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Dokumentenidentifikation DE19922424C2 30.04.2003
Titel Elektromagnetischer Stellantrieb
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE;
Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Warnecke, Volker, 93152 Nittendorf, DE;
Löbbering, Ferdinand, 93087 Alteglofsheim, DE;
Hörl-Liegl, Albert, 85570 Ottenhofen, DE;
Hundt, Wolfgang, Dr., 81247 München, DE
DE-Anmeldedatum 14.05.1999
DE-Aktenzeichen 19922424
Offenlegungstag 30.11.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.2003
IPC-Hauptklasse H01F 7/08
IPC-Nebenklasse F01L 9/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine.

Stellantriebe für Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwellenbetätigten Ventilen werden elektromagnetisch betätigte Ventile zum Öffnen und Schließen in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert. Dabei muß der Stellantrieb in der Lage sein, hohe Kräfte aufzubringen, insbesondere beim Öffnen eines Auslassventils, und die jeweilige Endstellung des Gaswechselventils beim Öffnen und Schließen muß mit Sicherheit erreicht werden.

Aus der DE 197 35 375 C1 ist ein elektromagnetischer Stellantrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine bekannt, der einen ferromagnetischen Spulenkörper mit einer darin eingesetzten Wicklung sowie einen Anker aufweist, der mit einem Ankerschaft im Spulenkörper verschieblich ist, wobei der Anker in mindestens einer Endstellung an der Polfläche des Spulenkörpers anliegt. Der Anker wird von zwei Federn in einer Mittelstellung zwischen zwei Elektromagneten gehalten.

Durch Bestromung eines der Elektromagnete kann der Anker in die jeweilige, dem Elektromagneten zugeordnete Endstellung angezogen und dort gehalten werden. Um den Stellantrieb von einer Endstellung in die andere zu überführen, wird die Bestromung der haltenden Spule beendet und die andere Spule bestromt, wodurch der Anker unter der Kraft der Federn sowie des eingeschalteten Elektromagneten in die andere Endstellung bewegt wird. Der Anker sowie der Ankerschaft und das davon angetriebene Gaswechselventil sowie die Federn stellen zusammen einen Feder-Masse-Schwinger dar. Dessen Eigen- oder Resonanzfrequenz ist entscheidend für die Geschwindigkeit, mit der der Anker zwischen den Endstellungen bewegt werden kann.

Da man bei einem derartigen Stellantrieb naturgemäß minimale Schaltzeiten von einer zur anderen Endstellung haben möchte, was insbesondere bei Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen wichtig ist, muß man die Eigen- oder Resonanzfrequenz des Federmasseschwingers so hoch wie möglich wählen.

Eine Möglichkeit dies zu erreichen, wäre die Verwendung harter Ventilfedern. Der Federhärte ist jedoch durch die vom Elektromagneten aufbringbare Kraft eine Grenze gesetzt, da bei einer zu harten Feder kein sicheres Anziehen in die Endstellung oder Halten in der Endstellung mehr gewährleistet wäre.

Ein anderer Ansatzpunkt könnte darin gesehen werden, den Anker möglichst leicht zu bauen. Die Fläche des Ankers ist jedoch durch die aufzubringende Kraft vorgegeben, und der Dicke des plattenförmigen Ankers sind aus Stabilitätsgründen Grenzen gesetzt, da ein zu dünner Anker sich im angezogenen Zustand verbiegen könnte. Dies hätte zur Folge, daß ein sanftes Aufsetzen nicht mehr gewährleistet werden kann.

Aus der DE 195 30 121 A1 ist ein ähnlicher elektromagnetischer Stellantrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Wicklung in Schlitze des Spulenkörpers eingesetzt ist und der Anker an Stellen, die den Bereichen der Schlitze zugewandt liegen, eine Eintiefung zur Verringerung der Dicke des plattenförmigen Ankers hat. Die Dicke des Ankers ist somit an Stellen, in denen kein Magnetfluss in den Anker eingekoppelt wird, verringert. Hierdurch werden Material und Gewicht eingespart. Dadurch ist der Anker leichter, und die Resonanzfrequenz des Federmasseschwingers liegt höher.

