WO2019201833A1

WO2019201833A1 - Monostabile aktuatorvorrichtung

Info

Publication number: WO2019201833A1
Application number: PCT/EP2019/059621
Authority: WO
Inventors: Jörg BÜRSSNER; Valerio RESCIGNO
Original assignee: Eto Magnetic Gmbh
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-10-24
Also published as: DE102018122699A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung, mit einer relativ zu stationären Spulenmitteln und als Reaktion auf eine Bestromung derselben entlang einer Bewegungslängsachse (10) zwischen mindestens zwei Stellpositionen bewegbaren Ankereinheit (12), die einen An- oder Eingriffsabschnitt (25, 26) zum Zusammenwirken mit einem Stellpartner anbietenden Stößelabschnitt (22) aufweist, und die aus einer durch Wirkung des zumindest einen Permanentmagnetmittels (16) stromlos stabilen ersten der Stellpositionen gegen eine rückstellende Kraft von zumindest einem Kraftspeichermittel (44) in eine zweite der Stellpositionen verbringbar ist, wobei die Spulenmittel eine erste Spuleneinheit (28) aufweisen, die zum Bewirken einer die Ankereinheit (12) aus der ersten Stellposition lösenden Kraft auf die Ankereinheit (12) beschältet oder beschaltbar ist, wobei die Spulenmittel eine zusätzlich zu der ersten Spuleneinheit (28) vorgesehene zweite Spuleneinheit (36) aufweisen, die so beschaltet oder beschaltbar ist, dass die zweite Spuleneinheit (36) bei dem Verbringen eine die Ankereinheit (12) beschleunigende Kraft auf die Ankereinheit (12) bewirkt, wobei ein Magnetwiderstandsmittel, welches derart von der Ankereinheit (12) ausgebildet und welches derart zwischen der ersten Spuleneinheit (28) und der zweiten Spuleneinheit (36) angeordnet ist, dass es die jeweiligen Magnetflusskreise der Spuleneinheiten (28, 36) trennt.

Description

Monostabile Aktuatorvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und eine Verwendung derselben.

Derartige Vorrichtungen sind zum Realisieren verschiedener Stell- und Schaltfunktionen allgemein bekannt, wobei insbesondere eine Ventilsteuerung oder eine Nockenwellenverstellung mit einer derartigen Aktuatorvorrichtung realisierbar sind. Jedoch nicht nur auf dem technischen Gebiet der Nockenwellenverstellung von Verbrennungsmotoren hat sich eine derartige, als bekannt vorausgesetzte Technologie allgemein durchgesetzt, wobei neben hohen Schaltzykluszahlen und langen Standzeiten der bekannten Vorrichtungen insbesondere auch eine automatisierbare Herstellbarkeit und Montierbarkeit für eine weite Verbreitung der Technologie sorgen.

Allerdings ist es gerade in einem Kraftfahrzeugkontext (jedoch nicht nur hier, Gleiches gilt etwa auch für etwa verschiedene Anwendungen der industriellen Steuertechnik) häufig notwendig, neben einer stromlos stabilen Stell- bzw. Endposition sicherzustellen, dass, etwa bei einem Stromausfall, eine definierte Bewegungs- bzw. Stellposition der Ankereinheit durch die Stellvorrichtung eingenommen wird - dies wird auch als „Fail Safe” bezeichnet und adressiert das Problem, dass beispielsweise bei bistabilen Stellvorrichtungen aus dem Stand der Technik zwar betriebssicher die jeweiligen (gegenüberliegenden) Endpositionen erreicht und gehalten werden können, was auch stromlos erfolgen kann, gerade jedoch nach einem unbeabsichtigten Stromausfall dann jedoch häufig nicht mehr nachzuvollziehen ist, welcher Stellvorgang zuletzt getätigt wurde und entsprechend an welcher Stellposition sich die Ankereinheit samt Stößelabschnitt befindet. Dies führt dann zu unbestimmten und potentiell schadensträchtigen Stellvorgängen.

