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Dokumentenidentifikation DE102005017482B4 03.05.2007
Titel Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor
Anmelder Compact Dynamics GmbH, 82319 Starnberg, DE
Erfinder Gründl, Andreas, Dr., 81377 München, DE;
Hoffmann, Bernhard, 82319 Starnberg, DE
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Anmeldedatum 15.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005017482
Offenlegungstag 02.11.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse F01L 9/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Gaswechselventil, bei dem die Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilgliedes nicht durch eine Nockenwelle bewirkt und gesteuert wird. Vielmehr wird bei dem erfindungsgemäßen Gaswechselventil das Ventilglied elektrisch betätigt.

Stand der Technik

Aus der JP-A-3-92518 ist eine Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren bekannt, bei der der Ständer aus zwei etwa halbzylindrischen Schalen aufgebaut ist, die sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung jeder Schale geteilte, dem Läufer zugewandte Zähne aufweisen. Die einzelnen Zähne jeder Schale sind jeweils von einer Spule umgeben, deren Mittellängsachse in radialer Richtung verläuft. Dadurch ergibt sich ein in radialer Richtung orientierter magnetischer Fluss, der ausgehend von jedem einzelnen der Vielzahl von Zähnen, durch den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer, in den Läufer fließt.

Eine insoweit übereinstimmende Ausgestaltung des Ständers, der Ständerspulen und des Läufers einer Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren ist in der US 5,129,369 beschrieben. Auch hier sind in radialer und tangentialer Richtung unterteilte Zähne des Ständers jeweils von einer Spule umgeben, deren Mittellängsachse in radialer Richtung verläuft.

Auch die EP 0 485 231 A1 zeigt eine ähnliche Art der Gestaltung des Ständers, der Ständerspulen und des Läufers einer Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren. Auch hier sind in radialer und tangentialer Richtung unterteilte Zähne des Ständers jeweils von einer radial orientierten Spule umgeben.

Diese Anordnungen erfordern in der Herstellung einen sehr hohen Aufwand, da die Montage der Spulen um die einzelnen Zähne herum schwierig zu realisieren ist. Außerdem ist die bei diesem Aufbau erzielbare Polteilung relativ groß.

Aus der DE 103 60713 A1 ist ein elektromagnetischer Linearaktuator mit einem eine magnetische Einheit aufweisenden Stator zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Zwischenraum und mit einem eine Spule aufweisenden Läufer bekannt, der mit Luftspalten vom Stator getrennt in dem Zwischenraum entlang der Längsachse des bewegbar ist, so dass ein Magnetfluss im Luftspalt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers verläuft. Die magnetische Einheit des Stators hat sich konisch in Richtung des Zwischenraums zum Läufer hin verjüngende Permanentmagnete. Angrenzend an die Permanentmagnete sind im Stator sich konisch in Richtung des Zwischenraums zum Läufer hin verbreiternde Flusskonzentratorelemente angeordnet.

Aus der WO98/55741 ist eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor bekannt, mit einem elektrischen Wanderfeldmotor als Aktor für ein Ventilglied, der einen mit einem Ventilglied gekoppelten Läufer und einen Ständer aufweist. Der Ständer ist aus Blechen aufgebaut, deren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers orientiert ist. Der Ständer hat dem als Synchron- oder Asynchronläufer ausgebildeten Läufer zugewandte Zähne, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer zugewandte Zylindermantelfläche haben. Jeweils zwischen zwei benachbarten Zähnen des Ständers sind Ständerspulenkammern gebildet, in denen jeweils eine parallel zu der Fläche der Bleche orientierte Spule angeordnet ist.

Aus der US 6,039,014 ist eine von einem Linearmotor angetriebene Ventilanordnung für einen Verbrennungsmotor bekannt. Hierbei weist ein Ständer des Linearmotors mehrere Spulen auf, die jeweils durch einen ferromagnetischen Gehäuseabschnitt voneinander getrennt sind. Ein Läufer ist aus mehreren, aus einem dauermagnetischen Material bestehenden Abschnitten aufgebaut, zwischen denen jeweils aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Abschnitten angeordnet sind.

Aus der DE 195 18 056 A1 ist eine Gasventilsteuerung mit einem Gaswechselventil bekannt, das durch eine Elektromagnetanordnung betätigt wird. Dabei wird durch eine besondere Ausgestaltung des Polschenkels der Elektromagnetanordnung ein auf die Bewegung des Ankers bezogenes Signal in der Ansteuerleitung der Elektromagnetanordnung erzeugt. Dieses Signal kann ausgewertet werden, um beliebige Ankerpositionen ohne zusätzliche Sensoren zu erkennen. Ein großes Problem beim Einsatz einer Elektromagnetanordnung zur Betätigung des Ventils ist die hohe Geräuschentwicklung beim Erreichen der jeweiligen Endstellungen, das abrupte Abbremsen beim Erreichen der Endstellungen sowie die erforderlichen hohen Halteströme.

