Die Erfindung betrifft Elektromagnete mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Joche von Magnetkreisen für Elektromagnete werden verschraubt oder erhalten durch Sicken in den Blechen miteinander einen Formschluß. Dies ist die übliche Technik, z. B. für Zündtrafos. Meistens werden diese Joche auch noch mit Kunststoff umspritzt. Problematisch ist die Eigenspannung dünner Bleche, die wie Tellerfedern wirken und einen dichten Verbund, bei dem jedes Blech ohne Spiel in dem Verbund liegt, durch ein Verspannen mit Schrauben sehr erschweren.
Hinzu kommt bei einem sogenannten tiefen Magneten, d. h. z. B. einem Magneten mit schwenkbaren Anker und mit in Schwenkachsrichtung breit ausgebildeten Anker und entsprechenden Jochen, dass eine hohe Magnetkraft auftritt. Diese führt zu einer gewissen Durchbiegung des Joches. Diese wird noch verstärkt durch das Verspannen des Joches durch die außen liegenden Spannschrauben. Diese gestalten das Lamellenpaket fächerförmig, d. h. auf der den Schrauben gegenüberliegenden Seite findet eine Aufweitung statt, was sich als Jochdurchbiegung äußert. Hierdurch kommen unterschiedliche Luftspalte in der Mitte des Pakets gegenüber außen zustande. Um einen kleinen Haltestrom und eine entsprechend geringe Verlustleitung zu ermöglichen sollte jedoch ein kleiner und gleichmäßiger Luftspalt erreicht werden.
Bei Anwendung des Elektromagneten, z. B. in einem Aktuator zum Antreiben eines Ventils eines Verbrennungsmotors, muss dieser neben einer hohen Steifigkeit auch kleine Baumaße aufweisen, um den Zylinderkopf nicht unnötig zu vergrößern. Er muss sich auch auf verschiedene Ventilabstände anpassen lassen. Auch muss das Gewicht sehr klein sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine große Steifheit mit kleinen Verformungen zu erzielen, bei kleinen Abmaßen und kleinem Gewicht. Außerdem müssen die Magnete auf den Anker leicht einstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche 2 bis 11 enthalten Ausgestaltungen, die die Aufgabenlösung weiter unterstützen.
In den Ansprüchen 12 bis 26 ist eine Anwendung der Erfindung bei einem Aktuator beschrieben, in der sich die Erfindung besonders günstig auswirkt. Hier müssen die Aktuatoren stabil auf den Zylinderkopf oder einen Aktuatorträger oder einer Wanne befestigt werden, um die relativ hohen Kräfte abzufangen.
Vorwiegend wird die Steifigkeit durch die Jochversteifungen erreicht, welche nicht nur die Magnetkräfte aufnehmen müssen, sondern bei der Ausbildung des Aktuators mit schwenkbarem Anker und Verwendung einer Drehfeder auch die Lagerkräfte und das Abstützmoment des Drehstabes auf der Lagerplatte. Kleine Baumaße werden durch relativ dünne Lagerplatten erzielt, die auch vorteilhaft sind für die später beschriebenen Spulenanschlüsse. Entscheidend ist die gute kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den Lagerplatten und den Jochpaketen, da die Jochversteifungen durch die Jochseitenplatten die Kräfte von der Lagerplatte in diese ableiten, so dass aufwendige, dicke Lagerplatten verhindert werden. Die Steifheit wird durch entsprechende Abstimmung des Jochpakets mit den Jochversteifungen und einer entsprechenden Gestaltung der Lagerplatten erreicht.
Im Anspruch 29 ist ein Verfahren zur günstigen Herstellung des Elektromagneten, bzw. des Aktuators beschrieben.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein elektromagnetischer Aktuator 1 für die Ventilbetätigung eines Verbrennungsmotors teilweise gezeigt. Der Aktuator 1 weist zwei Elektromagnete 2 und 3 bestehend aus zweipoligen Jochen 2a und 3a und je einer Wicklung 2b und 3b auf. Die Elektromagnete 2 und 3 arbeiten mit einem Hebel 4 zusammen, der mit einem Ankerrohr 4a verbunden ist. Dieses Ankerrohr 4a ist um eine Achse 5 schwenkbar gelagert. Im Innern des Ankerrohrs 4a ist eine Torsionsfeder 6 in Form eines Drehstabes angeordnet, das am einen Ende starr eingespannt ist und mit seinem andern Ende mit dem Ankerrohr 4a verbunden ist. Der Drehstab 6 erzeugt, z. B. beide auf den Hebel 4 wirkenden Federkräfte. Der Hebel 4 trägt einen Anker 7, der mit den Elektromagneten 2 und 3 zusammenarbeitet und die Schwenkbewegung erzeugt. Das rechte Ende 4b des Hebels 4 wirkt auf einen nicht gezeigten Schaft eines Ventils ein.