Aus dem Stand der Technik sind also sowohl monostabile Aktuatoren bekannt wie auch bistabile Aktuatoren mit einem Permanentmagnaten. Beide können zur Sicherstellung der stromlos stabilen Stell- bzw. Endposition, welche auch als „Fail-Safe-Stellung“ bezeichnet ist, eine zusätzlich wirkende Kraft benötigen. Diese kann beispielsweise mittels einer Feder aufgebracht werden. Wird ein monostabiler Aktuator mit einer Feder zur Sicherstellung der„Fail-Safe-Stellung“ versehen, steigt dadurch zwangsläufig die für eine Schaltung in die Endposition benötigte Kraft an. Gleichsam steigt auch die für ein Halten in die Endposition benötigte Kraft an. Es ist bekannt, diese erhöhten Kräfte durch entsprechend dimensionierte Spulenmittel aufzubringen. Abhängig vom verfügbaren Bauraum für den Aktuator kann aber gegebenenfalls ein Spulenmittel gar nicht ausreichend dimensioniert sein, um die benötigte Kraft aufzubringen. Es ist auch denkbar, diese erhöhten Kräfte durch entsprechend hohe elektrische Leistung aufzubringen. Jedoch ist eine solche Schaltung auf Dauer kosten- und ressourcenintensiv. Folglich sind schnell schaltende und kleine Aktuatoren für einen beschränkten Bauraum mit einer„Fail-Safe- Stellung“ nicht in zufriedenstellender Weise realisierbar. Aus dem Stand der Technik ist zur schnellen Rückstellung des Ankers in seine Ruhestellung, welche mit der „Fail-Safe-Stellung“ identisch sein kann, bekannt, eine Rückstellspule zu nutzen. Diese nimmt jedoch weiteren Bauraum ein, was gegebenenfalls zu unüberwindbaren Schwierigkeiten in der Konstruktion eines entsprechenden Aktuators für einen kleinen Bauraum führen kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung für kleine Bauräume zu schaffen, welche ein schnelles und ressourcenschonendes Schalten ermöglicht und eine„Fail-Safe-Stellung“ aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung gelöst, mit einer relativ zu stationären Spulenmitteln und als Reaktion auf eine Bestromung derselben entlang einer Bewegungslängsachse zwischen mindestens zwei Stellpositionen bewegbaren, zumindest ein Permanentmagnetmittel umfassende Ankereinheit, die einen An- oder Eingriffsabschnitt zum Zusammenwirken mit einem Stellpartner anbietenden Stößelabschnitt aufweist, und die aus einer durch Wirkung des zumindest einen Permanentmagnetmittels stromlos stabilen ersten der Stellpositionen gegen eine rückstellende Kraft von zumindest einem Kraftspeichermittel in eine zweite der Stellpositionen verbringbar ist, wobei die Spulenmittel eine erste Spuleneinheit aufweisen, die zum Bewirken einer die Ankereinheit aus der ersten Stellposition lösenden Kraft auf die Ankereinheit beschältet oder beschaltbar ist, wobei die Spulenmittel eine zusätzlich zu der ersten Spuleneinheit vorgesehene zweite Spuleneinheit aufweisen, die so beschältet oder beschaltbar ist, dass die zweite Spuleneinheit bei dem Verbringen eine die Ankereinheit beschleunigende Kraft auf die Ankereinheit bewirkt. Die Aktuatorvorrichtung umfasst zudem ein Magnetwiderstandsmittel, welches derart von der Ankereinheit ausgebildet und welches derart zwischen der ersten Spuleneinheit und der zweiten Spuleneinheit angeordnet ist, dass es die jeweiligen Magnetflusskreise der Spuleneinheiten trennt.

In erfindungsgemäßer Weise verhindert das Magnetwiderstandsmittel den Schluss eines Magnetflusskreises. Somit können die den jeweiligen Spuleneinheiten zugeordneten Magnetflusskreise unabhängig und ohne gegenseitige Wechselwirkung geschlossen werden. Das Magnetwiderstandsmittel führt in der ersten Stellposition, welche mit der „Fail-Safe-Stellung“ identisch ist, dazu, dass die benötigte Haltekraft vermittels des Permanentmagnetmittels übertragen werden kann. Zur Schaltung bzw. Verbringen der Ankereinheit aus der ersten Stellposition in die zweite Stellposition erzeugt die Bestromung der Spulenmittel bzw. zumindest der ersten Spuleneinheit eine Abstoßung der Ankereinheit und somit eine Hubbewegung. Während der Hubbewegung wird eine Kraft in das zumindest eine Kraftspeichermittel eingetragen, welches beispielsweise eine Druckfeder sein kann. Es ist denkbar, die erste Spuleneinheit derart zu dimensionieren, dass sie nicht ausreichend Kraft erzeugen kann, um eine geforderte Schaltzeit zu erreichen und die Kraft in das Kraftspeichermittel einzutragen - jedoch kann die erste Spuleneinheit dann klein und Bauraumoptimiert ausgebildet sein. Unterstützend erzeugt die Bestromung der Spulenmittel bzw. zumindest der zweiten Spuleneinheit eine Anziehung der Ankereinheit und somit eine Hubbewegung. Zum Halten der Ankereinheit in der zweiten Stellposition genügt ein geringer Haltestrom.

