[0001] Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventils
gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale.
[0002] Die Erfindung geht von der DE 199 38 988 A1 aus. In dieser ist ein elektromagnetischer
Aktor zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventils mit einem zwischen zwei
Magnetspulen jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder oszillierend bewegten und
dabei auf den Schaft des Hubventiles einwirkenden Anker beschrieben. Dieser Anker
ist elastisch verformbar und wirkt dadurch als ein die Rückstellfedern in ihrer Funktion
unterstützendes Federelement. Der im wesentlichen scheibenförmige Anker weist in seinem
Randbereich eine kleinere in Bewegungsrichtung gemessene Dicke als in seinem Mittenbereich
auf.
[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mechanische Lebensdauer des Ankers
zu verbessern.
[0004] Diese Aufgabe wird von dem Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1
gelöst.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ankers verringert die Entstehung eines Drehmoments,
welches bei kleinster Schiefstellung des Ankers auftritt, wenn der Anker im äußeren
Randbereich in Bewegungsrichtung dicker ist als im Innenbereich. Das unerwünschte
Drehmoment, entsprechend dem Produkt aus der Anpresskraft des Ankers mit dem Abstand
des Berührpunktes von der Ankerstangenachse, welches den Anker drehbeschleunigt und
die Ankerstange biegebelastet, wird deutlich kleiner. Eine deutlich längere mechanische
Lebensdauer ist somit für Anker und Ankerstange zu erwarten.
Zusätzlich wird ein Kleben zwischen Anker und Magnetspule beim Lösevorgang, der durch
einen Saugeffekt, ähnlich er wie bei zwei planen auf einander liegenden Platten auftritt,
hervorgerufen wird wesentlich verringert. Das Umgebungsfluid kann bei der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung leichter in den sich von außen her kontinuierlich öffnenden Spalt eindringen.
Als weiterer wesentlicher Vorteil ist das verringerte Trägheitsmoment aufgrund der
reduzierten Masse des Ankers zu nennen. Der für den Betrieb des elektromagnetischen
Aktors benötigte Strombedarf wird somit wesentlich verringert, sowie die akustischen
Eigenschaften deutlich verbessert.
Weiter ändert sich die Position des Hubventil-Schaftes in der Bewegungsrichtung nicht,
wenn der Anker unterschiedlich stark deformiert wird. Dies bedeutet, dass im Anker
gerade so viel Energie gespeichert werden kann, dass der Anker entsprechend den momentanen,
durch die Betriebsbedingungen (z. B. Temperatur, Ölviskosität, Kräfte auf Ventil usw.)
definierten Widerstand, am gegenüberliegenden Magneten mit sehr geringer Geschwindigkeit
auftrifft. Damit kann der notwendige Fangstrom für den Anker auf ein Minimum reduziert
werden. Dies bedeutet wiederum erhebliche Stromersparnis, da das Biegen des Ankers
bei sehr kleinem Luftspalt, das Fangen jedoch über größere Entfernung erfolgt und
die Magnetkraft proportional zum Strom geteilt durch den Luftspalt im Quadrat ist.
[0005] Für die Ansprüche 2 und 3 ergeben sich die gleichen Vorteile wie für Anspruch 1.
[0006] Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen,
die in Form von sechs Teilfiguren zu zwei Figuren zusammengefasst, in sehr stark vereinfachter
Form dargestellt sind, näher erläutert.
[0007] Die Figuren 1a bis 1c zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem ein scheibenförmiger
Anker in seinem radialen Randbereich in Bewegungsrichtung dünner ausgeformt ist als
sein Mittenbereich, während zwei Elektromagnetspulen in Richtung des Ankers eben gestaltet
sind.
[0008] Die Figuren 2a bis 2c zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Elektromagnetspulen
in Richtung eines scheibenförmigen Ankers konvex ausgebildet sind, während der Anker
planparallel ausgestaltet ist.
[0009] In sämtlichen Figuren (Teilfiguren) gelten für gleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern.