Die Fig. 2 zeigt, dass das Joch 2a aus Lamellen 2a'aus magnetischem Material zusammengesetzt ist. Es ist zur Verbesserung der Anschaulichkeit nur ein Teil des Lamellenpakets 2a gezeigt. In der Praxis ist der gesamte Raum zwischen den Lagerplatten 8 mit Lamellen 2a' ausgefüllt.
In den Lagerplatten 8 ist die Lagerung des Hebels 4 und damit des Ankers 7 mittels des Lagerrohrs 4a untergebracht. Die beiden Lagerplatten 8 sind durch zwei Jochseitenplatten 9 und 10 miteinander verbunden, wobei die Seitenplatten 9 und 10 in die Lagerplatten 8 eingeschweißt sind. Die Lamellen 2a' weisen kleine Ausbuchtungen 2a'' auf, über die sie in die Seitenplatten 8, 9 eingehängt sind. Die Seitenplatten 9 und 10 können aus nicht magnetischem Material ausgeführt sein und sie können durch eine Isolierung 11 von den Lamellen 2a' elektrisch isoliert sein. Diese Isolierung kann auch durch einen Luftspalt geschehen. Die Seitenplatte 10 ist als Profil ausgebildet, so dass sie die Wicklung 2 b umgreifen kann. Das Profil erhöht die Biegesteifigkeit der Seitenplatte 10 zusätzlich in Querrichtung. Die beiden Seitenplatten 9 und 10 sind am oberen Ende des Jochs angebracht, deren Ausbuchtung wenig Magnetfluß aufweist und damit auch geringe Wirbelströme erzeugt.
Der Zusammenbau des Elektromagneten 2 geht in folgender Weise vor sich: Zuerst sind die Seitenplatten 9, 10 nur lose mit den Lagerplatten 8 verbunden. Die Lamellen 2a' werden in die Seitenbleche 9, 10 eingehängt. Der Anker wird in die in Fig. 1 gezeigte Endstellung gebracht und die Lamellen oder das Lamellenpaket mit den Seitenblechen als stabilem Verbund so verschoben, dass die Lamellen auf dem Anker 7 direkt aufliegen oder mit einem vorgegebenen kleinen Luftspalt zu dem Anker 7 liegen. Nun wird das Joch, z. B. durch Magnetkraft auf den Anker gedrückt und zusätzlich werden die beiden Lagerplatten 8 auf das Lamellenpaket 2a gepreßt und danach die Seitenplatten 9, 10 mit den Lagerplatten bei 12 verbunden, z. B. verschweißt, verlötet oder verstemmt. Gegebenenfalls kann durch Zugkraft auf die Seitenplatten eine zusätzliche Verspannung erzeugt werden.
Zum Verbinden des Lamellenpakets können die Lamellen ineinander passende Verzahnungen aufweisen und/oder es können z B. in Polnähe, z. B. bei 13 Verschweißungen der Lamellen 2a' miteinander, und/oder eine Umspritzung des Lamellenpakets vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Lamellen mit den Seitenplatten verschweißt, wobei zuvor das Lamellenpaket mit einer definierten Kraft zusammengepreßt werden kann.
Der Elektromagnet 3 kann in äquivalenter Weise zusammengebaut werden.