Gleiches gilt für verschiedentlich vorgeschlagene Differential-Elektromagnetanordnungen, die zum Erreichen des erforderlichen Schubes von etwa 300–400 N für PKW-Verbrennungsmotoren gezielt mit ansteigenden Strömen beaufschlagt werden. Damit führt das durch eine Federanordnung belastete Ventil zunächst eine Schwingbewegung aus, bevor eine an dem Ventilschaft angeordnete Eisenplatte an dem Anker der Elektromagnetanordnung anliegt, so dass ein sehr viel geringerer Haltestrom erforderlich ist. Allerdings ist hierbei die maximale Drehzahl des Verbrennungsmotors erheblich begrenzt. Die Anlaufzeit beim Start ist relativ hoch, da es wegen der notwendigen hohen Kraft einige Zeit dauert, bis sich die Ventilanordnung in ihre gewünschte Stellung geschwungen hat.

Weitere Dokumente, die technischen Hintergrund für die Erfindung zeigen, sind ohne Anspruch auf Vollständigkeit: DE 33 07 070 A1, DE 35 00 530 A1, EP 244 878 B1, WO 90/07635, US 4,829,947, EP 377 244 B1, EP 347 211 81, EP 390 519 B1, EP 328 194 B1, EP 377 251 B1, EP 312 216 B1, US 4,967,702, US 3,853,102, DE 10 2004 003220 A1, US 4,829,947, US 4,915,015, WO 90/07637, EP 244 878 B1, EP 328 195 A2.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem

Alle Konzepte, die in den vorstehend genannten Dokumenten beschrieben sind, haben gemeinsam, dass mit ihnen der für Gaswechselventile in Verbrennungsmotoren erforderliche Hub, Schub und Dynamik bei ausreichend kompaktem Aufbau und hoher Zuverlässigkeit für den Groß-Serien-Einsatz in KFZ-Motoren nicht erreicht werden. Außerdem sind bekannte Anordnungen in der Herstellung sehr kostenintensiv und benötigen viel Bauraum.

Erfindungsgemäße Lösung

Zur Behebung dieser Nachteile lehrt die Erfindung einen Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor, der durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist.

Aufbau, Weiterbildungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung

Erfindungsgemäß hat der Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor einen mit einem Ventilglied zu koppelnden Läufer und einem Ständer, wobei der Läufer wenigstens einen Stapel übereinander angeordneter, dauermagnetischer Stäbe aufweist. Der Ständer ist zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material gebildet und weist wenigstens ein Zahnpaar mit einander gegenüberstehenden Zähnen auf, von denen jedes Zahnpaar einen Stapel zwischen sich unter Bildung eines jeweiligen Luftspaltes aufnimmt. Der Ständer weist wenigstens zwei magnetisch leitende innere Bereiche auf, die in der Bewegungsrichtung des Läufers voneinander in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind und jeweils zumindest teilweise von einer im Wesentlichen hohlzylindrischen Spulenanordnung umgeben sind, deren Mittellängsachse etwa quer zu der Bewegungsrichtung des Läufers orientiert ist. In seiner einfachsten Ausgestaltung hat der Läufer einen Stapel übereinander angeordneter, dauermagnetischer Stäbe. Seitlich daneben sind auf einer Seite des Läufers die Spulenanordnung des Ständers sowie die von den Spulenanordungen umgebenen wenigstens zwei magnetisch leitenden inneren Bereiche angeordnet.

Dabei hat die Erfindung erkannt, dass bei einer solchen Anordnung die beiden Spulenanordnungen so betrieben werden können, dass der magnetische Fluss durch den einen der beiden magnetisch leitenden inneren Bereiche zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen gegengleich zum magnetischen Fluss durch den anderen magnetisch leitenden inneren Bereich ist. Somit bildet die Gesamtanordnung aus den beiden Spulenanordnungen mit der zugehörigen Ständeranordnung im Zusammenspiel mit den dauermagnetischen Läuferstäben einen in sich geschlossener Magnetkreis. Mit anderen Worten kann bei der Erfindung der von der einen Spulenanordnung in die eine Richtung induzierte magnetische Fluss von der anderen Spulenanordnung zur gleichen Zeit in die andere Richtung induziert werden, so dass sich der Kreis schließt.

Erfindungsgemäß kann der Läufer zwei oder mehr voneinander in einem vorbestimmten Abstand angeordnete Stapel dauermagnetischer Stäbe aufweisen und die magnetisch leitenden inneren Bereiche des Ständers können zwischen den Stapeln des Läufers angeordnet sein.