Die erfindungsgemäße Aktuatorvorrichtung führt auch dazu, dass ein vergleichsweise geringdimensioniertes Kraftspeichermittel genutzt werden kann, um eine „Fail-Safe-Stellung“ zu erreichen. Da das

Kraftspeichermittel geringdimensioniert ist, können des Weiteren ein schneller Schaltvorgang ohne Nutzung einer Rückstellspule und geringdimensionierte Spuleneinheit verwendet werden, was Ressourcen schont und eine Aktuatorvorrichtung realisierbar macht, welche auch in kleinen Bauräumen platziert werden kann. Da die Kraft des

Kraftspeichermittels ausreicht, um die Ankereinheit schnell zurück in die erste Stellposition zu verbringen, muss kein durch Umpolen und Bestromen der Spuleneinheit erzeugtes Abstoßen erfolgen. Die Grunderkenntnis der Erfindung beruht insbesondere darauf, dass die Kombination eines polarisierten Reluktanzaktuatormagnetkreises mit einem reinen Reluktanzaktuator in einem Gehäuse bei Einsatz eines geeignet angeordneten und ausgeführten Magnetwiderstandsmittels zu den erfindungsgemäßen Vorteilen führt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung ist das Magnetwiderstandsmittel ein Luftspalt und/oder eine zumindest abschnittsweise ausgebildete Bauteilquerschnittsverjüngung. Es ist bekannt, dass sich ein geeignet großer Magnetfluss entweder gar nicht oder lediglich in sehr geringem Maße in Luft einstellt. Daher eignet sich insbesondere ein Luftspalt, um die beiden Magnetflusskreise voneinander zu trennen. Es eignet sich jedoch auch eine Bauteilquerschnittsverjüngung, sodass dem Magnetfluss durch das entsprechende Bauteil nur sehr wenig Raum gegeben wird und somit magnetischer Fluss in dem verjüngten Bauteilquerschnitt vernachlässigbar klein oder gar nicht gegeben ist, sodass auch hier von einer Flusskreistrennung im Sinne der Erfindung gesprochen werden kann. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der

Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung ist die Ankereinheit zumindest zweiteilig ausgebildet. Dadurch ist es möglich, die einzelnen Teile der Ankereinheit so in der Aktuatorvorrichtung anzuordnen, dass in beiden Stellpositionen der Aktuatorvorrichtung ein optimaler Magnetfluss jedes Flusskreises und eine bestmögliche Flusskreistrennung erzielt werden kann. Mittels der geometrischen Trennung der beiden Kerneinheiten wirken vom Permanentmagneten in der zweiten Stellposition zudem nahezu oder gar keine Kräfte auf die Ankereinheit. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung ist der Luftspalt zwischen zumindest zwei Teilen der Ankereinheit ausgebildet. Es sind gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung umfasst ein erster Teil der mehrteiligen Ankereinheit das Permanentmagnetmittel und ein zweiter Teil der mehrteiligen Ankereinheit einen ferromagnetischen Abschnitt. Diese Ausführungsform senkt das Gewicht der Aktuatorvorrichtung und somit auch die zu bewegende Masse. Gleichsam steigert sie die Dynamik und Schaltgeschwindigkeit. Die zwei Teile der Ankereinheit sind vorteilhafterweise mit einem solchen Abstand zueinander anordenbar oder angeordnet, dass ein weitgehend magnetflusstrennender Luftspalt entsteht.

Es ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung denkbar, dass der Stößelabschnitt zumindest zweiteilig ausgebildet ist, umfassend zumindest einen ersten Stößelabschnittsteil, an welchem zumindest das Permanentmagnetmittel angeordnet ist, und einen zweiten Stößelabschnittsteil, an welchen zumindest der ferromagnetische Abschnitt angeordnet ist. Ein zweiteiliger Stößelabschnitt führt zu einer kostengünstigen Fertigbarkeit und verklemmungsfreien Verstellbarkeit. Ein Verklemmen kann gerade bei langen Stößeln oder Stößeln mit beidseitigem An- und Eingriffsabschnitt auftreten. Die Zweiteilig führt auch zu größeren Toleranzulässigkeiten und zu einer einfachen und fertigungsgerechten Montierbarkeit.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung wirkt der ferromagnetische Abschnitt zur Ausbildung einer Magnethaftverbindung zwischen den beiden Stößelabschnittsteilen magnetisch mit den Permanentmagnetmitteln zusammen, wobei der ferromagnetische Abschnitt zumindest eine Bauteilquerschnittverjüngung umfasst.

