ELEKTROMECHANISCHER STELLANTRIEB

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine.

[0002] Ein bekannter elektromechanischer Stellantrieb (DE 197 45 522 A1) hat zwei Elektromagnete und einen Anker, der mit zwei Federn mechanisch gekoppelt ist. Der Anker ist zwischen einer ersten Anlagefläche an dem ersten Elektromagneten und einer zweiten Anlagefläche an den zweiten Elektromagneten beweglich. Ferner hat das Gehäuse Aufnehmungen zur Aufnahme der Elektromagnete. Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb einer Brennkraftmaschine, deren Gaswechselventile von einem derartigen elektromechanischen Stellantrieb angetrieben werden, muß sichergestellt sein, daß der Anker sehr schnell von der einen Anlagefläche hin zu der anderen Anlagefläche und umgekehrt bewegbar ist. Nur so kann ein schnelles und präzises Öffnen und Schließen der Gaswechselventile der Brennkraftmaschine sichergestellt werden.

[0003] Die Aufgabe der Erfindung ist es, den bekannten elektromechanischen Stellantrieb so weiterzubilden, daß ein schnelles Öffnen und Schließen von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine ermöglicht ist, wobei gleichzeitig der dafür benötigte Energiebedarf gering gehalten ist.

[0004] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0005] Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der als Hohlkörper ausgebildete Schaft des Ankers eine wesentlich geringere Masse hat als ein massiv ausgebildeter Schaft. Dadurch ist die zu bewegende Masse des Ankers reduziert und somit müssen nur geringe Stellkräfte zum Bewegen der Ankerplatte von einer Ankerfläche zur anderen aufgebracht werden.

[0006] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine Anordnung eines Stellantriebs und einer Steuereinrichtung in einer Brennkraftmaschine,

Figur 2

einen Querschnitt durch den Anker gemäß einer ersten Ausführungsform des Ankers

Figur 3

einen Querschnitt durch den Anker gemäß einer zweiten Ausführungsform des Ankers.

[0007] Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0008] Eine Brennkraftmaschine (Figur 1) umfaßt einen Stellantrieb, der auf ein Gaswechselventil einwirkt und der in einem Zylinderkopf 31 der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das Gaswechselventil 2 ist entweder als Auslaßventil oder als Einlaßventil ausgebildet. Das Gaswechselventil 2 hat einen Ventilschaft 21 und einen Teller 22. Der Stellantrieb 1 hat ein Gehäuse 11, in dem ein erster und ein zweiter Elektromagnet angeordnet sind. Der erste Elektromagnet hat einen ersten Kern 12, der mit einer ersten Spule 13 versehen ist. Der zweite Elektromagnet hat einen zweiten Kern 14, der mit einer zweiten Spule 15 versehen ist. Ein Anker ist vorgesehen, dessen Ankerplatte in dem Gehäuse 11 beweglich zwischen einer ersten Anlagefläche 15a des ersten Elektromagneten und einer zweiten Anlagefläche 15b des zweiten Elektromagneten angeordnet ist. Die Ankerplatte 16 ist somit beweglich zwischen einer Schließposition S_maxS und einer Offenposition S_maxO. Der Anker umfaßt desweiteren einen Schaft 17, der durch Ausnehmungen des ersten und des zweiten Kerns 12, 14 geführt ist und der mit dem Ventilschaft 21 des Gaswechselventils 2 mechanisch koppelbar ist. Ein erstes Rückstellmittel 18a und ein zweites Rückstellmittel 18 b, die vorzugsweise als Federn ausgebildet sind, spannen die Ankerplatte 16 in die vorgegebene Ruheposition S₀ vor. Vorzugsweise ist ein Aufnehmer 19b eines Positionssensors so an oder in dem Stellantrieb 1 angeordnet, daß er mittelbar oder unmittelbar die Position der Ankerplatte 16 und des Ankerschafts 17 erfaßt.

[0009] Der Stellantrieb 1 ist mit dem Zylinderkopf 31 der Brennkraftmaschine starr verbunden. Der Ansaugkanal 32 und ein Zylinder 33 mit einem Kolben 34 sind in der Brennkraftmaschine vorgesehen. Der Kolben 34 ist über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle 36 gekoppelt.

[0010] Eine Steuereinrichtung 4 ist vorgesehen, die die Signale von Sensoren erfaßt, die beispielsweise ausgebildet sind als der Positionssensor, und/ oder ein Drehzahlgeber und/ oder ein Lasterfassungssensor. Die Steuereinrichtung 4 steuert abhängig von den Signalen der Sensoren die erste und zweite Spule 13, 15 des Stellantriebs 1 an.

[0011] Der Schaft 17 (Figur 2) des Ankers ist als Hohlkörper ausgebildet. Dazu weist er eine zylinderförmige Bohrung auf, die einen Hohlraum 17a bildet. Der Schaft 17 hat somit eine geringe Masse, hat aber dennoch eine hohe Steifigkeit um eine stabile Führung der Ankerplatte zu gewährleisten. Im Bereich eines freien Endes des Schafts 17 ist ein Geber 19a angeordnet. Der Geber 19a ist vorzugsweise ein Permanentmagnet, der dem Positionssensor zugeordnet ist. Der Aufnehmer 19b ist vorzugsweise ein magnetoresistives Element, bevorzugt als Giant-magnetoresistives Element ausgebildet. Eine besonders einfache und sichere Fixierung des Gebers 19a ist gewährleistet durch das Bördeln des freien Endes in einem Bereich 19c.