Aus der DE-PS 678 793 ist ein elektromagnetischer Antrieb in Form eines Hubmagneten etwas anderer Gattung bekannt, bei dem der aus Eisen bestehende Spulenkörper zwei gegenüberliegende Pole hat, die zwischen sich einen Luftspalt bilden. Der Anker hat eine solche Form, dass er in den Luftspalt zwischen den beiden Polen eintauchen kann, um den Magnetkreis zu schließen. Der Anker ist bei einem Ausführungsbeispiel stabförmig und bei einem anderen Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Stellantrieb zu schaffen, dessen Anker zur Erzielung einer hohen Resonanzfrequenz ein möglichst geringes Gewicht und dennoch eine ausreichend hohe Biegesteifigkeit hat.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierte Erfindung gelöst.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung ist der plattenförmige Anker mit Profilstrukturen und der Spulenkörper mit einem entsprechenden Negativprofil versehen. Die versteifenden Stege verleihen dem plattenförmigen Anker eine hohe Biegesteifigkeit. Der eigentliche plattenförmige Bereich des Ankers kann daher sehr dünn ausgebildet werden. Die Resonanzfrequenz des Ankers ist entsprechend hoch, was ein schnelles Schalten und sanftes Aufsetzen des Ankers erlaubt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen elektromagnetischen Stellantrieb,

Fig. 2 eine Detaildarstellung des Ankers,

Fig. 3 eine Darstellung des Spulenkörpers mit eingesetzter Wicklung,

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung von Spulenkörper und Wicklung,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ankers und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung dieses Ankers mit dem entsprechenden Spulenkern.

Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Stellantrieb 1 für ein Tellerventil, das aus einem Ventilteller 2 mit einem Ventilsitz 3 und einem Ventilschaft 4 besteht, der in einer gehäuseseitigen Führung 5 gelagert ist und am oberen Ende mit einem Kegelstück 6 versehen ist. Der Ventilteller 2 ist zwischen zwei Endstellungen bewegbar: In einer oberen Endstellung ist das Ventil geschlossen und in einer unteren Endstellung geöffnet. Eine zwischen der gehäuseseitigen Führung 5 und dem Ventilkegel 6 angeordnete Feder 8 beaufschlagt den Ventilteller 2 in die Schließstellung.

Der elektromagnetische Stellantrieb 1 weist einen oberen ferromagnetischen Spulenkörper 10 und einen unteren ferromagnetischen Spulenkörper 12 auf, in die jeweils eine Wicklung 14 und 16 eingesetzt ist.

Innerhalb des oberen Spulenkörpers 10 ist ein Ankerschaft 17 verschieblich gelagert, der einen plattenförmigen Anker 18 aufweist, der zwischen den beiden Wicklungen 14 und 16 liegt. Die der Ankerscheibe 18 zugeordneten Stirnseiten sind die Polflächen 19 und 20 der beiden Spulenkörper 10 und 12. Sie bilden die Anschläge für den Anker 18 und definieren damit die obere und untere Endstellung des elektromagnetischen Stellantriebes 1 in der das angetriebene Ventil geöffnet bzw. geschlossen ist.

Eine weitere Feder 22 ist zwischen einem auf dem Ankerschaft 17 befestigten Federteller und einem gehäuseseitigen Anschlag 24 angeordnet und beaufschlagt den Anker 18 in Richtung der Öffnungsstellung des Ventiltellers 2. Der Anker 18 liegt in Fig. 1 auf dem Ventilschaft 4 auf, es sind aber auch andere Konstruktionen möglich. So kann der Ankerschaft 17 zylindrisch sein und sich von beiden Seiten des Ankers 18 weg erstrecken und durch die Spulenkörper 10, 12 laufen.

Solange die Wicklungen 14 und 16 stromlos sind, wird der Anker 18 von den beiden Federn 8 und 22 in der Mittelstellung zwischen den beiden Polflächen 19 und 20 gehalten, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Die beiden Wicklungen 14 und 16 werden jeweils von einer Treiberschaltung 26, 27 bestromt, die von einer Regelschaltung 28 angesteuert werden.

Um die Position des Ankers 18 und damit des Ventiltellers 2 messen zu können, ist zwischen der gehäuseseitigen Abstützung 24 und der Feder 22 ein Piezoelement 30 angeordnet, das die Kraft der Feder 22 mißt.

In den Fig. 3 und 4 sind der obere Spulenkörper 10 und die Wicklung 14 genauer dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung und Fig. 3 den Spulenkörper 10 mit eingesetzter Wicklung 14. Der Spulenkörper 10 besteht aus einem ferromagnetischen Material. Er weist Schlitze 38 auf, in die die Wicklung 14 so eingesetzt werden kann, daß ihre Anschlüsse 37 aus dem Spulenkörper 10 herausragen. Durch ein Loch im Spulenkörper 10 läuft der Ankerschaft 17. Die Polfläche 19 wird durch die Flächen 19a, 19b und 19c gebildet. An dieser Polfläche 19 liegt der Anker 18 an, wenn er in der entsprechenden Endstellung ist. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, entsteht an den Stellen, an denen sich im Spulenkörper die Schlitze 38 befinden ein Bereich 36, wenn die Wicklung 14 in den Spulenkörper 10 eingesetzt ist. In diesem Bereich 36 ist die Polfläche 19 unterbrochen und wird so in die Flächen 19a, 19b und 19c geteilt.

Der Spulenkörper 12 mit der Wicklung 20 ist ähnlich aufgebaut wie der Spulenkörper 10 mit der Wicklung 14. Zwischen diesen beiden Spulenkörpern liegt der Anker 18, der in Fig. 2 genauer dargestellt ist.