Es hat sich zudem gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung vorteilhaft gezeigt, dass der ferromagnetische Abschnitt ein Widerlager für das Kraftspeichermittel umfasst. Auch dadurch kann in konstruktiv einfacher Weise eine Abstützung für das Kraftspeichermittel realisiert werden. Zudem kann der zumindest eine ferromagnetische Abschnitt dazu genutzt werden, um den zweiten magnetischen Flusskreis zu schließen. Vorzugsweise schließt ausschließlich der ferromagnetische Abschnitt der Ankereinheit den zweiten magnetischen Flusskreis.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung umfasst diese ein Flussleitmittel, vorzugsweise ausgebildet als ein Ringflansch, welches vorzugsweise am Spulenträger der zweiten Spuleneinheit angeordnet ist. Somit trennt der magnetisch leitende Ringflansch in vorteilhafter weise den Flusskreis der ersten Spuleneinheit von dem Flusskreis der zweiten Spuleneinheit. Zudem kann eine vorteilhafte Leitung magnetischen Flusses zum Stößelabschnitt erfolgen, so dass die magnetischen Flüsse nicht interagieren.

Es ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform denkbar, dass das Flussleitmittel in der zweiten Stellposition einen Magnetkreis mit dem ferromagnetischen Abschnitt schließt. Auch das Flussleitmittel führt dazu, dass die beiden Magnetflusskreise voneinander getrennt werden, und zwar dadurch, dass der der zweiten Spuleneinheit zugeordnete Magnetflusskreis so geleitet werden kann, dass er sich nicht mit dem der ersten Spuleneinheit zugeordneten Magnetflusskreis verbindet. Es ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung zudem denkbar, dass ein Zurückführen der Ankereinheit aus der zweiten in die erste Stellposition ausschließlich mittels rückstellender Kraft des zumindest einen Kraftspeichermittels initiiert ist. Dadurch kann eine sehr kleine Aktuatorvorrichtung geschaffen werden, da Kraftspeichermittel denkbar sind, die selbst nur sehr geringen Bauraumbedarf haben.

Auslegungskriterien hierbei sind beispielsweise die Federkraft und die Haftkraft oder der Abstand des Permanentmagneten zu einem der stationären Kerneinheiten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung umfasst die zweite Kerneinheit ein Widerlager für das Kraftspeichermittel. Somit kann in konstruktiv einfacher Weise eine Abstützung für das Kraftspeichermittel realisiert werden.

Es ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung denkbar, dass zur Ausbildung einer Hubbegrenzung die zweite Kerneinheit einen Anschlag für die Ankereinheit umfasst und/oder das Kraftspeichermittel derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass es als Hubbegrenzung dient. Dadurch kann beispielsweise die Dimensionierung des Permanentmagneten und dessen Haltekraft in der zweiten Stellposition eingestellt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung verläuft die zweite der zweiten Spuleneinheit zugeordnete stationäre Kerneinheit an ihrem in Richtung der Bewegungslängsachse liegenden inneren axialen Ende zumindest abschnittsweise konisch in Richtung der Ankereinheit. Durch diese Ausgestaltung ist der Magnetflussübergang im Luftspalt zur Ankereinheit hubabhängig einstellbar. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Aktuatorvorrichtung 20mm und/oder der Hubweg 5,3mm beträgt.

Erfindungsgemäß wird zudem eine Verwendung der Aktuatorvorrichtung zur Ventilsteuerung oder Nockenwellenverstellung vorgeschlagen, insbesondere eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, zur Lösung des eingangs genannten Problems. Hierbei kann die Aktuatorvorrichtung beispielsweise einen Kipphebel verstellen und oder ein System zwischen unterschiedlichen Nockenhüben verschieben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

1 : eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Aktuator in einer ersten Stellposition entlang seiner Bewegungslängsachse;

2: eine Längsschnittansicht durch den Aktuator nach Fig. 1 in einer zweiten Stellposition;

3a bis 3e: Magnetfeldlinien des Aktuators nach Fig. 1 in verschiedenen Stellpositionen; und

4: eine Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuator in einer ersten Stellposition entlang seiner Bewegungslängsachse. Bei der nachfolgenden Diskussion der Ausführungsbeispiele bedeuten gleiche Bezugszeichen identische bzw. gleichwirkende Funktionskomponenten bei den elektromagnetischen Stellvorrichtungen der jeweiligen Ausführungsform.