Die Fig. 1 und 2 zeigen, dass der gesamte Aktuator auf gemeinsamen Lagerplatten 8 angeordnet ist. Man kann die Lagerplatten 8 aber auch nach rechts erweitern und in diesen Erweiterungen der Lagerplatten 8 einen weiteren Aktuator in gleicher Weise, jedoch um 180° gedreht anordnen, wobei man darauf achten muß, die Hebelenden 4b und die von ihnen angetriebenen Ventile in Richtung in die Papierebene hinein gegeneinander zu versetzen.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem die linke Seitenplatte 10 wie in Fig. 1 und 2 ausgebildet ist. Dagegen bedeckt die rechte Seitenplatte 19 im Vergleich zur Seitenplatte 9 der Fig. 1 und 2 in viel stärkerem Maße die Seitenfläche des Jochs 2a. Diese Seitenplatte 19 ist entlang ihren Kanten 20 wenigstens mit einem Teil der Lamellen 2a' verschweißt. Diese Seitenplatte kann aus unmagnetischem Material bestehen; sie kann gegenüber den Lamellen 2a' mit Ausnahme der geschweißten Kanten 20 elektrisch isoliert sein. Diese kann auch so gestaltet werden, dass die Seitenplatte in die Lamellen eingesetzt wird, wie dies auf der rechten Bildhälfte gezeigt wird. Auch hier weisen die Lamellen 2a' die Ausbuchtung 2a'' auf, um die Lamellen einhängen zu können. Alternativ dazu kann die Seitenplatte magnetisch leitend sein und ohne Isolierung am Joch anliegen, wodurch der Magnetfluß unterstützt wird. An den Enden ist auch diese Seitenplatte 19 mit den Lagerplatten 8 verbunden.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Doppelaktuator, wie er vorn angedeutet wurde. Auf der oberen Bildhälfte ist ein lamellierter Anker 25 gezeigt. Dieser ist mit einem geschnitten dargestellten Ankerrohr 21 verbunden, in dem ein Drehstab 22 verläuft. Es ist auch die Lagerung 23 und 23a des Ankerrohrs in der Lagerplatte gezeigt. Diese Lagerung 23 und 23a kann durch Gleit- oder Wälzlager realisiert werden. Auf der linken Seite ist der Drehstab 22 mit dem Ankerrohr 21 und auf der rechten Seite mit einer gehäusefesten Drehstabaufnahme 24 verbunden, die wiederum mit einem Hebel 24a verbunden ist, der als Verlängerung wirkend ungefähr in der Mitte der Lagerplatte 25r mit dieser bei S1 verschweißt ist. Diese Verschweißung ermöglicht eine genaue Justage der Drehstabkraft, indem der Anker in die in Fig. 2 gezeigte Schließstellung des Ventils gebracht wird und anschließend der Drehstabhebel 24a solange verdreht wird, bis die entsprechende Kraft erreicht ist. Anschließend erfolgt die Verschweißung. Es ist vorteilhaft ein hydraulisches Spielausgleichselement direkt mit dem Anker 25 zu verbinden und das dafür benötigte Drucköl, z. B. über eine Ventilbetätigungslamelle 25a des Ankers 25 dem zwischen Anker und Ventil angeordneten Spielausgleichselement (nicht gezeigt) zuzuführen. Dazu ist ein Ölanschluß 26 notwendig, der mit einer Druckleitung einer Pumpe vorzugsweise der Motorschmierölpumpe verbunden ist. Damit das Drucköl nicht aus der Lagerung 23a austritt ist hinter diesem Lager ein Dichtelement 26a angeordnet. Das Drucköl gelangt über das Ankerrohr 21 in den Kanal 27 in der Ventilbetätigungslamelle 25a. Die Ventilbetätigungslamelle 25a ist außermittig angeordnet. Die entsprechende Lamelle des benachbarten Aktuators (unter Bildhälfte) ist mit 25a' bezeichnet. Der Abstand der Lamellen 25a und 25a' entspricht dem Ventilabstand. Hieraus ist der Vorteil dieser Anordnung erkennbar, da sie in einem weiten Bereich an die Ventilabstände angepasst werden kann. Die Ventilbetätigungslamellen 25 a und 25a' sind in das Ankerpaket eingebettet.
In die Lagerplatten 25L und 25r sind die Lagerbuchsen 28 eingeschweißt oder eingelötet. Zur genauen Fluchtung geschieht dies in einer entsprechenden Vorrichtung. Mittels Winkelstücken, von denen in der Fig. 6 das Winkelstück für die Lagerplatte 25L gezeigt ist, wird der Aktuator mit Schrauben 29 mit dem Zylinderkopf 35 verbunden. Die Lagerplatten sind relativ dünn ausgebildet (etwa 1,5 bis 2mm stark). Die Endlamellen sind ca. 3mm stark, die andern Lamellen etwa 0,3mm.
