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Dokumentenidentifikation DE19924813C2 15.11.2001
Titel Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung
Anmelder Daimler Chrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Gramann, Matthias, Dipl.-Ing., 91233 Neunkirchen, DE;
Nagel, Michael, Dipl.-Ing., 90491 Nürnberg, DE;
Walter, Steffen, Dipl.-Ing., 73102 Birenbach, DE
DE-Anmeldedatum 29.05.1999
DE-Aktenzeichen 19924813
Offenlegungstag 07.12.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.11.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2001
IPC-Hauptklasse H01F 7/08
IPC-Nebenklasse H01F 7/11   F01L 9/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, zwischen denen eine Ankerplatte mit mindestens einem Stößel oszilliert, und die jeweils aus einem Joch mit einem Spulenfenster und einer Erregerspule bestehen.

Ein derartiger Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung ist beispielsweise aus der US 4 533 890 bekannt und besteht im wesentlichen aus dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, die durch mindestens ein Bauteil aus einem nicht ferromagnetischen Material voneinander getrennt sind. Dieses Bauteil kann beispielsweise durch ein Gehäuseteil gebildet werden. Zwischen den Elektromagneten, dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, befindet sich die aus einem ferromagnetischen Material bestehende Ankerplatte, die durch Bestromen der Erregerspule des Öffnermagneten oder der Erregerspule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Das Joch des Öffnermagneten weist eine Durchführung für einen Ventilstößel auf, der die auf die Ankerplatte einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswechselventil überträgt.

Der Aktor kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß die Aktorfeder auf der dem Gaswechselventil entgegengesetzten Seite des Aktors an der Außenseite des Schließermagneten angeordnet ist. Dazu ist in Verlängerung des Ventilstößels ein einen Aktorfederteller aufweisender Federstößel angeordnet, der durch eine Durchführung im Joch des Schließermagneten gelagert ist. Das Joch des Schließermagneten weist eine die Durchführung des Federstößels umgebende, eine Wandung bildende Ausformung auf, in der ein Innengewinde eingearbeitet ist. In das Innengewinde der Wandung ist ein Schraubdeckel eingeschraubt, der zusammen mit der Wandung einen Hohlraum bildet, in dem die auf dem Aktorfederteller aufliegende Aktorfeder angeordnet ist. Durch Verdrehen des Schraubdeckels kann die Vorspannung der Aktorfeder verändert werden, wodurch die Ruhelage der Ankerplatte einstellbar ist.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funktionelle Einheit, wobei das Gaswechselventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nockenwellen, mittels einer Ventilfeder und einem Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zylinderkopfes gezogen wird.

Ist eine funktionelle Einheit aus einem Aktor und einem Gaswechselventil an der Brennkraftmaschine montiert, werden der Ventilschaft des Gaswechselventils, der Ventilstößel und der Federstößel des Aktors gegeneinander gepreßt. In der Ruhelage der funktionellen Einheit befindet sich die Ankerplatte in der Mitte zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, wobei die Ventilfeder und die Aktorfeder vorgespannt sind. Der Ventilteller des Gaswechselventils befindet sich dabei in der Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Gaswechselventil geschlossen ist, und der Position, in der das Gaswechselventil maximal geöffnet ist.

Durch den sich beim Betrieb eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung ständig ändernden magnetischen Feldern der Elektromagneten treten in dem Joch der Elektromagneten Wirbelströme auf, die gemäß der Lenz'schen Regel dem magnetischen Feldaufbau bzw. Feldabbau entgegenwirken, wodurch der Bedarf an elektrischer Leistung ansteigt und unerwünschte Wärmebildung zunimmt.

Zur Vermeidung von Wirbelströmen wird beispielsweise in der US 4,715,331 vorgeschlagen, das Joch der Elektromagneten entsprechend dem Eisenkern eines Transformators aus weichmagnetischen Blechen zusammenzusetzen.