In Fig. 2 ist ein Anker 18 dargestellt, der auf einem Ankerschaft 17 befestigt ist, welcher von einem Rundzylinderstab gebildet wird. Dieser Rundzylinderstab läuft durch ein Loch im Spulenkörper 10 und im ähnlich aufgebauten Spulenkörper 12. Der Anker 18 besteht aus einem hochferromagnetischen Material und hat an den Stellen, die dem Bereich 36 gegenüberliegen, Eintiefungen 35. Diese Eintiefungen vermindern die Kraft des Elektromagneten nicht, da der Anker 18 dennoch an den Flächen 19a, 19b, 19c der Polfläche 19 flächig anliegt, an denen der magnetische Fluß in den Anker 18 einkoppelt. Die Eintiefung 35 mindert die durch den Elektromagneten des elektromagnetischen Stellantriebes ausübbare Kraft deshalb nicht, da im Bereich 36 über der in den Schlitz 38 eingesetzten Wicklung 14 kein Magnetfluß in den Anker eingekoppelt wird.

Die Eintiefung 35 beträgt bei einem 5 mm dicken Anker 18 zwischen 0,5 und 1 mm. Bei einem elektromagnetischen Stellantrieb, der nur einen Elektromagneten aufweist, kann sie auch tiefer, beispielsweise 2 mm sein. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Eintiefung zwischen 0,6 und 1 mm, besonders bevorzugt sind etwa 0,8 mm Tiefe. Dann ist gewährleistet, daß der Anker 18 ausreichende mechanische Stabilität hat, bzw. daß die Restdicke im Bereich der Eintiefung ausreichend ist, um zu verhindern, daß der Anker sich im Betrieb durchbiegt.

Durch die Eintiefung werden die mechanischen und die elektromagnetischen Eigenschaften des Ankers 18 nicht verändert, und er ist dennoch leichter.

Da der Anker 18 an seinem Randbereich keine einer Durchbiegung entgegenwirkende Stabilität aufweisen muß, kann er nach außen, d. h. zu den Flächen 19a und 19c hin verjüngt ausgebildet werden. Dann muß die Polfläche 19 des Spulenkerns 10 das entsprechende Negativprofil aufweisen, um sicherzustellen, daß in der Endstellung der Anker flächig an der Polfläche 19 anliegt. Durch diese Bauweise kann der Anker weiter gewichtsreduziert werden, wodurch die Eigenfrequenz des Feder-Masse- Schwingers weiter steigt.

Eine alternative Bauweise des Ankers zeigen die Fig. 5 und 6. Der Anker 18 hat versteifende Stege 40, 41, die seine Biegesteifigkeit beispielsweise in Längsrichtung bei einem Anker mit nicht-quadratischer Grundform erhöht. Da der Anker 18 flächig an der Polfläche 19 des Spulenkerns 12 anliegen können muß, weist der Spulenkern eine entsprechende Negativprofilierung mit entsprechenden Ausnehmungen 42, 43 auf.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektromagnetischer Stellantrieb, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit

    mindestens einem ferromagnetischen Spulenkörper (10, 12) in den eine Wicklung (14, 16) eingesetzt ist, und

    einem Anker (18), der plattenförmig ausgebildet und mit einem Ankerschaft (17) im Spulenkörper (10, 12) verschieblich ist,

    wobei, der Anker (18) in mindestens einer Endstellung ander Polfläche (19, 20) des Spulenkörpers (10, 12) anliegt und

    der Anker (18) Profilstrukturen in Form von Stegen (40, 41) und der Spulenkörper (10, 12) entsprechende Negativprofilstrukturen aufweist.
  2. 2. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (18) eine nicht-quadratische Grundform hat und die Stege (40, 41) in Längsrichtung des Ankers (18) verlaufen.
  3. 3. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (14, 16) in Schlitze (38) des Spulenkörpers (10, 12) eingesetzt ist und der Anker an Stellen, die den Bereichen (36) der Schlitze (38) zugewandt liegen, mindestens eine Eintiefung (35) zur Verringerung der Dicke des plattenförmigen Ankers (18) hat.
  4. 4. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Ankers (18) im Bereich der Eintiefung (35) so groß ist, daß der Anker (18) ausreichende Biegesteifigkeit hat.
  5. 5. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintiefung (35) zwei Längsnuten auf jeder Seite des Ankers (18) aufweist, die einer Polfläche (19, 20) zugewandt sind.
  6. 6. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintiefung (35) bei einem 5 mm dicken Anker (18) zwischen 0,5 und 2 mm tief ist.
  7. 7. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Ankers (18) zum Rand hin abnimmt und die Polfläche (19, 20) des Spulenkörpers (10, 12) die entsprechende Negativprofilierung aufweist.






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