[0012] In einer zweiten Ausführungsform des Ankerschafts 17 (Figur 3) ist der Geber 19a deutlich beabstandet zu dem freien Ende des Schafts 17 hin zu der Ankerplatte 16 angeordnet. Dadurch ist auf einfache Weise gewährleistet, daß das von dem Geber 19a erzeugte Magnetfeld nur unwesentlich durch ein magnetisches Streufeld gestört wird, das an dem freien Ende des Ankerschafts besonders stark ausgeprägt ist und hervorgerufen wird durch den Magnetkreis, der durch den ersten oder den zweiten Elektromagneten und den Anker gebildet wird. Zur exakten Fixierung des Gebers 19a ist vorzugsweise eine Vergußmasse 19c in den Hohlraum 17a im Bereich des freien Endes und hin zu dem Geber 19a eingebracht. Die exakte Fixierung des Gebers 19a ist wesentlich für eine exakte Positionserfassung durch den Aufnehmer 19b während einer langen Betriebsdauer des Stellantriebs.

[0013] Alternativ kann der Hohlraum 17a des Ankerschafts 17 auch nur in einem Teilbereich entlang der Längsachse des Schafts ausgebildet sein, so z. B. nur in dem Bereich, in dem der Geber 19a aufgenommen ist.

[0014] Eine weitere Reduzierung der bewegten Massen des Stellantriebs 1 wird erreicht durch die Ausbildung der Ankerplatte 16 aus einer Kobalt-Eisen-Legierung. Bevorzugt bestehen dann auch die Kerne 12, 14 der Elektromagnete aus der Kobalt-Eisen-Legierung. Die Legierung weist beispielsweise zwischen 17% und 50% Gewichtsanteile Kobalt auf. Die Kobalt-Eisen-Legierung hat einen wesentlich höheren elektrischen Widerstand als beispielsweise Eisen (der elektrische Widerstand ist in etwa viermal so hoch). Dadurch sind die Wirbelstromverluste im Anker geringer. Im Gegensatz zu den üblicherweise bei Elektromagneten verwendeten Silizium-Eisen-Legierungen hat die Kobalt-Eisen-Legierung den Vorteil, daß bei einer magnetischen Induktion von etwa 2,3 Tesla die Sättigung erreicht wird, die etwa ca. 15% höher liegt als die der Silizium-Eisen-Legierungen. So kann insbesondere bei einem Stellantrieb, der für ein Gaseinlaßventil vorgesehen ist, der Anker und der Kern verkleinert werden, da in diesem Fall die Dimensionierung des Kerns und des Ankers wesentlich beeinflußt wird durch die während der Anlage des Ankers an einer der Anlageflächen 15a, 15b aufzubringenden Haltekraft.

Ansprüche

1. Elektromechanischer Stellantrieb, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Elektromagneten und einem Anker, der einen als Hohlkörper ausgebildeten Schaft (17) aufweist und der mit mindestens einem Rückstellmittel mechanisch gekoppelt ist und der zwischen einer ersten Anlagefläche (15a) an dem Elektromagneten und einer weiteren Anlagefläche (15b) beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlraum (17a) des Schafts (17) ein Geber (19a) eines Sensors eingebracht ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (17) rohrförmig ausgebildet ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (19a) ein Permanentmagnet ist.

4. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Positionssensor ist.

5. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (19a) an einem freien Ende des Schafts (17) in den Hohlraum (17a) eingebracht ist und der Schaft (17) in einem Bereich (19c) des freien Endes gebördelt ist.

6. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker eine Ankerplatte (16) hat, die aus einer Kobalt-Eisen Legierung besteht.

7. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet einen Kern (12, 14) hat, der aus einer Kobalt-Eisen Legierung besteht.

Claims

1. Electromechanical actuator, in particular for a gas flow valve in an internal combustion engine, with at least one electromagnet and an armature, which has a shaft (17) in the form of a hollow body and which is linked mechanically to at least one reset device and which can move between a first contact surface (15a) on the electromagnet and a further contact surface (15b), characterised in that an output device (19a) of a sensor is inserted into the hollow space (17a) of the shaft (17).

2. Actuator according to Claim 1, characterised in that the shaft (17) is tubular in form.

3. Actuator according to Claim 1, characterised in that the output device (19a) is a permanent magnet.

4. Actuator according to Claim 1 or 3, characterised in that the sensor is a position sensor.

5. Actuator according to Claim 1, characterised in that the output device (19a) is inserted into the hollow space (17a) at a free end of the shaft (17) and the shaft (17) is crimped in an area (19c) of the free end.

6. Actuator according to one of the preceding claims, characterised in that the armature has an armature plate (16) which is made from a cobalt-iron alloy.

7. Actuator according to one of the preceding claims, characterised in that the electromagnet has a core (12, 14) which is made from a cobalt-iron alloy.

Revendications

1. Servomoteur électromécanique, en particulier pour une soupape de changement de gaz d'un moteur à combustion interne, composé au moins d'un électroaimant et d'un induit qui comporte une tige (17) ayant la forme d'un corps creux et qui est accouplé mécaniquement à au moins un moyen de rappel et qui peut se déplacer entre une première surface d'appui (15a) sur l'électroaimant et une autre surface d'appui (15b), caractérisé en ce qu'un transmetteur (19a) d'un détecteur est placé dans l'espace creux (17a) de la tige (17).

2. Servomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tige (17) a la forme d'un tube.

3. Servomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transmetteur (19a) est un aimant permanent.

4. Servomoteur selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le détecteur est un détecteur de position.

5. Servomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transmetteur (19a) est placé à une extrémité libre de la tige (17) dans l'espace creux (17a) et que la tige (17) est agrafée dans une zone (19c) de l'extrémité libre.

6. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'induit a une plaque d'induit (16) faite d'un alliage cobaltfer.

7. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électroaimant a un noyau (12, 14) fait d'un alliage cobaltfer.

Zeichnung