Ein weiteres der Erfindung zugrunde liegendes Konzept besteht darin, den die Ankerdurchflutung bewirkenden Teil des Ständers, nämlich den Spulenbereich mit der Ständerspulenanordnung räumlich aus dem die Kraft des Linearmotors bildenden Teil, nämlich dem Zahnbereich des Ständers "herauszutrennen". Damit kann im Vergleich zu herkömmlichen Linearmotoren, bei denen die Ständerspulen jeweils zwischen zwei Zähnen des Ständers angeordnet sind, eine erheblich höhere Ankerdurchflutung erreicht werden. Dies liegt daran, dass die Spule durch die erfindungsgemäße Gestaltung erheblich weniger räumliche Einschränkungen hat und so auf minimale (ohmsche) Verluste – und damit einhergehende maximale Magnetfeldinduktion – optimiert werden kann. Die Anordnung der Ständerspulenanordnung, deren Mittellängsachse quer zur Bewegungsrichtung des Läufers orientiert ist oder mit anderen Worten im Wesentlichen mit der Mittellängsachse zweier einander gegenüberstehender Zähne eines Zahnpaares fluchtet, ist magnetisch besonders effizient, da der durch eine so orientierte Spule induziert magnetische Fluss durch die zu beiden Stirnseiten der Spule befindlichen Zahnpaare gleichermaßen fließt. Damit wird in beiden Stapeln der dauermagnetischen Stäbe eine übereinstimmende Kraft erzeugt. Dies vermeidet ohne weitere besondere Maßnahmen einen Schräglauf des Läufers.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die hohlzylindrische Spulenanordnung einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt gesehen längs ihrer Mittellängsachse M hat. Damit umschließt eine in der Außenkontur im Wesentlichen rechteckige Spule mit einer ebenfalls im Wesentlichen rechteckigen Außnehmung die jeweiligen magnetisch leitenden inneren Bereiche des Ständers.

Durch die Abmessungen der dauermagnetischen Stäbe in der Bewegungsrichtung des Läufers bzw. die Abmessungen eines Zahns des Ständers in der Bewegungsrichtung des Läufers ist eine Polteilung definiert, die kleiner ist als die Abmessung der Ständerspule in deren Längsrichtung.

Gleichermaßen werden die Kraft bzw. Bewegung hervorrufenden Läufermagnetpol/Ständerzahn-Anordnungen konzentriert, so dass diese nicht durch Ständerspulenanordnungen unterbrochen sind. Dies erlaubt eine sehr kleine Polteilung, welche wiederum eine hohe Kraftdichte bewirkt Außerdem sind mit der erfindungsgemäßen Anordnung Teilhübe des Ventilgliedes möglich. Damit könnte bei einem mit den erfindungsgemäßen Gaswechselventilaktoren ausgestatteten Verbrennungsmotor auf eine herkömmlich Drosselklappe bei der Zumessung des Luft-Kraftstoff-Gemisches und deren zugehörige Ansteuerung verzichtet werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Gaswechselventilantriebs besteht darin, dass praktisch nur die magnetisch wirksamen Komponenten (die Dauermagnete) zur trägen Masse des Läufers beitragen, während alle anderen Teile des Motors (Spulen, magnetischer Rückschluss, etc.) dem Ständer zugeordnet sind. Damit kann ein besonders hohes Verhältnis von durch den Aktor ausgeübter Kraft zu träger Masse erzielt werden. Außerdem ist der erfindungsgemäße Gaswechselventilantrieb hervorragend geeignet, in schnell laufenden Verbrennungsmotoren eingesetzt zu werden. Dabei kann insbesondere das Annähern des Ventilgliedes an die Endpositionen (Offen- oder Geschlossen-Stellung des Gaswechselventils) bei hoher Geschwindigkeit mit hohen Beschleunigungsänderungen erfolgen, so dass das Ventilglied im Ventilsitz mit minimaler Geschwindigkeit auftrifft, während das Ventilglied im übrigen mit sehr hohen Geschwindigkeiten bewegt wird. Außerdem steht in den Endbereichen des Bewegungsverlaufs die maximale Kraft zur Verfügung. Dies erlaubt einen sehr geräusch- und verschleißarmen, und wegen der erzielbaren hohen Haltekräfte in den Endstellungen gleichzeitig sehr sicheren Betrieb der erfindungsgemäßen Gaswechselventile.

Durch die sehr einfach gestaltbare (einphasige und hohlzylindrische, zum Beispiel im Querschnitt rechteckige) Anordnung der Ständerspulenanordungen ist es möglich, den Einfluss der auf die Spule wirkenden Rüttelkräfte gering zu halten, so dass Vibrationen der Spule oder Reibung der Spule an der Wandung der Ständerspulenkammer gering sind. Damit ist es möglich, mit minimalem Isolationsmaterial bzw. Auskleidungsmaterial der Ständerspulenkammer auszukommen. Auch dies trägt zur Kompaktheit und Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung bei. Außerdem bewirkt der einfache Aufbau eine hohe Leistungsdichte auch bei kleinen Gaswechselventilen, da der erzielbare Füllfaktor der Ständerspulenkammer (Spulenvolumen in der Ständerspulenkammer bezogen auf das Gesamtvolumen der Ständerspulenkammer) hoch ist.

Jeder Zahn kann erfindungsgemäß in der Bewegungsrichtung des Läufers eine Abmessung aufweisen, die im wesentlichen mit der Abmessung eines dauermagnetischen Stabes in der Bewegungsrichtung des Läufers übereinstimmt, so dass in einer vorbestimmten Stellung des Läufers wenigstens ein Zahnpaar des Ständers mit jeweils einem dauermagnetischen Stab fluchtet.

Vorzugsweise sind in der Bewegungsrichtung des Läufers sind benachbarte Zahnpaare des Ständers relativ zu der Abmessung der dauermagnetischen Stäbe in der Bewegungsrichtung des Läufers so bemessen, dass, zwischen zwei dauermagnetischen Stäben, die mit zwei einander benachbarten Zahnpaaren des Ständers fluchten; wenigstens ein weiterer der dauermagnetischen Stäbe angeordnet ist.