So zeigt etwa die Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Aktuators der 1 eine entlang einer Längsachse 10 bewegbare Ankereinheit 12, welche an einem ersten, auf eine erste Kerneinheit 14 gerichteten Ende eine Permanentmagnetscheibe 16 aufweist, welche axial beidends von Flussleitscheiben 18, 20 begrenzt ist. Die Permanentmagnetscheibe 16 und die Flussleitscheiben 18, 20 bilden eine Permanentmagneteinheit aus. Diese Permanentmagneteinheit ist von einem langgestreckten Stößelabschnitt 22 der Ankereinheit 12 durchdrungen, welcher sich entlang der axialen Richtung im Zentrum eines umfassenden zylindrischen Gehäuses 24 erstreckt von einem (in der 1 stirnseitig gezeigten) offenen Gehäuseende bis zu einem (in der 1 bodenseitig gezeigten) offenen Gehäuseende. Aus dem kopfseitigen offenen Gehäuseende ragt ein Eingriffsabschnitt 25 und aus dem bodenseitigen offenen Gehäuseende ragt ein Eingriffsabschnitt 26, wie 2 zeigt - ausgebildet zum Zusammenwirken mit einem vorgesehenen Stellpartner - ausgebildet ist.

Es ist zu erkennen, dass die Ankereinheit die Permanentmagneteinheit und einen ferromagnetischen Abschnitt 62 umfasst und daher zweiteilig ausgebildet ist. Zwischen der Permanentmagneteinheit und dem ferromagnetischen Abschnitt 62 ist ein als Magnetwiderstandsmittel dienender Luftspalt 72 ausgebildet.

Die erste stationäre Kerneinheit 14 ist umschlossen von einer ersten Spuleneinheit 28, welche eine erste Wicklung 30 auf einem (z. B. als Kunststoff-Spritzteil realisierten) Spulenträger 32 aufweist. Stirnseitig, d. h. am dem Eingriffsabschnitt 26 entgegengesetzten Ende des Gehäuses 24, ist dieses in ansonsten bekannter Weise magnetisch flussleitend so geschlossen, dass als Reaktion auf eine Bestromung der ersten Wicklung 30 (hier durch eine schematisch gezeigte Zuleitungsstruktur 34) die Spule 30 ein die Permanentmagneteinheit abstoßendes und damit entlang der axialen Richtung in der Zeichnung der 1 abwärts gerichteten Krafteintrag ausbildet. Dabei ist die Anordnung so konfiguriert, dass diese abstoßende Wirkung (bereits) ausreicht, um die permanentmagnetische Haftkraft der Permanentmagneteinheit an der ersten Kerneinheit 14 zu überwinden, so dass diese Bewegung erfolgen kann.

Zusätzlich unterstützt wird im Rahmen der gezeigten Ausführungsform diese Bewegung durch eine zweite Spuleneinheit 36, welche eine zweite Wicklung 38 auf einem Kunststoff-Spulenträger 54 gewickelt aufweist. Diese Wicklung 38 wird versorgt über eine Zuleitungsanordnung 35, im Bestromungsfall zum Bewegen der Ankereinheit aus der (ersten) Stellposition der 1 („Fail-Safe-Stellung“) abwärts so bestromt (und ist so eingerichtet bzw. gepolt), dass die Spule 38 auf die

Permanentmagnetscheibe 16 eine das Abstoßen durch die erste Spuleneinheit 28 unterstützende Kraft ausübt. Diese zusätzliche Kraft dient zum Überwinden des Hubwegs und zum Verbessern der Beschleunigungs- und Dynamikeigenschaften mit entsprechend positivem Einfluss auf eine kurze Stell- und Bewegungszeit des Ankers 12 in eine abwärts auf eine zweiten stationäre Kerneinheit 42 gerichtete zweite Stellposition gegen die Vorspannkraft einer als Kraftspeichermittel dienenden Druckfeder 44. Diese zweite Stellposition wird durch einen von der zweiten Kerneinheit 42 umfassten Anschlag 64 begrenzt.