Die untere Bildhälfte der Fig. 4 zeigt die entsprechenden Elemente des benachbarten Aktuators. Auf der unteren Bildhälfte ist links ein Teil des Ankerpakets 25 weggeschnitten und das Lamellenpaket 30 eines Jochs mit einer dickeren Endlamelle 31 ist sichtbar. Die äußere Jochverstärkung wird durch die Seitenplatte 32 bewirkt, die bei S3 mit der Lagerplatte verschweißt ist. Zur inneren Jochverstärkung dient die Seitenplatte 33. Dies entspricht dem in den Fig. 1 und 3 gezeigten Aufbau. Hier ragt die innere Verstärkung nämlich die Jochseitenplatte 33 durch die Lagerplatte 25L hindurch und wird bei S2 mit dieser verschweißt.
Fig. 5 zeigt in Seitenansicht die Lagerplatte 25L. Fig. 4 zeigt den Blick in die eingezeichnete y-Richtung. Hier sind die Jochseitenplatten 32 und 33 gestrichelt gezeigt und im Vergleich zu Fig. 1 und 2 etwas anders dimensioniert und auch die Durchführung der Seitenplatte 33 durch eine Aussparung in der Lagerplatte 25L mit den entsprechenden Schweißstellen S2 ist zu sehen. Auch die Drehstabaufnahme 24 und der Hebel 24a sind hier zu erkennen. Die den Teilen 24 und 24a entsprechenden Elemente des links benachbarten Aktuators sind auf der Lagerplatte 25r diagonal gegenüberliegend angeordnet. Damit sind gleiche Teile verwendbar. Auch die Befestigungsschraube 29 ist zu sehen. Durch entsprechende Aussparungen der Lagerplatten 25L und 25r ragend die Spulen 34 hindurch. Deren Anschlüsse 34a sind damit für die Kontaktierung zum Verbindungskabel gut zugänglich. Das Jochlamellenpaket kann auch verschraubt werden mit eventuell zusätzlichen Verschweißungen oder Verklebungen oder anderen Verbindungsmöglichkeiten. Die in Fig. 5 links gezeigten Verschraubungen 37 und 37a bringen den Vorteil einer einfachen Justage. Es kann z. B. auch nur der obere Magnet verschraubt werden und der untere verschweißt.
Auch ist denkbar, dass die dickeren Jochendlamellen 31 z. B. für die beiden unten liegenden Magnete in einer Art Brücke verbunden sind, um eine einfachere Montage zu ermöglichen und eine weitere Versteifung der Lagerplatten zu erreichen. Auch kann der Aktuator der Fig. 4 und 5 zur besseren Wärmeableitung in den Zylinderkopf 35 eingebettet werden, wie das Fig. 5 unten zeigt, wobei die Einbautoleranzen des Luftspalts durch wärmeleitende Füllstoffe ausgeglichen werden können. Auch ist es denkbar, die Wärmeabfuhr für die oberen Magnete dadurch zu verbessern, dass ein Wärmeleitblech 36 eingesetzt wird, welches die Wärme von der Oberseite der Magnete zum Zylinderkopf abführt.
Die Lagerplatten 25L1 und 25r müssen um nur einen kleinen Nebenschluss herzustellen zumindest im Bereich des Ankers un- oder nur schwach magnetisch sein. In den daneben liegenden Bereichen kann das Material magnetisch sein. Das unmagnetische Material, z. B. V2A kostet ein Vielfaches des magnetisch leitenden Materials. Daher ist es denkbar eine Trennung bei 25LT durchzuführen, derart, dass der mittlere Teil 25LM unmagnetisch und der benachbarte Teil oben 25LO und entsprechend unten magnetisch ist.
Um eine gute Wärmeabfuhr zu erzeugen sollte der Aktuator bündig mit der Lagerplatten 25Lund 25r montiert, bzw. justiert werden.
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen die Befestigung des Aktuators mittels der Befestigungsschraube 29 am Zylinderkopf 35. Als Alternative zu der Schraube 29 kann gemäß Fig. 6 eine Schaftschraube 29a verwendet werden mit einem Sechskant am oberen Ende. Diese Ausführung hat Montagevorteile bezüglich der Zugänglichkeit beim Aufsetzen auf den Zylinderkopf.