Die Nachteile derartig geblechter Joche besteht in der geringen mechanischen Festigkeit des Blechpaketes sowie in der hohen Anzahl von Einzelteilen, die bei der Herstellung der Elektromagnete gehandhabt und bearbeitet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung anzugeben, bei dem Wirbelströme im Joch der Elektromagneten wirkungsvoll unterdrückt werden, bei dem die Elektromagneten bei der Herstellung einfach gehandhabt und bearbeitet werden können, und bei dem die Joche die notwendige mechanische Festigkeit aufbringen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach das Joch der Elektromagneten aus mindestens einem massiven Basisteil besteht, und wonach in das mindestens eine massive Basisteil im Bereich des Spulenfensters ein aus Blechen bestehendes Blechpaket eingesetzt ist.

Dazu sind die Bleche des Blechpaketes U-förmig ausgebildet, wobei in den U- förmigen Blechen des Blechpaketes die Erregerspulen angeordnet sind.

Dabei ist vorgesehen, daß die U-förmigen Bleche des Blechpaketes untereinander keine elektrisch leitfähige Verbindung aufweisen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bleche des Blechpaketes so geformt sind, daß die Bleche immer senkrecht zum Spulenfenster angeordnet sind.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß mehrere Bleche des Blechpaketes zu einem gemeinsamen Teil zusammengefaßt sind. Beispielsweise werden mehrere, genau parallel nebeneinander angeordnete U-förmige Bleche als U-förmige Stange ausgebildet.

In einer nächsten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bleche des Blechpaketes mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sind, die elektrisch nicht leitfähig ist.

In einer letzten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf der das Spulenfenster aufweisenden Seite der Joche der Elektromagnete eine die Bleche des Blechpaketes fixierende Abdeckung angeordnet ist.

Durch den erfindungsgemäßen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung, bei dem in das mindestens eine massive Basisteil ein aus Blechen bestehendes Blechpaket eingesetzt ist, wird durch die Schlitze zwischen den Blechen die Entstehung von Wirbelströmen im Joch der Elektromagneten wirksam unterdrückt, wobei durch das mindestens eine massive Basisteil die Joche bei der Herstellung einfach gehandhabt und bearbeitet werden können, und wobei die Joche, und damit die Elektromagnete, die notwendige mechanische Festigkeit aufbringen.

Im folgenden wird der Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, die jeweils aus einem Joch mit einem Spulenfenster und einer Erregerspule bestehen, anhand von drei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit vier Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung,

Fig. 2 die schematische Darstellung des massiven Jochs eines Elektromagneten, in das im Bereich des Spulenfensters ein Blechpaket eingesetzt ist,

Fig. 3 die schematische Darstellung des massiven Jochs eines Elektromagneten, in das ein Blechpaket eingesetzt ist, bei dem die Bleche immer senkrecht zum Spulenfenster angeordnet sind,

Fig. 4 die schematische Darstellung des massiven Jochs eines Elektromagneten, in das ein Blechpaket eingesetzt ist, bei dem jeweils gleiche, sich berührende Bleche zu jeweils einem größeren Formteil zusammengefaßt sind.

In Fig. 1 ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung dargestellt, der im wesentlichen aus zwei Elektromagneten, dem Öffnermagnet 3 und dem Schließermagnet 2 besteht. Die Elektromagneten bestehen jeweils aus dem Joch 2.1, 3.1 mit dem Spulenfenster 2.2, 3.2 und der Erregerspule 2.3, 3.3. Die Joche 2.1, 3.1 der Elektromagnete bilden ein massives und stabiles Basisteil, das hohen auftretenden Kräften lange Zeit widersteht. Das in den Jochen 2.1, 3.1 der Elektromagnete übliche Spulenfenster 2.2, 3.2 ist zur Aufnahme der Bleche 9.1 des Blechpaketes vergrößert ausgebildet. Zur Aufnahme der Erregerspule 2.3, 3.3 ist der wesentliche Teil der Bleche 9.1 U-förmig ausgearbeitet, wobei die offene Seite der U-förmigen Bleche 9.1 zur Jochoberseite hin orientiert ist. Die Aussparung der U-förmigen Bleche 9.1 bildet das eigentliche Spulenfenster 2.2, 3.2, in das die Erregerspule 2.3, 3.3 eingesetzt ist. Die Elektromagneten werden durch zwei aus einem nicht ferromagnetischen Material gefertigte Distanzstücke 4 voneinander getrennt. Zwischen den Distanzstücken 4 oszilliert die Ankerplatte 5, an der der Ventilstößel 6.1 befestigt ist, der die auf die Ankerplatte 5 einwirkenden Kräfte über eine Durchführung im Joch 3.1 des Öffnermagneten 3 auf ein Gaswechselventil überträgt.