Wie 2 zeigt, liegt in der zweiten Stellposition ein den Stößelabschnitt 22 umfangsseitig umgebender ferromagnetischen Abschnitt 62 an dem Anschlag 64 zur Ausbildung einer Hubbegrenzung an. Ein Flussleitmittel 60, welches als Ringflansch ausgebildet ist, ist am Spulenträger 54 der zweiten Spuleneinheit 36 angeordnet und dient dem Trennen des Magnetflusskreises der ersten Spuleneinheit 28 von dem Magnetflusskreis der zweiten Spuleneinheit 36 durch leiten des Magnetflusses, wie später erläutert. Die zweite Kerneinheit 42 - in der gezeigten Weise den Stößelabschnitt 22 umfangsseitig umschließend und insoweit eine Führung für diesen anbietend - bildet zusammen mit der zweiten Spule 38 und dem Flussleitmittel 60 sowie einem zugehörigen mantelseitigen Abschnitt des Gehäuses 24 den die beschriebene verstärkende Stellwirkung der zweiten Spuleneinheit realisierenden zweiten Magnetflusskreis aus.

Das Zurückführen einer in der beschriebenen Weise ausgefahrenen (d. h. abwärts in Richtung auf den Anschlag 64 an der zweiten Kerneinheit 42 gerichteten) Bewegung der Ankereinheit 12 erfolgt mit einer rückstellende Kraft der die Ankereinheit 12 in eine Aufwärtsrichtung (d. h. zurück in die erste Stellposition an der ersten Kerneinheit 14) vorspannenden Druckfeder 44. Die Druckfeder 44 ist so im Gehäuseinneren des Gehäuses 24 aufgenommen ist, dass sie, den Stößelabschnitt 22 benachbart dem ferromagnetischen Abschnitt 62 umschließend, sich einends von einer als Widerlager dienenden Anschlagfläche der zweiten Kerneinheit 42 abstützt und anderenends auf den ferromagnetischen Abschnitt 62 greift. Hierfür weist die zweite Kerneinheit 42 eine dem Stößelabschnitt 22 zugewandte innenumfangsseitige Ausnehmung 80 für die Druckfeder 44 auf.

Dabei kann eine Federkraft bzw. ein Kraftverhalten der Druckfeder 44 so eingerichtet sein, dass die Federkraft an der zweiten Stellposition gemäß Fig. 2 und 3c bis 3e nicht zu einem (permanentmagnetischen) Flaften bzw. Kleben an der zweite Kerneinheit 42 kommt, vielmehr diese permanentmagnetische Haftkraft überwunden wird durch die vorbeschriebenen rückstellende Kraft des Federelements 44 und/oder den Anschlag 64. Gleichzeitig wird deutlich, dass selbst im Fall keiner Bestromung, damit also auch etwa im Fall eines am Stand der Technik potenzial problematischen Stromausfall-Zustands, durch die nach wie vor bestehende Rückstellwirkung der Druckfeder 44 ein sicheres und definiertes Zurückführen der Ankereinheit 12 in die erste Stellposition an der ersten Kerneinheit 14 gewährleistet ist, so dass selbst bei einer vollständig unbestromten Betriebsphase sichergestellt ist, dass sich die Ankereinheit 12 mit ihrem eingriffsseitigen Ende 26 in einer definierten stromlosen und Ruheposition („Fail-Safe-Stellung“) befindet.

Mit Bezug auf die Fig. 3a bis 3e wird nun eine Abfolge von verschiedenen Stellpositionen der Ankereinheit 12 als Reaktion auf Bestromung bzw. Nicht-Bestromung mit darin verdeutlichtem Magnetfluss im Gehäuse 24 und in der Ankereinheit 12 mit der Permanentmagneteinheit beschrieben. Dargestellt ist die jeweils rechte Hälfte der Aktuatorvorrichtung rechtsseitig der Bewegungslängsachse 10. Obgleich nicht in den Fig. 3a bis 3e dargestellt, trägt auch die Druckfeder 44 zum Stellverhalten der Ankereinheit 12 bei. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist von den Fig. 3a bis 3e lediglich Fig. 3e mit Bezugszeichen versehen, jedoch finden sich identische Elemente auch in den Fig. 3a bis 3d.