Erfindungsgemäß können die magnetisch leitenden inneren Bereiche an ihren, dem Läufer zugewandten Ende wenigstens einen der Zähne aufweisen. Im Fall von einem Läufer mit zwei Stapeln haben die zwischen den beiden Stapeln befindlichen magnetisch leitenden inneren Bereiche des Ständers an ihren, den Stapeln des Läufers zugewandten Enden die Zähne.

Weiterhin kann der Ständer wenigstens einen außerhalb des Stapels des Läufers liegenden magnetisch leitenden äußeren Bereich aufweisen, der an seinen, dem Stapel des Läufers zugewandten Ende wenigstens einen der Zähne aufweist.

Im Fall von einem Läufer mit zwei Stapeln kann der Ständer auch zwei außerhalb der beiden Stapel des Läufers liegende magnetisch leitende äußere Bereiche aufweisen, die an ihren, den Stapeln zugewandten Enden die Zähne aufweisen.

Erfindungsgemäß ist der außen liegende Bereich des Ständers zumindest in einem Teilabschnitt im Querschnitt im Wesentlichen kammförmig gestaltet. Dabei bilden die Zähne des Kamms die äußeren Zähne der Zahnpaare.

Benachbarte Stäbe eines Stapels haben erfindungsgemäß eine abwechselnde magnetische Orientierung, wobei die Längsachse dieser Orientierung im Wesentlichen mit der Mittellängsachse zweier einander gegenüberstehender Zähne eines Zahnpaares fluchtet.

Erfindungsgemäß kann die Mittellängsachse der Spulenanordnung etwa quer zur Bewegungsrichtung des Läufers orientiert sein. Gleichermaßen kann erfindungsgemäß die Mittellängsachse der Spulenanordnung etwa mit der Mittellängsachse zweier einander gegenüberstehender Zähne eines Zahnpaares fluchten oder zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel zu ihr orientiert sein. Dies erlaubt eine abgekröpfte Gestaltung der inneren Bereiche des Ständers, zum Beispiel um entsprechenden Montageraum für die Spulenanordnungen zu erhalten.

Der vorbestimmte Abstand zwischen den zwei magnetisch leitenden inneren Bereichen kann in Übereinstimmung mit der Erfindung so bemessen sein, dass er im Wesentlichen mit der Abmessung einer geraden Anzahl von dauermagnetischen Stäben der beiden Stapel in der Bewegungsrichtung des Läufers übereinstimmt.

Jeweils zwei benachbarte dauermagnetische Stäbe der beiden Stapel des Läufers können erfindungsgemäß durch magnetisch nicht wirksame Abstandshalter in einem vorbestimmten Abstand miteinander verbunden sein. Diese Abstandshalter können ein magnetisch nicht wirksames Leichtmaterial (Aluminium, Titan, Kunststoff – auch mit Glasfaser- oder Kohlefasereinlagerungen – oder dergl.) enthalten. Damit ist die träge Masse des Läufers gering aber seine Stabilität hoch.

Durch die Abmessungen der dauermagnetischen Stäbe in der Bewegungsrichtung des Läufers und die Abmessungen der Zähne des Ständers in der Bewegungsrichtung des Läufers kann erfindungsgemäß eine Polteilung definiert sein, die kleiner ist als die Abmessung der Ständerspulenanordnung in der Bewegungsrichtung des Läufers.

Der/die äußeren Bereich/e des Ständers können erfindungsgemäß zusätzlich oder an Stelle der inneren Bereiche des Ständers wenigstens eine Ständerspule aufweisen.

Die Abmessung der Spulenanordnung des Ständers in Bewegungsrichtung des Läufers kann erfindungsgemäß größer sein als der Abstand zwischen zwei benachbarten Zahnpaaren des Ständers.

Der Ständer (der innere und/oder der äußere magnetisch leitende Bereich) ist wegen des praktisch ausschließlich zweidimensionalen Magnetflussverlaufs durch den Ständer vorzugsweise aus Elektroblechteilen aufgebaut. Es ist jedoch auch möglich, ihn zumindest teilweise als einen weichmagnetischen Formkörper, vorzugsweise aus gepresstem und/oder gesintertem Metallpulver herzustellen.

Erfindungsgemäß bilden die äußeren Bereiche des Ständers zumindest teilweise einen magnetischen Rückschlusskörper.

Schließlich betrifft die Erfindung einen ventilgesteuerter Verbrennungsmotor (Ottomotor oder Dieselmotor) mit wenigstens einem Verbrennungszylinder, der wenigstens einen Gaswechselventilaktor mit den vorstehenden Merkmalen aufweist.

Durch die hohe Leistungsdichte der erfindungsgemäßen Anordnung können die Querabmessungen des Gaswechselventils mit den notwendigen Leistungsdaten sehr klein gehalten werden. Dies erlaubt den Einsatz in kompakten Pkw-Motoren.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Linearaktors stellen sog. elektrischen Schlaghämmer oder elektrischen Meißel dar. Hierbei werden die bisherigen pneumatischen oder elektromagnetischen Antriebe durch den erfindungsgemäßen Linearaktor ersetzt um das Werkzeug anzutreiben. Grundsätzlich sind auch noch andere Anwendungsmöglichkeiten des vorstehend beschriebenen Linearaktors denkbar, die alle von der vorliegenden Erfindung umfaßt sind.