So ist ein zwischen zwei Elektromagnetspulen 2a und 2b oszillierend bewegbarer Anker
mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Eine oszillierende Bewegung ist durch eine Pfeilrichtung
4 gekennzeichnet. Der Anker 1 wird von einer oberen Ankerstange 3a sowie von einer
unteren Ankerstange 3b, deren freies unteres Ende (nicht dargestellt) auf ein zu betätigendes
und dabei ebenfalls gemäß Pfeilrichtung 4 zu bewegendes Hubventil einer Hubkolben-Brennkraftmaschine
einwirkt, gehalten. Figürlich dargestellt sind ferner noch eine obere Rückstellfeder
5a, die komprimiert ist, wenn sich der Anker 1 in seiner oberen Endlage (an der oberen
Elektromagnetspule 2a anliegend) befindet, sowie eine untere Rückstellfeder 5b, die
komprimiert ist, wenn sich der Anker 1 in seiner unteren Ruhelage (an der unteren
Elektromagnetspule 2b anliegend) befindet. Die beiden Ankerstangen 3a, 3b durchdringen
die jeweils zugehörige Magnetspule 2a bzw. 2b vor oder hinter der Zeichenebene. Die
obere Endlage des Ankers ist in den Fig. 1a und 2a dargestellt, während in den Fig.
1c und 2c die untere Ruhelage des Ankers 1 dargestellt ist. In Fig. 1b und 2b ist
der Anker 1 in Bewegung und befindet sich gerade zwischen den Elektromagnetspulen
2a, 2b.
[0010] Der Anker 1 wirkt wie eine elastisch verformbare Blattfeder, so dass er hierdurch
die Rückstellfedern 5a, 5b in ihrer Funktion unterstützen kann. In der Flugphase gemäß
Fig. 1b und Fig. 2b ist die, durch den erfindungsgemäßen Anker 1 gebildete Blattfeder
entspannt. Mit einer Annäherung des Ankers 1 (beispielsweise) an die obere Elektromagnetspule
2a wird die obere Rückstellfeder 5a komprimiert. Kommt dann der Anker 1 (beispielsweise)
an der oberen Elektromagnetspule 2a zum Anliegen, so wie dies in den Fig. 1a und 2a
dargestellt ist, so setzt der Anker 1 zuerst mit seinem Mittenbereich auf der Elektromagnetspule
2a, 2b auf. Erst danach wird der Anker 1 unter Einfluss der von dieser Elektromagnetspule
2a, 2b ausgesandten Magnetkräfte derart elastisch verformt, dass er maximal vollflächig
und somit auch in seinem Randbereich 6 anliegt, so wie dies auch die Fig. 1a und 2a
und 1c und 2c zeigen. Je größer die Anlagefläche ist, desto größer ist erzielte die
Federwirkung des Ankers 1.
[0011] In den Figuren 1a, 2a und 1c, 2c ist die Formgebung des Ankers 1 bzw. der Elektromagnetspulen
2a und 2b in den Randbereichen stark übertrieben dargestellt.
1. Elektromagnetischer Aktor zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventils mit
einem zwischen zwei Elektromagnetspulen gegen die Kraft einer Rückstellfeder oszillierend
bewegten und dabei auf den Schaft des Hubventils einwirkenden elastisch verformbaren
Anker, wobei der Anker derart elastisch verformbar ausgebildet ist, dass er in seiner
im wesentlichen vollflächig an den Elektromagnetspulen anliegenden Position aufgrund
seiner daraus resultierenden Verformung als ein dann gespanntes Federelement wirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass der im wesentlichen scheibenförmige Anker (1) in seinem Randbereich (6) eine kleinere
in Bewegungsrichtung gemessene Dicke aufweist als in seinem Mittenbereich.
2. Elektromagnetischer Aktor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnetspule (2a, 2b) auf der dem Anker zugewandten Seite derart konvex
oder konkav ausgebildet ist, dass der Spalt zwischen Anker (1) und Elektromagnetspule
(2a, 2b) im Randbereich (6) größer als im Mittenbereich ist.