Die dünnen Linien der Fig. 3a bis 3e verdeutlichen den magnetischen Fluss 66. In Fig. 1 ist in der ersten Stellposition bzw.„Fail-Safe-Stellung“ der permanentmagnetische Fluss 66 dargestellt, wobei beide Spuleneinheiten 28 und 36 unbestromt sind. Die Permanentmagnetscheibe 16 erzeugt die für das Halten der„Fail-Safe- Stellung“ erforderliche Haltekraft. In diesem Betriebszustand kann die Druckfeder 20 eine zusätzliche aufwärts gerichtete Druckkraft auf den ferromagnetischen Abschnitt 62 ausüben. Als Reaktion auf eine Bestromung der Spuleneinheit 28, welche in Fig. 3b gezeigt ist, vergleichen mit dem Feldlinienverlauf der Fig. 3a, wird nun die permanentmagnetische Anziehungskraft der Permanentmagnetscheibe 16 auf die obere Kerneinheit 14 überwunden und die Ankereinheit 12 wird mit einer abwärts gerichtete Kraft beaufschlagt, welche auf einer Abstoßung beruht. Somit wird eine Flubbewegung eingeleitet. Verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass durch Bestromung einer gegenüberliegend der Spuleneinheit 28 vorgesehenen zusätzlichen Spuleneinheit 36 (insoweit schließen die Spuleneinheiten 28 und 36 in axialer Richtung die Permanentmagnetscheibe 16 zwischen sich ein) eine Anziehungskraft auf die Ankereinheit 12, insbesondere die Permanentmagnetscheibe 16, ausgeübt wird. Dies führt dazu, dass, wie die Fig. 3b zeigt, aus der (nach wie vor) ersten Anschlagposition sich die Ankereinheit 12 abwärts in Richtung der zweiten Spuleneinheit 36 in Bewegung setzt. Die Bestromung jeder Spuleneinheit 28 und 36 kann beispielsweise bei maximal 5A liegen.

Im weiteren Verlauf dieser Bewegung erreicht dann, bei weiterhin möglicher Bestromung jeder Spuleneinheit 28 und 36 von beispielsweise maximal 5A, die Ankereinheit 12 mit ihrem ferromagnetischen Abschnitt 62 den Anschlag 64 der zweiten Kerneinheit 42, wie Fig. 3c zeigt. Der Magnetkreis schließt sich über das Flussleitmittel 60. Die Ankereinheit 12 ist nun in der zweiten Stellposition, welche auch als Schaltposition bezeichnet werden kann, gehalten. Der untere Magnetkreis übt nun eine hohe Haltekraft auf die Ankereinheit 12 aus. Der Luftspalt 72 verhindert ein verbinden oder interagieren der beiden Magnetflusskreise.

Fig. 3d zeigt eine im weiteren Verlauf unbestromte erste Spuleneinheit 28 und eine gering bestromte zweite Spuleneinheit 36, wobei der hier verwendete Haltestrom etwa 0,6A betragen kann. In diesem Bestromungszustand, welcher auch in Fig. 2 gezeigt ist, kann die Ankereinheit 12 in der zweiten Stellposition dauerhaft verbleiben.

Zur Rückstellung der Ankereinheit 12 in die in den Fig. 1 und 3a gezeigte erste Stellposition bzw.„Fail-Safe-Stellung“ bleibt die erste Spuleneinheit 28 unbestromt. Zusätzlich wird die zweite Spuleneinheit 36 unbestromt geschaltet. Durch eine Trennung des oberen Magnetkreises von dem unteren Magnetkreis erzeugt die Permanentmagnetscheibe 16 lediglich sehr geringe Haltekräfte in der zweiten Stellposition von beispielsweise etwa -1 ,2 N. Daher kann die Druckfeder 44 gering dimensioniert sein, um die Ankereinheit in die erste Stellposition zurückzuführen. Sodann führt nämlich die geringe Federkraft bereits dazu, dass die Ankereinheit 12 erneut in Richtung der ersten Spuleneinheit 28 verschoben wird, wodurch die Ankereinheit 12 die in den Fig. 1 und 3a gezeigte erste Stellposition einnimmt.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung gemäß Fig. 1 , wobei nachfolgende lediglich die Unterschiede beschrieben werden sollen. Das

Magnetwiderstandsmittel ist als eine zumindest abschnittsweise ausgebildete Bauteilquerschnittsverjüngung 74 des ferromagnetischen Abschnitts 70 ausgebildet. Der Stößelabschnitt 22 ist zweiteilig ausgebildet und umfassend einen ersten Stößelabschnittsteil 76, an welchem das Permanentmagnetmittel 16 angeordnet ist, und einen zweiten Stößelabschnittsteil 78, an welchem der ferromagnetische Abschnitt 70 angeordnet ist. Das Permanentmagnetmittel 16 bzw. die Permanentmagneteinheit wirken über Anlageabschnitte 82 des ferromagnetische Abschnitt 70 derart zusammen, dass die beiden Stößelabschnittsteile 76, 78 aneinander gehalten sind.