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden anhand der nachstehenden Beschreibung erläutert, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gaswechselventilaktors schematisch in perspektivischem Längsschnitt veranschaulicht.

In 2 ist eine Ausführungsform einer Spulenanordnung des erfindungsgemäßen Gaswechselventilaktors schematisch in perspektivischem Draufsicht veranschaulicht.

In 3 ist eine Ausführungsform eines Ständers des erfindungsgemäßen Gaswechselventilaktors schematisch in perspektivischem Draufsicht veranschaulicht.

In 4 ist eine Ausführungsform eines Stapels aus Magnetstäben des erfindungsgemäßen Gaswechselventilaktors schematisch in perspektivischem Draufsicht veranschaulicht.

In 5 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gaswechselventilaktors schematisch in perspektivischem Längsschnitt veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen

In 1 ist eine erste Ausführungsform eines elektrischen Linearmotors 10 veranschaulicht, der bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung als Aktor für ein Ventilglied 12 eines Gaswechselventils dient, dessen zugehöriger Ventilsitz nicht veranschaulicht ist. Der Linearmotor 10 hat einen mit dem Ventilglied 12 über eine Stange 12a gekoppelten Läufer 16 und einen Ständer 18. Die Stange 12a ist mit einer nicht weiter veranschaulichten Einrichtung versehen, die eine Rotation des Ventilgliedes 12 um seine Mittellängsachse erlaubt und einen Ausgleich von Toleranzmaßen erlaubt.

Der Läufer 16 hat zwei voneinander in einem Abstand L angeordnete parallele Stapel 14, 14' aus einer Vielzahl übereinander angeordneter, dauermagnetischer Stäbe 30, 30' mit im Wesentlichen quaderförmiger Gestalt.

Der Ständer 18 ist als weichmagnetischer Formkörper aus gesintertem Eisen-Metallpulver oder aus geschichteten Eisenblechen gebildet. Der Ständer 18 hat mehrere Zahnpaare 22a, 22a'; 22b, 22b'; 22c, 22c'; 22d, 22d'; 22e, 22e'; 22f, 22f' mit einander gegenüberstehenden Zähnen 22. Zwischen den Zähnen 22 eines Zahnpaares ist jeweils einer der beiden Stapel 14, 14' unter Bildung eines Luftspaltes 24 bzw. 24' aufgenommen.

Zwischen den beiden Stapeln 14, 14' des Läufers 16 hat der Ständer 18 magnetisch leitende innere Bereiche 50, 50a, die in der Bewegungsrichtung B des Läufers 16 voneinander in einem vorbestimmten Abstand A angeordnet sind. Jeder der beiden inneren Bereiche 50, 50a des Ständers 18 ist jeweils von einer im Wesentlichen hohlzylindrischen Spulenanordnung 60, 60a umgeben. Die Mittellängsachse M der jeweiligen Spulenanordnungen 60, 60a verläuft etwa quer zu der Bewegungsrichtung B des Läufers 16. Die Spulenanordnung 60, 60a ist zum Erzielen eines möglichst hohen Füllfaktors als Kupferbandspule ausgeführt.

Die beiden Spulenanordnung 60, 60a sind so mit Strom zu beaufschlagen, dass sie jeweils ein Magnetfeld in entgegengesetzter Richtung erzeugen. In 1 erzeugt die obere Spulenanordnung 60 in der gezeigten Stellung des Läufers 16 ein Magnetfeld, das im Wesentlichen längs der Mittellängsachse der Spulenanordnung 60 von links nach rechts orientiert ist, während die untere Spulenanordnung 60a in der gezeigten Stellung des Läufers 16 ein Magnetfeld erzeugt, das im Wesentlichen längs der Mittellängsachse der Spulenanordnung 60 von rechts nach links orientiert ist. Dies wechselt, um den Läufer 16 längs der Bewegungsrichtung B (auf oder ab) zu treiben.

Da jede Spulenanordnung 60, 60a über ihre gesamte Erstreckung den jeweiligen der beiden inneren Bereiche 50, 50a des Ständers 18 vollständig umgibt, kann sie mit maximalem Wicklungsraum ausgefüllt sein. Wie in den 1 und 2 durch entsprechende Pfeile – bzw. Pfeilspitzen und Pfeilenden – veranschaulicht, sind die beiden Spulenanordnungen 60, 60a so zu bestromen, dass sie in dem mittleren Abschnitt 64, in dem sie aneinander anliegen, jeweils Strom in der gleichen Richtung führen (siehe 2).

In der gezeigten Anordnung ist der Läufer 16 aus zwei parallel ausgerichteten Stapeln 14, 14' gebildet, dessen Magnetstäbe aus dauermagnetischem Material (zum Beispiel Samarium-Cobalt) gebildet sind. Die einzelnen Magnetstäbe 30 sind bündig übereinander angeordnet, wobei die magnetische Orientierung der Magnetstäbe 30 abwechselnd (vom inneren Bereich des Ständers 18 nach außen und umgekehrt) ausgerichtet ist. Außerdem sind die Magnetstäbe 30 in ihren Abmessungen so gestaltet, dass in einer vorbestimmten Stellung des Läufers 16 einer der Magnetstäbe 30 zwischen zwei Zähnen 22 eines Zahnpaares des Ständers 18 fluchtet. Benachbarte Stäbe 30, 30' eines Stapels 14, 14' haben eine abwechselnde magnetische Orientierung N → S, S ← N. Jeder dieser Stäbe fluchtet damit in bestimmten Stellungen des Läufers 14 mit Zähnen 22 des Ständers 18. In diesen Flucht-Stellungen fällt auch die Mittellängsachse Z zweier einander gegenüberstehender Zähne 22 eines Zahnpaares im Wesentlichen mit der magnetischen Orientierung des jeweiligen fluchtenden Stabes zusammen. Ersichtlich ist auch die Mittellängsachse M der Spulenanordnung 60 etwa quer zur Bewegungsrichtung des Läufers 16 orientiert und fluchtet etwa mit der Mittellängsachse zweier einander gegenüberstehender Zähne eines Zahnpaares.

Zwischen zwei benachbarten Magnetstäben 30 eines Stapels 14, 14' sind zur Verringerung der trägen Masse des Läufers 16 magnetisch nicht wirksame, ebenfalls quaderförmige Abstandshalter 34, 34' aus Kunststoff, zum Beispiel aus kohlefaserverstärktem Kunststoff eingefügt. Die zueinander benachbarten Dauermagnetstäbe 30 und die magnetisch nicht wirksamen Abstandshalter 34, 34' sind fest mit einander verbunden. Mit anderen Worten befinden sich im beweglichen Teil des Aktors (dem Läufer) keine Magnetfluss leitenden Teile (wie zum Beispiel Fluss-Leitstücke), sondern nur Dauermagnete, die stets optimal im magnetischen Feld angeordnet sind. Diese Anordnung hat auch den Vorteil einer Gewichtseinsparung. Sofern quaderförmige Stäbe aus dauermagnetischem Material nicht mit ausreichender magnetischer Feldstärke zur Verfügung stehen, ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Stäbe aus Dauermagnetsegmenten so zusammenzusetzen, dass ein (von innen nach außen oder umgekehrt) gerichtetes Magnetfeld quer zur Bewegungsrichtung des Läufers 16 entsteht.

Der Ständer 18 hat des Weiteren zwei außerhalb der beiden Stapel 14, 14' des Läufers 16 liegende, magnetisch leitende äußere Bereiche 52 52', die wegen der praktisch ausschließlich zweidimensionalen Magnetflußführung bevorzugt als Eisenblechpakete hergestellt sind. Es ist jedoch ebenfalls möglich, diese als weichmagnetische Formkörper aus gesintertem Eisen-Metallpulver zu formen. Diese außen liegenden Bereiche 52, 52' des Ständers 18 im Querschnitt im Wesentlichen kammförmig gestattet und haben an ihren, den Stapeln 14, 14' des Läufers 16 zugewandten Enden Zähne 22, die in ihrer Form den Zähnen der innen liegenden Bereiche 50, 50a des Ständers 18 spiegelbildlich entsprechen.

Zwischen den magnetisch leitenden inneren Bereichen 50, 50a liegt ein vorbestimmter Abstand A, der so bemessen ist, dass er im Wesentlichen mit der Abmessung einer geraden Anzahl (in der gezeigten Ausführungsform sind es zwei) von dauermagnetischen Stäben 30, 30' der beiden Stapel 14, 14' (mit zugehörigen Abstandshaltern) in der Bewegungsrichtung B des Läufers 16 übereinstimmt. Die Länge der außen liegenden, im Querschnitt kammförmig gestalteten Bereiche 52, 52' des Ständers 18 ist so bemessen, dass den Magnetstäben des Läufers 16 zugewandte, korrespondierende Zähne 22 an beiden Enden jeweils einem Magnetstab unterschiedlicher Orientierung gegenüberstehen. Mit anderen Worten fluchten in einer bestimmten Stellung des Läufers die Zähne 22 des Zahnpaares 22d mit einem nach außen orientierten Magnetstab, während die Zähne 22 des korrespondierenden Zahnpaares 22c mit einem nach innen orientierten Magnetstab fluchten. Entsprechendes gilt für die Zähne 22 des Zahnpaares 22e, die mit den Zähnen 22 des Zahnpaares 22b korrespondieren, sowie für die Zähne 22 des Zahnpaares 22f, die mit den Zähnen 22 des Zahnpaares 22a korrespondieren. Damit bilden die äußeren Bereiche 52 des Ständers 18 einen magnetischen Rückschlusskörper. In der 1 sind die kammförmigen Bereiche der äußeren Bereiche 52, 52' des Ständers 18 als drei einzelne ineinander gesteckte C-förmige Joche veranschaulicht. Es ist jedoch auch möglich, die beiden äußeren Bereiche 52, 52' des Ständers 18 jeweils als Paket aus einstückigen weichmagnetischen kammförmigen Blechen, die jeweils die Zähne aufweisen, zu gestalten. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der/des äußeren Bereiche/s des Ständers 18 liegt darin, dass praktisch kein magnetischer Streufluss in die Umgebung abgegeben wird. Dies ist insbesondere bei Anordnungen von Bedeutung, wo eine Mehrzahl von derartigen Linearaktoren auf dichtem Raum positioniert ist, deren Ansteuerung zueinander unterschiedlich ist. Dies gilt zum Beispiel für einen mehrventiligen Zylinder eines Verbrennungsmotors.

Zur besseren Veranschaulichung ist in 3 der Ständer 18 mit seinen inneren 50, 50a und äußeren Bereichen 52, 52' freigestellt gezeigt, Dabei ist einer der äußeren Bereichen 52' und der obere innere Bereich 50 weggelassen. In der Zeichnung nicht veranschaulicht, aber im Bereich der Erfindung liegt es, dass die äußeren Bereiche 52, 52' des Ständers 18 zusätzlich oder an Stelle der inneren Bereiche 52 des Ständers 18 wenigstens eine Ständerspule aufweisen. Ersichtlich ist die Abmessung der Spulenanordnung 60, 60a in Bewegungsrichtung des Läufers 16 größer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Zahnpaaren des Ständers 18.

In 5 ist eine zweite Ausführungsform eines elektrischen Linearmotors 10 veranschaulicht. Dabei bezeichnen in den vorherigen Fig. verwendete Bezugszeichen Teile oder Komponenten mit gleicher oder vergleichbarer Funktion oder Wirkungsweise und sind daher nachstehend nur in so weit erneut verläutert, als ihre konkrete Ausgestaltung, Funktion oder Wirkungsweise von der oben beschriebenen abweicht.

Bei dieser Ausführungsform hat der Läufer 16 einen Stapel 14 aus einer Vielzahl übereinander angeordneter, dauermagnetischer Stäbe 30 mit im Wesentlichen quaderförmiger Gestalt. Der Ständer 18 ist als weichmagnetischer Blechpaketstapel gebildet. Der Ständer 18 hat mehrere Zahnpaare 22a ... 22f mit einander gegenüberstehenden Zähnen 22. Zwischen den Zähnen 22 eines Zahnpaares ist der Stapel 14 unter Bildung eines Luftspaltes 24 bzw. 24' aufgenommen.

Auf der einen Seite des Stapels 14 des Läufers 16 (in 5 auf der rechten Seite) hat der Ständer 18 zwei magnetisch leitende innere Bereiche 50, 50a, die in der Bewegungsrichtung B des Läufers 16 voneinander in einem vorbestimmten Abstand A angeordnet sind. Jeder der beiden inneren Bereiche 50, 50a des Ständers 18 ist jeweils von einer im Wesentlichen hohlzylindrischen Spulenanordnung 60, 60a umgeben. Diese beiden inneren Bereiche 50, 50a des Ständers 18 bilden praktisch die Schenkel eines liegenden "U", dessen Verbindungsjochdurch einen magnetisch leitenden äußeren Bereich 52' gebildet ist. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform der zweite Stapel des Läufers weggelassen und das Statoreisen durchgehend geformt. Der außerhalb des Läufers 16 liegende außen liegende Bereich 52 des Ständers 18 ist im Querschnitt im Wesentlichen kammförmig gestaltet und hat an seinen, dem Stapeln 14 des Läufers 16 zugewandten Ende Zähne 22, die in ihrer Form den Zähnen der innen liegenden Bereiche 50, 50a des Ständers 18 spiegelbildlich entsprechen.

Auch bei dieser Ausführungsform liegt zwischen den magnetisch leitenden inneren Bereichen 50, 50a ein vorbestimmter Abstand A, der so bemessen ist, dass er im Wesentlichen mit der Abmessung einer geraden Anzahl (in der gezeigten Ausführungsform sind es zwei) von dauermagnetischen Stäben 30, 30' der beiden Stapel 14, 14' (mit zugehörigen Abstandshaltern) in der Bewegungsrichtung B des Läufers 16 übereinstimmt. Gleichermassen ist die Länge der im Querschnitt kammförmig gestalteten Bereiche 52, 52' des Ständers 18 so bemessen, dass den Magnetstäben des Läufers 16 zugewandte, korrespondierende Zähne 22 an beiden Enden jeweils einem Magnetstab unterschiedlicher Orientierung gegenüberstehen.

Die erläuterten Ausführungsformen eignen sich besonders, den geforderten Hub von etwa 10–100 mm mit der erforderlichen Dynamik in relativ schmalen Bauraum zu realisieren.

Vorstehend sind einphasig zu betreibende Linearaktoren beschrieben. Es ist jedoch auch im Bereich der vorliegenden Erfindung, ein zwei- oder mehrphasige Anordnung des Linearaktors zu gestalten. Dazu sind die Zähne eines weiteren Statorensystems mit zugehörigen Spulen entsprechend dem/den vorgesehenen Phasenversätzen der elektrischen Antriebsleistung geometrisch entlang des Magneten des Läufers versetzt zu positionieren.

Es versteht sich für einen Fachmann, dass einzelne Aspekte oder Merkmale der vorstehend beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen auch untereinander kombinierbar sind.


Anspruch[de]
Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor, mit

– einem mit einem Ventilglied (12) zu koppelnden Läufer (16) und einem Ständer (18), wobei

– der Läufer (16) wenigstens einen Stapel (14, 14') übereinander angeordneter, dauermagnetischer Stäbe (30, 30') aufweist,

– der Ständer (18) zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist und wenigstens ein Zahnpaar (22a, 22a'; 22b, 22b'; 22c, 22c'; 22d, 22d'; 22e, 22e'; 22f, 22f') mit einander gegenüberstehenden Zähnen (22) aufweist, von denen jedes Zahnpaar einen Stapel (14, 14') zwischen sich unter Bildung eines jeweiligen Luftspaltes (24, 24') aufnimmt, wobei

– der Ständer (18) wenigstens zwei magnetisch leitende innere Bereiche (50, 50a) aufweist, die in der Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) voneinander in einem vorbestimmten Abstand A angeordnet sind und jeweils zumindest teilweise von einer hohlzylindrischen Spulenanordnung (60, 60a) umgeben sind, deren Mittellängsachse M quer zu der Bewegungsrichtung B des Läufers (16) orientiert ist.
Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (16) zwei oder mehr voneinander in einem vorbestimmten Abstand angeordnete Stapel (14, 14') dauermagnetischer Stäbe (30, 30') aufweist, und die magnetisch leitenden inneren Bereiche (50, 50a) des Ständers (18) zwischen den Stapeln (14, 14') des Läufers (16) angeordnet sind. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hohlzylindrische Spulenanordnung (60, 60a) einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 2, oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zahn (22) in der Bewegungsrichtung B des Läufers (16) eine Abmessung aufweist, die mit der Abmessung eines dauermagnetischen Stabes (30, 30') in der Bewegungsrichtung B des Läufers (16) übereinstimmt, so dass in einer vorbestimmten Stellung des Läufers (16) wenigstens ein Zahnpaar des Ständers (18) mit einem dauermagnetischen Stab (30, 30') fluchtet. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bewegungsrichtung B des Läufers (16) benachbarte Zahnpaare des Ständers (18) relativ zu der Abmessung der dauermagnetischen Stäbe (30, 30') in der Bewegungsrichtung B des Läufers (16) so bemessen sind, dass, zwischen zwei dauermagnetischen Stäben (30, 30'), die mit zwei einander benachbarten Zahnpaaren des Ständers (18) fluchten, wenigstens ein weiterer der dauermagnetischen Stäbe (30, 30') angeordnet ist. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch leitenden inneren Bereiche (50, 50a) an ihren, dem Läufer (16) zugewandten Enden wenigstens einen der Zähne (22) aufweisen. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (18) wenigstens einen außerhalb des Stapels (14, 14') des Läufers (16) liegenden magnetisch leitende äußeren Bereich (52) aufweist, der an seinen, dem Stapel (14, 14') des Läufers (16) zugewandten Ende wenigstens einen der Zähne (22) aufweist. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der außen liegende Bereich (52, 52') des Ständers (18) zumindest in einem Teilabschnitt im Querschnitt kammförmig gestaltet ist. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Stäbe (30, 30') eines Stapels eine abwechselnde magnetische Orientierung haben, die mit der Mittellängsachse Z zweier einander gegenüberstehender Zähne (22) eines Zahnpaares fluchtet. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellängsachse M der Spulenanordnung (60) quer zur Bewegungsrichtung des Läufers (16) orientiert ist oder mit der Mittellängsachse zweier einander gegenüberstehender Zähne eines Zahnpaares fluchtet oder zumindest abschnittsweise parallel zu ihr orientiert ist. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Abstand A zwischen den magnetisch leitenden inneren Bereichen (50, 50a) so bemessen ist, dass er mit der Abmessung einer geraden Anzahl von dauermagnetischen Stäben (30, 30') der beiden Stapel (14, 14') in der Bewegungsrichtung B des Läufers (16) übereinstimmt. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte dauermagnetische Stäbe (30, 30') der beiden Stapel (14, 14') des Läufers (16) durch magnetisch nicht wirksame Abstandshalter (34, 34') in einem vorbestimmten Abstand miteinander verbunden sind. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Abmessungen der dauermagnetischen Stäbe (30) in der Bewegungsrichtung B des Läufers (16) und die Zähne (22) des Ständers (18) eine Polteilung definiert ist, die kleiner ist als die Abmessung der Ständerspule in der Bewegungsrichtung B des Läufers (16). Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Bereiche (52) des Ständers (18) zusätzlich oder an Stelle der inneren Bereiche (52) des Ständers (18) wenigstens eine Ständerspule aufweisen. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der Spulenanordnung (60, 60a) in Bewegungsrichtung des Läufers (16) größer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Zahnpaaren des Ständers (18). Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (18) zumindest teilweise ein weichmagnetischer Formkörper, vorzugsweise aus gepresstem und/oder gesintertem Metallpulver ist. Gaswechselventilaktor für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Bereiche (52) des Ständers zumindest teilweise einen magnetischen Rückschlusskörper bilden. Ventilgesteuerter Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Verbrennungszylinder, gekennzeichnet durch wenigstens einen Gaswechselventilaktor mit den Merkmalen eines oder mehrerer der vorstehenden Ansprüche.






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