In der Verlängerung des Ventilstößels 6.1 liegt auf der Ankerplatte 5 ein Federstößel 7.1 auf, der in einer Durchführung im Joch 2.1 des Schließermagneten 2 gelagert ist, und der die auf die Ankerplatte 5 einwirkenden Kräfte auf die Aktorfeder 7.2 überträgt. Dazu ist an dem der Ankerplatte 5 entgegengesetzten Ende des Federstößels 7.1 ein Aktorfederteller 7.3 ausgearbeitet, auf dem die Aktorfeder 7.2 aufliegt, und über den die Aktorfeder 7.2 den Federstößel 7.1 gegen die Ankerplatte 5 preßt.

Die Aktorfeder 7.2 befindet sich in einer radialsymmetrisch um die Durchführung des Federstößels 7.1 ausgebildeten, eine Wandung bildende Ausformung des Jochs 2.1 des Schließermagneten 2. Die Wandung weist auf der Innenseite ein Gewinde auf, in das ein Schraubdeckel 8 eingeschraubt ist. Mittels des Schraubdeckels 8 kann die Vorspannung der Aktorfeder 7.2 verändert werden.

Beim Betrieb des Aktors werden die Elektromagneten üblicherweise abwechselnd bestromt, wobei sich in den Jochen 2.1, 3.1 der Elektromagneten aufgrund der sich ändernden magnetischen Felder Wirbelströme ausbilden. Die Wirbelströme wirken entsprechend der Lenz'schen Regel ihrer Ursache, der Magnetfeldänderung, entgegen, wodurch der Aufbau und der Abbau der magnetischen Felder gedämpft bzw. verlangsamt wird. Daraus resultiert beim Betrieb der Aktoren eine Zunahme der Leistungsaufnahme und ein Anstieg der unerwünschten Erwärmung der Aktoren. Die Wirbelströme bilden sich im Joch 2.1, 3.1 vorzugsweise im Randbereich des Spulenfensters 2.2, 3.2 aus.

In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils das Joch 3.1 des Öffnermagneten 3 dargestellt. Das nicht dargestellte Joch 2.1 des Schließermagneten 2 ist jeweils komplementär zum Joch 3.1 des Öffnermagneten 3 ausgebildet. Die einzelnen, im Bereich des Spulenfensters 2.2, 3.2 angeordneten Bleche 9.1 des Blechpaketes 9 sind vorzugsweise durch eine Oberflächenbeschichtung miteinander verbunden, wodurch die einzelnen Bleche 9.1 des Blechpaketes 9 gegeneinander elektrisch isoliert sind, und wodurch das Blechpaket 9 wie ein einzelnes Teil gehandhabt werden kann. Gegebenenfalls können die Bleche 9.1 des Blechpaketes durch ein auf die Joche 2.1, 3.1 aufgeschraubtes Abdeckblech fixiert werden.

In der Fig. 2 ist das Joch 3.1 des Öffnermagneten 3 dargestellt, in das im Bereich des Spulenfensters 3.2 ein aus einzelnen Blechen 9.1 bestehendes Blechpaket 9 eingesetzt ist. Das Blechpaket 9 besteht dabei aus vielen parallel zueinander angeordneten Blechen 9.1. Die Bleche 9.1 sind in der langen Achse des rechteckigen Aktors senkrecht zur Wandung des Spulenfensters 3.2 angeordnet. Entsprechend sind die Bleche 9.1 in der kurzen Achse des Aktors parallel zur Wandung des Spulenfensters 3.2 angeordnet.

Durch die aneinander liegenden, gegeneinander isolierten Bleche 9.1 des Blechpaketes 9 entstehen eine Vielzahl von Schlitzen 9.2, die beim Betrieb des Aktors der Entstehung von Wirbelströmen entsprechend einem hochohmigen Widerstand entgegenstehen. Durch die Vermeidung von Wirbelströmen nimmt die Leistungsaufnahme beim Betrieb der Aktoren um bis zu 20% ab. Durch die geringere Leistungsaufnahme der Aktoren kann auch die Kühlung entsprechend geringer ausgelegt werden.