Claims

Patentansprüche

1. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung, mit einer relativ zu stationären Spulenmitteln und als Reaktion auf eine Bestromung derselben entlang einer Bewegungslängsachse (10) zwischen mindestens zwei Stellpositionen bewegbaren, zumindest ein Permanentmagnetmittel (16) umfassende Ankereinheit (12), die einen An- oder Eingriffsabschnitt (25, 26) zum Zusammenwirken mit einem Stellpartner anbietenden Stößelabschnitt (22) aufweist, und die aus einer durch Wirkung des zumindest einen Permanentmagnetmittels (16) stromlos stabilen ersten der Stellpositionen gegen eine rückstellende Kraft von zumindest einem Kraftspeichermittel (44) in eine zweite der Stellpositionen verbringbar ist,

wobei die Spulenmittel eine erste Spuleneinheit (28) aufweisen, die zum Bewirken einer die Ankereinheit (12) aus der ersten Stellposition lösenden Kraft auf die Ankereinheit (12) beschältet oder beschaltbar ist, wobei

die Spulenmittel eine zusätzlich zu der ersten Spuleneinheit (28) vorgesehene zweite Spuleneinheit (36) aufweisen, die so beschältet oder beschaltbar ist, dass die zweite Spuleneinheit (36) bei dem Verbringen eine die Ankereinheit (12) beschleunigende Kraft auf die Ankereinheit (12) bewirkt, gekennzeichnet durch ein Magnetwiderstandsmittel, welches derart von der Ankereinheit (12) ausgebildet und welches derart zwischen der ersten Spuleneinheit (28) und der zweiten Spuleneinheit (36) angeordnet ist, dass es die jeweiligen Magnetflusskreise der Spuleneinheiten (28, 36) trennt.

2 Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Magnetwiderstandsmittel ein Luftspalt (72) und/oder eine zumindest abschnittsweise ausgebildete Bauteilquerschnittsverjüngung (74) ist.

3. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ankereinheit (12) zumindest zweiteilig ausgebildet ist.

4. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 3, der Luftspalt (72) zumindest zwischen zwei Teilen der Ankereinheit (12) ausgebildet ist.

5. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein erster Teil der mehrteiligen Ankereinheit (12) das Permanentmagnetmittel (16) und ein zweiter Teil der mehrteiligen Ankereinheit (12) einen ferromagnetischen Abschnitt (62, 70) umfasst.

6 Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Stößelabschnitt (22) zumindest zweiteilig ausgebildet ist, umfassend zumindest einen ersten

Stößelabschnittsteil (76), an welchem zumindest das

Permanentmagnetmittel (16) angeordnet ist, und einen zweiten Stößelabschnittsteil (78), an welchem zumindest der ferromagnetische Abschnitt (70) angeordnet ist.

7. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der ferromagnetische Abschnitt (70) zur

Ausbildung einer Magnethaftverbindung zwischen den beiden Stößelabschnittsteilen (76, 78) magnetisch mit dem

Permanentmagnetmittel (16) zusammenwirkt, wobei der ferromagnetische Abschnitt (70) zumindest eine Bauteilquerschnittsverjüngung (74) umfasst.

8. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der ferromagnetische Abschnitt (62, 70) ein Widerlager für das Kraftspeichermittel (44) umfasst.

9. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein

Flussleitmittel (60), vorzugsweise ausgebildet als ein Ringflansch, welches vorzugsweise am Spulenträger (54) der zweiten Spuleneinheit (36) angeordnet ist.

10. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach

Anspruch 8, wobei das Flussleitmittel (60) in der zweiten Stellposition einen Magnetkreis der mit dem ferromagnetischen Abschnitt (70) schließt.

11. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, derart ausgebildet, dass ein Zurückführen der Ankereinheit (12) aus der zweiten in die erste Stellposition ausschließlich mittels rückstellender Kraft des zumindest einen Kraftspeichermittels (44) initiiert wird.

12. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Kerneinheit (42) ein Widerlager für das Kraftspeichermittel (44) umfasst.

13. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Ausbildung einer Hubbegrenzung die zweite Kerneinheit (42) einen Anschlag (64) für die Ankereinheit (12) umfasst und/oder das Kraftspeichermittel (44) derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass es als Hubbegrenzung dient.

14. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite der zweiten Spuleneinheit zugeordnete stationäre Kerneinheit (42) an ihrem in Richtung der Bewegungslängsachse (10) liegenden inneren axialen Ende zumindest abschnittsweise konisch in Richtung der Ankereinheit (12) verläuft.

15. Stromlos monostabile elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser der Aktuatorvorrichtung 20 mm und/oder der Hubweg 5,3 mm beträgt.

16. Verwendung der Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Ventilsteuerung oder Nockenwellenverstellung, insbesondere eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs.