das Stellelement in der ersten Position und/oder in der zweiten Position gehaltert beziehungsweise fixiert werden kann. Hierzu kann der Permanentmagnet mit dem Magnetanker
Bestandteil eines konfigurierbaren magnetischen Kreises oder mehrerer magnetischer Kreise sein. Der Elektromagnet ist eingerichtet, das Stellelement aus der ersten Position in die zweite Position zu bewegen. Hierzu kann sich ein vom Elektromagnet aufgebautes Magnetfeld derart mit dem Magnetfeld des
Permanentmagneten überlagern, dass der Magnetanker in der ersten Position eine Kraftwirkung in Richtung der zweiten Position erfährt. Um mechanische Stöße auf den Permanentmagneten beim Erreichen der ersten beziehungsweise der zweiten Position zu vermeiden, ist ein zwischen dem Permanentmagnet und dem Magnetanker ausgebildeter erster Luftspalt (auch als„Radialspalt" bezeichnet) parallel zu einer Bewegungsrichtung des Magnetankers orientiert, in welcher sich das Stellelement beim Übertritt aus der ersten Position in die zweite
Position (oder umgekehrt) bewegt. Stöße auf den Permanentmagneten beim Erreichen der ersten beziehungsweise zweiten Position durch den Magnetanker werden auf diese Weise vermieden. Im Ergebnis wird auch eine Abnahme der vom Permanentmagnet erzielbaren Magnetkräfte (z.B. durch Alterung) aufgrund von Stößen verhindert. Zudem kann eine Verwendung eines im Stand der
Technik verwendeten Federelementes entfallen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Das Stellelement kann in der ersten Position eine erste Länge aus dem Gehäuse hervorstehen und in dieser Position keine formschlüssige Kopplung mit der Nockenwellenkulisse aufweisen. In der zweiten Position jedoch steht das Stellelement eine zweite, von der ersten Länge unterschiedliche Länge aus dem Gehäuse hervor, sodass eine formschlüssige Kopplung mit der
Nockenwellenkulisse ermöglicht wird. Selbstverständlich ist der vorgenannte
Zusammenhang auch umgekehrt möglich.
Ein optionaler Unterschied zu den im Stand der Technik bekannten Anordnungen besteht darin, die Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stellelementes zu wählen. Auf diese Weise kann der
Permanentmagnet in unmittelbarer Nähe zum ersten Luftspalt angeordnet werden, wodurch sich eine besonders kompakte Bauform und kurze
magnetische Kreise ergeben. Entsprechend leichtgewichtig kann die Anordnung ausgestaltet werden.
Der Permanentmagnet kann zur Realisierung einer möglichst hohen
magnetischen Kraft als Ringmagnet ausgebildet sein und insbesondere eingerichtet sein, den Magnetanker zumindest in manchen Betriebszuständen zumindest annähernd zu umschließen. Dies ermöglicht eine besonders große Fläche des ersten Luftspaltes und sorgt für eine nahezu verschwindende
Kraftwirkung senkrecht zur Bewegungsrichtung. Dies wiederum verringert die auftretenden Reibungskräfte, erübrigt eine aufwendige Führung und unterstützt eine angestrebte kompakte und leichte Bauform.
Der Permanentmagnet kann als Vollring ausgestaltet sein, wodurch sich ein besonders homogener Aufbau sowie eine einfache Montage der
erfindungsgemäßen Stellvorrichtung ergeben. Alternativ kann der
Permanentmagnet aus Ringsegmenten in azimutaler Richtung zur
Bewegungsrichtung zusammengesetzt werden. Die Ringsegmente nehmen Sektoren in Umfangsrichtung des Permanentmagneten ein, welche in Summe eine dem Vollring im Wesentlichen entsprechende Anordnung darstellen. Die
Verwendung von Ringsegmenten ermöglicht eine besonders einfache
Magnetisierung und kann Vorteile bei der Fertigung mit sich bringen.
Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass ein erster magnetischer Kreis sich über den ersten Luftspalt und einen zweiten
Luftspalt (Arbeitsspalt) schließt, wobei der zweite Luftspalt in der ersten Position des Stellelementes kürzer als in der zweiten Position des Stellelementes ist. Insbesondere kann der zweite Luftspalt in Bewegungsrichtung orientierte
Magnetfeldlinien führen. Durch die vorgenannte Orientierung des zweiten Luftspaltes ergibt sich ein von der Position des Stellelementes abhängiger magnetischer Widerstand und eine von der Position des Stellelementes abhängige Kraft auf die dem zweiten Luftspalt zugewandte Oberfläche des Magnetankers. Die Stellvorrichtung kann weiter einen zweiten magnetischen Kreis aufweisen, welcher sich über den ersten Luftspalt und einen dritten Luftspalt schließt, wobei der dritte Luftspalt in der ersten Position des Stellelementes länger als in der zweiten Position ist. Auch der dritte Luftspalt kann derart orientiert sein, dass die ihn durchflutenden Magnetfeldlinien im Wesentlichen in Bewegungsrichtung des Stellelementes orientiert sind. Es gilt das in Verbindung mit dem zweiten Luftspalt
Gesagte entsprechend. Mit anderen Worten vergrößert sich der zweite Luftspalt, wenn sich der dritte Luftspalt verkleinert (und andersherum). Auf diese Weise ergeben sich zwei stabile Positionen für das Stellelement bereits auf Basis der Kraftwirkung des Permanentmagnetfeldes. Sobald der zweite Luftspalt kleiner als der dritte Luftspalt ist, schließen sich die Magnetfeldlinien des Permanentmagnetfeldes bevorzugt über den zweiten Luftspalt, wodurch dessen Kraftwirkung auf den Magnetanker erhöht wird und die erste Position des
Stellelementes angefahren wird. Erst durch Aufbringung zusätzlicher Kräfte kann der Magnetanker das Stellelement von der ersten Position in die zweite Position bringen, was beispielsweise mittels des Elektromagneten erfolgen kann. Sofern der Magnetanker derart in der Stellvorrichtung angeordnet ist, dass der dritte Luftspalt kleiner als der zweite Luftspalt ist, wird der Magnetanker allein aufgrund der Kraft des Permanentmagneten in die zweite Position bewegt, wodurch der dritte Luftspalt minimal wird. Auch aus dieser Position ist eine zusätzliche Kraft erforderlich, um in die erste Position zurück zu wechseln. Diese Kraft kann beispielsweise durch eine Rampe auf der Nockenwelle erzeugt werden, welche das Stellelement in Richtung der ersten Position drückt. Auf diese Weise kann ein Federelement zur Realisierung zweier stabiler Positionen des Stellelementes entfallen. Dennoch ist lediglich ein einziger Permanentmagnet erforderlich.
Der Permanentmagnet kann eingerichtet sein, einen magnetischen Fluss sowohl über den vorgenannten ersten magnetischen Kreis als auch über den zweiten magnetischen Kreis zu erzeugen. Selbstverständlich kann die Höhe der magnetischen Flüsse von einer aktuellen Position des Magnetankers
beziehungsweise des Stellelementes abhängen.
Der Elektromagnet kann eingerichtet sein, durch eine erste Stromrichtung das magnetische Feld des Permanentmagneten am ersten und zweiten Luftspalt negativ zu überlagern. Mit anderen Worten wird das Permanentmagnetfeld in diesem Betriebszustand durch den Elektromagneten am zweiten Luftspalt geschwächt. Hierbei kann der Einfluss des Elektromagnetfeldes auf das
Magnetfeld im dritten Luftspalt neutral sein.