In der Fig. 3 ist ebenfalls das Joch 3.1 des Öffnermagneten 3 mit einem vergrößert ausgearbeiteten Spulenfenster 3.2 dargestellt, in dem die die Erregerspule 3.3 tragender U-förmigen Bleche 9.1 des Blechpaketes 9. eingesetzt sind. Die Bleche 9.1 des Blechpaketes 9 sind dabei jedoch so ausgearbeitet, daß die sich zwischen zwei Blechen 9.1 bildenden Schütze 9.2 immer senkrecht zum Spulenfenster 3.2 orientiert sind. Dadurch stehen die Schlitze 9.2 senkrecht zu den sich ausbildenden Wirbelströmen, wodurch diese sehr effektiv unterdrückt, werden.

In der Fig. 4 ist ebenfalls das Joch 3.1 des Öffnermagneten 3 mit einem vergrößert ausgearbeiteten Spulenfenster 3.2 dargestellt, in dem die die Erregerspule 3.3 tragenden U-förmigen Bleche 9.1 des Blechpaketes 9 eingesetzt sind. Dabei sind benachbarte, gleichförmige Bleche 9.1 des Blechpaketes 9 der Fig. 3 zu jeweils einem größeren Formteil zusammengefaßt. Dadurch entstehen vier gerundete Formteile als Eckstücke und zwei mal zwei Formteile für die geraden Abschnitte des Spulenfensters 3.2. Die Vorteile dieser Ausführung beruhen darauf, daß sich die Wirbelströme vorzugsweise in der Nähe des Spulenfensters 3.2 ausbilden, und daß die Wirbelströme bereits durch wenige Schlitze 9.2 wirkungsvoll unterdrückt werden können.

Diese Ausführung bietet durch die geringere Anzahl zu bearbeitender Bleche 9.1 vor allem deutliche Kostenvorteile bei der Herstellung und bei der Montage des Blechpaketes 9.

Durch den Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung, bei dem die Joche 2.1, 3.1 der Elektromagneten aus mindestens einem massiven Basisteil bestehen, und bei dem in das mindestens eine massive Basisteil im Bereich des Spulenfensters 2.2, 3.2 ein aus Blechen 9.1 bestehendes Blechpaket 9 eingesetzt ist, werden Wirbelströme wirkungsvoll vermieden, wobei die loche 2.1, 3.1 eine hohe Festigkeit aufweisen und bei der Herstellung einfach gehandhabt werden können.


Anspruch[de]
  1. 1. Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten (2, 3), zwischen denen eine Ankerplatte (5) mit mindestens einem Stößel (6.1) oszilliert, und die jeweils aus einem Joch (2.1, 3.1) mit einem Spulenfenster (2.2, 3.2) und einer Erregerspule (2.3, 3.3) bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Joche (2.1, 3.1) der Elektromagneten (2, 3) aus mindestens einem massiven Basisteil bestehen, und daß in das mindestens eine massive Basisteil im Bereich des Spulenfensters (2.2, 3.2) ein aus Blechen (9.1) bestehendes Blechpaket (9) eingesetzt ist.
  2. 2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (9.1) des Blechpaketes (9) U-förmig ausgebildet sind, und daß in den U-förmigen Blechen (9.1) des Blechpaketes (9) die Erregerspulen (2.3, 3.3) angeordnet sind.
  3. 3. Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (9.1) des Blechpaketes (9) gegeneinander elektrisch isoliert sind.
  4. 4. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (9.1) des Blechpaketes (9) so geformt sind, daß die Bleche (9.1) immer senkrecht zum Spulenfenster (2.2, 3.2) angeordnet sind.
  5. 5. Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bleche (9.1) des Blechpaketes (9) zu einem gemeinsamen Formteil zusammengefaßt sind.
  6. 6. Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (9.1) des Blechpaketes (9) mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sind, die elektrisch nicht leitfähig ist.
  7. 7. Aktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbeschichtung eine Pulverbeschichtung, eine Kunststoffbeschichtung, eine Lackierung oder ein Klebstoff ist.
  8. 8. Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite des Spulenfensters (2.2, 3.2) der Joche (2.1, 3.1) der Elektromagnete (2, 3) eine das Blechpaket (9) fixierende Abdeckung angeordnet ist.






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