Der Elektromagnet kann gegenüber dem Gehäuse unbeweglich angeordnet sein. Auf diese Weise wird vermieden, dass etwaig vorhandene Spulen aufgrund von
Stößen Schaden nehmen können oder durch kostspielige und gegebenenfalls aufwendige Maßnahmen gegen mechanische Stöße geschützt werden müssen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
Nockenwellenanordnung für ein Fahrzeug (z. B. ein PKW, ein Transporter, LKW, ein Motorrad, ein Luft- und/oder Wasserfahrzeug) vorgeschlagen, welches eine Stellvorrichtung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt umfasst. Mittels der Stellvorrichtung kann die Nockenwelle der erfindungsgemäßen Nockenwellenanordnung aus einer ersten Position, in welcher eine erste
Nockenbahn aktiv ist, in eine zweite Position, in welcher eine zweite Nockenbahn aktiv ist, gebracht werden. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechend derart ersichtlich denjenigen des erstgenannten Erfindungsaspektes, das zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor
(insbesondere ein Verbrennungsmotor, bevorzugt ein Kolbenmotor) für ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welcher eine Nockenwellenanordnung gemäß dem zweitgenannten und/oder eine Stellvorrichtung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Stellvorrichtung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt, eine Nockenwellenanordnung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt und/oder einen Motor gemäß dem
drittgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Auch für den drittgenannten und viertgenannten Aspekt der vorliegenden Erfindung ergeben sich die Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile in entsprechender Weise. Die Polung des Permantenmagneten (Nordpol am Innen-/Außendurchmesser) spielt keine Rolle, da über die entsprechende Polung der Spule immer eine Kompensation des Magnetfeldes erreicht werden kann.
Die Höhe des Magnetankers kann gleich, kleiner oder größer der
entsprechenden Höhe des Permanentmagneten gewählt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist: Figur 1 eine Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 2 eine Schnittdarstellung durch ein rotationssymmetrisches
Ausführungsbeispiel einer Stellvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Figuren 3 - 5 Magnetfeldsimulationen mit dargestellten Magnetfeldlinien φ durch ein Ausführungsbeispiel einer Stellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Positionen des Magnetankers;
Figur 6 eine Schnittdarstellung sowie eine Draufsicht auf ein
Ausführungsbeispiel eines Permanentmagneten;
Figuren 7a und 7b unterschiedliche Beispiele für Magnetisierungsrichtungen eines Ringsegmentes für einen Permanentmagneten; und Figuren 8a bis 8d Draufsichten auf Ausführungsbeispiele eines
Permanentmagneten.
Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung, welche ein Gehäuse 2 aufweist. Innerhalb des Gehäuses 2 sind ein Pin 8 als Stellelement und ein Magnetanker 4 derart starr miteinander gekoppelt, dass sie stets gemeinsam bewegt und der Pin 8 dabei in vertikaler Richtung (Pfeil P) aus dem Gehäuse 2 herausgeschoben beziehungsweise in das Gehäuse 2 eingefahren werden kann. Parallel zur
Bewegungsrichtung P des Pins 8 ist zwischen dem Magnetanker 4 und einem Permanentmagneten 5 ein erster Luftspalt 1 1 angeordnet, über welchen sich (nicht dargestellte) Magnetfeldlinien unabhängig von einer aktuellen Position des Magnetankers 4 schließen können. Im dargestellten Beispiel ist die Höhe des Magnetankers 4 identisch der Höhe des Permanentmagneten 5. Je nach Position des Magnetankers 4 schließen sich die vom Permanentmagneten 5 erzeugten Feldlinien überwiegend über den Magnetanker 4, das Gehäuse 2, den Polkern 14 und den zweiten Luftspalt 12 oder über den Magnetanker 4, den Boden 16 und den dritten Luftspalt 13. Sofern in der dargestellten Position eine geeignete Bestromung der Spulen 9 als Elektromagnet erfolgt, wird derjenige Anteil der Permanentmagnetfeldlinien, welcher sich über den zweiten Luftspalt 12 schließt, kompensiert bzw. geschwächt, so dass das Permanentmagnetfeld über den dritten Luftspalte 13 überwiegt und sich eine nach unten (in Richtung der Bewegungsrichtung P) orientierte Kraftwirkung auf den Magnetanker 4 ergibt.
Figur 2 zeigt eine rotationssymmetrische Darstellung einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung, in welcher die Spulen 9 als Elektromagnet im Wesentlichen konzentrisch um eine Symmetrieachse 15 liegen. Entsprechend ist auch der Permanentmagnet 5 als Vollring symmetrisch um den Pin 8 als Stellelement angeordnet. Die Höhe h1 des Magnetankers 4 ist geringer als die Höhe h2 des Permanentmagneten gewählt, wodurch eine homogene
Magnetfeldlinienanordnung im ersten Luftspalt 1 1 unabhängig von einer vertikalen Position des Magnetankers 4 erzielt wird. In der dargestellten Position ist die Länge L1 des zweiten Luftspaltes 12 geringer als die Länge L2 des dritten Luftspaltes 13. Entsprechend ist die Kraftwirkung FP1 aufgrund des
Permanentmagneten 5 bzw. des Permanentmagnetflusses φΡι in Richtung des Polkerns 14 größer, als die aufgrund des Permanentmagneten 5 bzw. des
Permanentmagnetflusses φΡ2 in entgegengesetzter Richtung verlaufende Kraft FP2. Eine geeignete Ansteuerung der Spule 9 führt zu einer negativen
Überlagerung des Permanentmagnetfeldes durch ein elektromagnetisches Feld φΕι im zweiten Luftspalt 12 mit einer Kraft FEi und somit zur Abschwächung der Kraft FP1 sowie zu einer gleichzeitigen positiven Überlagerung des (bislang geringen) Permanentmagnetfeldes durch ein elektromagnetisches Feld φΕ2 innerhalb des dritten Luftspaltes 13, wodurch die Kraft FE2 (hervorgerufen durch den elektromagnetischen Fluss φΕ2) die zunehmende Kraft FP2 zusätzlich unterstützt. Im Ergebnis wird der Pin 8 nach unten aus dem Gehäuse 2 ausgefahren und verbleibt so lange in der zweiten Position, bis eine von außen wirkende Kraft Fext, welche beispielsweise durch eine Rampenstruktur auf der Nockenwelle (nicht dargestellt) erzeugt wird, die Kraftwirkung FP2
überkompensiert und zu einer Rückführung des Pins 8 und des Magnetankers 4 in die dargestellte erste Position führt.
Figur 3 zeigt eine Simulation eines Magnetfeldes innerhalb einer Stellvorrichtung, welche im Wesentlichen mit der in Figur 1 gezeigten Anordnung übereinstimmt. Zunächst sind die Spulen 9 stromlos, sodass der Permanentmagnet 5 ein erstes Magnetfeld φΡ innerhalb des ersten Luftspaltes 1 1 erzeugt, welches sich im Wesentlichen über den zweiten Luftspalt 12 und ferner über den dritten Luftspalt 13 schließt. Aufgrund des aktuell geringeren magnetischen Widerstandes des zweiten Luftspaltes 12 führt der obere (erste) Magnetkreis einen höheren magnetischen Fluss φΡι, als der sich über den dritten Luftspalt 13 schließende magnetische Fluss φΡ2. Auf diese Weise werden der Magnetanker 4 und der mit ihm verbundene Pin 8 in der ersten (eingefahrenen) Position fixiert. Figur 4 zeigt eine Magnetfeldsimulation innerhalb einer erfindungsgemäßen
Stellvorrichtung gemäß Figur 1 , nachdem die Spulen 9 von einem solchen elektrischen Signal durchflössen werden, dass das sich über den oberen (ersten) Magnetkreis schließende Magnetfeld derart stark geschwächt wird, dass der magnetische Fluss φΡι - φΕι im zweiten Luftspalt 12 nahezu verschwindet, während das sich über den dritten Luftspalt 13 schließende Magnetfeld φΡ2 + ΦΕ2 derart überwiegt), dass der Magnetanker 4 in Richtung des dritten Luftspaltes 13 strebt, wobei gilt: φΡ2 + ΦΕ2 > ΦΡΙ - ΦΕΙ■ Sobald der magnetische Widerstand des dritten Luftspaltes 13 geringer als der magnetische Widerstand des zweiten Luftspaltes 12 ist, kann die Anregung der Spulen 9 abgeschaltet werden, sodass die sich vermehrt über den dritten Luftspalt 13 schließenden
Permanentmagnetlinien zu einer Bewegung des Magnetankers 4 in seine Endposition (ausgefahrener Zustand beziehungsweise zweite Position) führen, wobei gilt: φΡ2 > φΡι. Figur 5 zeigt den Magnetanker 4 in seiner zweiten/ausgefahrenen Endposition bei abgeschalteter Anregung der Spulen 9. Die geringe Anzahl der sich über den zweiten Luftspalt 12 schließenden Magnetfeldlinien ist allein der Länge des Luftspaltes 12 geschuldet. Die magnetische Haltekraft der sich vermehrt über den dritten Luftspalt 13 schließenden Magnetfeldlinien sorgt für eine stabile Position des Magnetankers 4 in der dargestellten Position φΡ2 » φΡι.
Eine Rückführung des Magnetankers 4 kann beispielsweise mit Hilfe einer rampenförmigen Struktur auf der Nockenwelle erfolgen, welche im Zuge der Drehung der Nockenwelle den (nicht dargestellten) Pin und den Magnetanker 4 in die erste Position zurückschiebt.
Figur 6 zeigt in der linken Darstellungshälfte eine Schnittdarstellung durch einen ringförmig ausgestalteten Permanentmagneten 5, in der rechten Darstellungshälfte eine entsprechende Draufsicht. Erkennbar ist der
Permanentmagnet 5 als Vollringmagnet ausgestaltet und in radialer Richtung magnetisiert. Mit anderen Worten verlaufen die Magnetfeldlinien innerhalb des Permanentmagneten 5 in radialer Richtung und ermöglichen somit radiale Feldlinienverläufe innerhalb eines ebenfalls ringförmig ausgestalteten
Luftspaltes, sofern in das Auge des Ringmagneten, z.B. ein zylindrischer Magnetanker (nicht dargestellt), eingeführt wird.
Figur 7a zeigt ein Ringsegment 51 für die Herstellung eines Permanentmagneten 5, welches derart magnetisiert ist, dass sich für einen vollständig
zusammengesetzten Permanentmagneten 5 in Form eines Ringmagneten eine im Wesentlichen radiale Magnetisierungsrichtung ergibt.
Figur 7b zeigt ein Ringsegment 51 zur Herstellung eines ringförmigen
Permanentmagneten 5, welches anstatt in radialer Richtung in einer Richtung quer zu seiner Längserstreckung von parallelen Magnetfeldlinien durchlaufen wird. Für einen aus entsprechenden Ringsegmenten 51 zusammengesetzten Ringmagneten ergibt sich dennoch eine im Wesentlichen radiale
Magnetisierungsrichtung, sofern die Anzahl der verwendeten Ringsegmente 51 groß genug beziehungsweise deren Längserstreckung klein genug ist. Diese Form der Magnetisierung kann fertigungstechnische Vorteile mit sich bringen.
Figur 8 zeigt in Teilfigur a) einen als Vollring ausgestalteten Permanentmagneten 5 mit radialer Magnetisierungsrichtung. Teilfigur b) zeigt einen aus
Ringsegmenten 51 zusammengesetzten Permanentmagneten 5. Die Stirnflächen beziehungsweise Stoßflächen der Ringsegmente 51 sind in radialer Richtung bezüglich der Ringform orientiert, wodurch sich geringe Luftspalte und eine hohe Feldliniendichte ergeben. Die Mantelflächen der Ringsegmente 51 sind kreisbogenförmig ausgestaltet. Teilfigur c) zeigt einen aus Ringsegmenten 51 zusammengesetzten Permanentmagneten 5, wobei die Ringsegmente 51 die Form von Parallelepipeden aufweisen. Mit anderen Worten werden
quaderförmige Ringsegmente 51 vorgeschlagen, welche zwar zu signifikanten Luftspalten an den Stirnflächen führen, jedoch fertigungstechnische Vorteile mit sich bringen können. Teilfigur d) zeigt einen aus Ringsegmenten 51
zusammengesetzten Permanentmagneten 5, wobei die Ringsegmente 51 parallel zueinander orientierte Mantelflächen aufweisen, während ihre
Stirnflächen bezüglich der Ringform des Permanentmagneten 5 radial orientiert sind, sodass sich geringe Luftspalte und eine hohe Feldliniendichte ergeben, während sich fertigungstechnische Vorteile durch einen Verzicht auf
kreisbogenförmig begrenzte Ringsegmente 51 ergeben.
Die vorliegende Erfindung realisiert gleich mehrere Vorteile gegenüber den im Stand der Technik bekannten Anordnungen. Durch die radiale kontaktfreie Anordnung werden beim Schaltvorgang keine direkten Anschlagimpulse auf den Permanentmagneten übertragen, noch werden Anschlagimpulse über den Permanentmagneten abgeleitet. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass der Permanentmagnet einen Luftspalt zum bewegten Stellelement aufweist und somit lediglich indirekt den Stößen des Magnetankers beziehungsweise des Stellelements ausgesetzt wird und eine massebedingte Dämmung
beziehungsweise materialbedingte Dämpfung der dazwischenliegenden Struktur einer irreversiblen Entmagnetisierung des Permanentmagneten entgegenwirkt. Leistungsverluste über der Lebensdauer der Stellvorrichtung treten somit vermindert auf oder werden gänzlich vermieden. Zudem kommt die
erfindungsgemäße Stellvorrichtung vollständig ohne eine Schließfeder aus, wodurch sich die Konstruktion vereinfacht und die Stellvorrichtung
kostengünstiger hergestellt werden kann. Überdies werden Fehlfunktionen in Verbindung mit der Schließfeder (beispielsweise aufgrund einer veränderten Elastizität der Schließfeder) vermieden.

Claims

Ansprüche
1 . Stellvorrichtung umfassend:
ein Gehäuse (2);
einen Permanentmagnet (5);
einen Magnetanker (4);
ein Stellelement (8); und
einen Elektromagnet (9); wobei
das Stellelement (8) eingerichtet ist,
- eine erste Position gegenüber dem Gehäuse (2) einzunehmen, sowie
- zumindest eine zweite, von der ersten Position unterschiedliche Position gegenüber dem Gehäuse einzunehmen, wobei
der Permanentmagnet (5) eingerichtet ist, das Stellelement (8) in der ersten
Position und/oder in der zweiten Position zu haltern; wobei
der Elektromagnet (9) eingerichtet ist, das Stellelement (8) aus der ersten
Position in die zweite Position zu bewegen und wobei
ein zwischen dem Permanentmagnet (5) und dem Magnetanker (4) ausgebildeter erster Luftspalt (1 1 ) parallel zu einer Bewegungsrichtung verläuft, in welcher sich das Stellelement (8) beim Übertritt aus der ersten
Position in die zweite Position bewegt.
2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Stellelement (8)
in der ersten Position eine erste Länge aus dem Gehäuse (2) hervorsteht und
in der zweiten Position eine zweite, von der ersten Länge unterschiedliche Länge aus dem Gehäuse (2) hervorsteht, und insbesondere in der zweiten Position weiter aus dem Gehäuse (2) hervorsteht als in der ersten Position.
3. Stellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine
Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten (5) senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stellelementes (8) verläuft. Stellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Permanentmagnet (5) als Ringmagnet ausgebildet ist und eingerichtet ist, den Magnetanker (4) zu umschließen.
Stellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der
Permanentmagnet (5)
als Vollring ausgestaltet ist oder
aus Ringsegmenten (51 ) in azimutaler Richtung zur Bewegungsrichtung zusammengesetzt ist.
Stellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Permanentmagnet (5) gegenüber dem Gehäuse (2) unbeweglich angeordnet ist.
Stellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend
einen ersten magnetischen Kreis, welcher sich über den ersten Luftspalt
(1 1 ) und einen zweiten Luftspalt (12) schließt, wobei der zweite Luftspalt
(12) in der ersten Position des Stellelementes (8) kürzer als in der zweiten Position ist, und
einen zweiten magnetischen Kreis, welcher sich über den ersten Luftspalt (1 1 ) und einen dritten Luftspalt (13) schließt, wobei der dritte Luftspalt (13) in der ersten Position des Stellelementes (8) länger als in der zweiten Position ist.
Stellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Elektromagnet (9) eingerichtet ist,
durch eine erste Stromrichtung das magnetische Feld des
Permanentmagneten (5) am zweiten Luftspalt (12) negativ zu überlagern.
Stellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Permanentmagnet (5) in unmittelbarer Nähe des ersten Luftspaltes (1 1 ) angeordnet ist.
Nockenwellenanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Automobil, umfassend eine Stellvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
1 1 . Motor für ein Fortbewegungsmittel, insbesondere Automobil, umfassend eine Nockenwellenanordnung gemäß Anspruch 10 und/oder eine Stellvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
12. Fortbewegungsmittel, insbesondere Automobil, umfassend
einen Motor gemäß Anspruch 1 1 , und/oder
eine Nockenwellenanordnung gemäß Anspruch 10 und/oder eine Stellvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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