WO2003021612A1

WO2003021612A1 - Elektromagnetische stellvorrichtung

Info

Publication number: WO2003021612A1
Application number: PCT/EP2002/009677
Authority: WO
Inventors: Harald Elendt; Christof Faria; Matthias Dittrich
Original assignee: Ina-Schaeffler Kg
Priority date: 2001-09-01
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2003-03-13
Also published as: DE10262354B4; DE10240774B4; ATE374997T1; US6967550B2; EP1421591A1; DE20114466U1; US20040201441A1; DE10240774A1; EP1421591B1; DE50211017D1; ES2292826T3

Abstract

Vorgeschlagen ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem endseitig einen Eingriffsbereich (44) ausbildenden und bewegbaren Stellelement (42), insbesondere Kolben, und einer relativ zum Stellelement stationär vorgesehenen und zum Ausüben einer Kraft auf dieses ausgebildeten Spuleneinrichtung (34, 36), wobei die elektromagnetische Stellvorrichtung mit Permanentmagnetmitteln versehen ist, über die das Stellelement (42) im unbestromten Zustand der Spulenvorrichtung (34, 36) an der Spulenvorrichtung (34, 36) gehalten ist und wobei bei Strombeaufschlagung der Spulenvorrichtung (34, 36) das Stellelement (42) von der Spulenvorrichtung (34, 36) unter Überwindung einer Haltekraft der Permanentmagnetmittel gelöst wird.

Description

Elektromagnetische Stellvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in Form von Stellvorrichtungen mit Elektrohaftmagneten hinlänglich bekannt und wird für vielfältige Einsatzzwecke benutzt. Das Grundprinzip besteht darin, dass ein Kolben als Stellelement, der endseitig einen Eingriffsbereich für die vorgesehene Stellaufgabe aufweist, in einem Gehäuse geführt ist und typischerweise mittels eines im Gehäuse vorgesehenen Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstellfeder aus dem Gehäuse heraus bewegt werden kann.

Die Fig. 3 verdeutlicht in der seitlichen Schnittansicht eine solche bekannte Stellvorrichtung: Ein Kolbenelement 10, geführt in einem Gehäuse 12 und vorgespannt gegen die Kraft einer Rückstellfeder 14, weist einenends einen Ein- griffsbereich 16 auf, der aus dem Gehäuse 12 herausragt, und anderenends einen angepressten hohlzylindrischen Anker 18, der entlang einer zylindrischen Lauffläche in einem Jochelement 20 eines (mit Spule 22 im Spulengehäuse 24 realisierten) Elektromagneten um einen vorbestimmten Hub bewegbar ist, wodurch der Eingriffsbereich 16 (die Fig. 3 zeigt den zurückgezogenen bzw. eingeschobenen Betriebszustand) aus dem eingriffsseitigen Gehäuseende heraustritt.

Wie die Fig. 3 bereits erkennen lässt, ist die konstruktive Realisierung einer derartigen Vorrichtung aufwendig und, insbesondere im Hinblick auf Passun- gen und Toleranzen, nicht unkritisch: So gilt es bei Herstellung und Montage, Toleranzen der beteiligten Lager (etwa auch Lager 26) sowie der Laufflächen kontrolliert auszubilden, und auch der mechanische Aufbau, etwa im Hinblick auf den an die Magnetisierungskennlinie angepassten konischen Bereich 28, ist nicht unproblematisch. Da zudem die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung zum Stellen, d. h. Ausschieben des Eingriffsbereichs 16 aus dem Gehäuse, eine permanente Signalbeaufschlagung des Elektromagneten benötigt, entstehen weitere steuerungs- und elektrotechnische Probleme. So gilt es insbesondere unterschiedliche Schalt- und Halteströme zu kontrollieren, und generell ergibt sich das Problem eines permanenten (und je nach Anwendungsfall auch nicht unbeträchtlichen) Stromverbrauchs bei ausgefahrenem Kolben, da dieser permanent gegen die Kraft der Rückstellfeder 14 in ausgefahrener Position gehalten werden muss. Insbesondere bei energiekritischen Anwendungen, bei welchen etwa nur portable Stromversorgungsmittel zur Verfügung stehen, besteht daher auch in dieser Richtung Verbesserungsbedarf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende und lediglich exemplarisch in Fig. 3 gezeigte elektromagnetische Stellvorrichtung sowohl in mechanischer als auch in elektrotechnischer Richtung zu verbessern, dabei insbesondere die Montage- und Passungseigenschaften der beweglichen Relative zu den fixen Teilen zu vereinfachen und die Stromaufnahme einer solchen Vorrichtung, insbesondere auch in einem ausgefahrenen (Stell-) Zustand, herabzusetzen.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise werden Permanentmagnetmittel, typischerweise realisiert als scheibenförmiger Permanentmagnet entsprechend einer zylindrischen Außenform der Stellvorrichtung, eingesetzt und die Eigenschaften eines derartigen Permanentmagneten in mehrfacher Hinsicht ausgenutzt: Zum einen dient der Permanentmagnet dazu, das Stellelement in einem (eingefahrenen) Ruhezustand durch Zusammenwirken mit dem Kernbereich sicher im Gehäuse zu halten. Zum anderen bewirkt der Permanentmagnet dann, wenn die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Gegenfeldes erregt wird, einen Abstoßungseffekt und damit ein Heraustreiben des Stellelements aus einem zugehörigen Gehäuse, da erfindungsgemäß das elektromagnetisch erzeugte Gegenfeld mit der Gegenkraft abstoßend auf den Permanentmagneten wirkt und daraufhin den Vorschub des Stellelements erzeugt. Schließlich bietet der Permanentmagnet noch die Möglichkeit, bei deaktiviertem elektromagnetischen Gegenfeld (d. h. Abschalten des Spulenstroms) das Stellelement wieder in seine Ruhelage am Kernbereich zurückzuführen.

Im Ergebnis entsteht so auf äußerst einfache und gleichwohl wirksame Weise eine bistabile Stellvorrichtung, welche zum Verlassen der Ruheposition und Herausführen des Stellelements lediglich eine einmalige impulsförmige Strombeaufschlagung der Spuleneinrichtung benötigt und, sobald durch die beschriebene Abstoßungswirkung das Stellelement ausgefahren ist und der Permanentmagnet einen hinreichend großen Abstand zum Kernbereich aufweist, auch im stromlosen Zustand der Spulenmittel einen stabilen Ausfahrzustand sicherstellt. Ein erneutes Eineinführen der Stellmittel in den Ruhezustand kann dann entweder durch externes Betätigen des Stellelements (über den Eingriffsbereich) erfolgen, ergänzend oder alternativ durch geeignet umgepolte An- steuerung der Spuleneinrichtung, entsprechend unterstützt durch eine ab ei- nem vorbestimmten Abstand zum Kernbereich wirksame Anziehungskraft des Permanentmagneten.

Darüber hinaus zeigt sich, dass eine derartige Anordnung in konstruktiv relativ einfacher Weise und unter weitgehender Vermeidung kritischer Toleranzen und Passungen herstellbar ist, so dass, über die steuerungstechnischen und energetischen Vorteile hinaus, die Stellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch deutliche Vereinfachungen und Kostenvorteile in der Herstellung ermöglicht.

Besonders bevorzugt ist es, die erfindungsgemäße Stellvorrichtung mit einem als Feder ausgebildeten Kraftspeicher zu realisieren, wobei jedoch, im Gegensatz zum als gattungsbildend herangezogenen Stand der Technik, hier die Federkraft bevorzugt in Ausschubrichtung des Stellelements und damit der Magnetkraft des Permanentmagneten entgegenwirkt. Über die dadurch erreichte Stabilisierung der Stellelement- bzw. Kolbenbewegung hinaus lässt sich damit insbesondere auch ein schnelles und zuverlässiges Ausführen des Kolbens aus dem Gehäuse erreichen, sobald erfindungsgemäß mittels der Spu- leneinrichtung die Haltekraft des Permanentmagneten überwunden worden ist. Je nach konstruktiver Realisierung kann dieser Kraftspeicher entweder als Druck- oder als Zugfeder realisiert sein.

Konstruktiv besonders bevorzugt ist es zudem, die stationären Elemente, d. h. Kernbereich und Spuleneinrichtung, ringförmig bzw. zylindrisch auszubilden und in einem zylindrischen Gehäuse aufzunehmen, bei einer solchen Realisierung bietet es sich dann an, die Permanentmagnetmittel als scheibenförmigen, an eine Wirkflache des Kernbereichs annähernd angepassten Permanentmagnetkörper zu realisieren.

Als besonders bevorzugt hat es sich zudem herausgestellt, zur Verbesserung des magnetischen Flusses des Permanentmagneten diesem magnetisch leitende Elemente, weiter bevorzugt in Form von zwei beidseits einer Permanentmagnetscheibe benachbarten Scheiben, zuzuordnen, wobei eine bevor- zugte Ausführungsform (best mode) vorsieht, dass diese Scheibenelemente durch einen Klebefilm verklebt sind, der zum Aufnehmen von mechanischen, möglicherweise schädlichen Impulsen auf das (spröde) Permanentmagnetmaterial ausgebildet ist. Zum zusätzlichen randseitigen Schutz des Permanentmagneten und der Gesamtanordnung, insbesondere auch gegen Absplittern des Magnetmaterials, ist bevorzugt randseitig ein Schutzring vorgesehen, welcher weiterbildungsgemäß aus einem nicht-leitendem Material, etwa Kunststoff, gebildet ist und eine beabsichtigte Einfassungs- bzw. Kapselungswirkung besitzt.

Als besonders geeignet hat es sich herausgestellt, die erfindungsgemäße Stellvorrichtung im Kraftfahrzeugbereich, und dort insbesondere zur Motorsteuerung, zu verwenden. Durch Eingreifen des Eingriffsbereichs in einen geeigneten Stellabschnitt einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors lässt sich so in steuerungstechnisch günstiger Weise etwa eine variable Nockenwellensteuerung realisieren, wobei die vorliegende Erfindung sich dabei durch exzellente mechanische Stelleigenschaften, eingeschlossen kurze Stellzeiten und zuverlässige Stellbewegungen, bei vereinfachtem elektronischen Steue- rungsbedarf auszeichnet. Insbesondere der Einsatz im Zusammenhang mit einer Nockenwellensteuerung bietet darüber hinaus die konstruktiv besonders elegante Lösung, nicht nur durch einen Nutengrund eines entsprechenden Stellpartners an der Nockenwelle (oder einem anderen Element) einen wirksamen Hub des Stellelements zu begrenzen, sondern zudem, zur Einleitung des Hereinführbetriebes, eine initiale Hubbewegung des Stellelements zurück in Richtung auf den Kernbereich auszuführen.

Im Ergebnis entsteht so durch die vorliegende Erfindung die Möglichkeit, eine elektromagnetische Stellvorrichtung für einen leistungsarmen Stell- bzw. Schaltbetrieb, keinesfalls beschränkt auf den zwar bevorzugten, jedoch nicht ausschließlich vorgesehenen translatorischen Stellbetrieb, mit zuverlässigen mechanischen Betriebseigenschaften und einfachem Aufbau und einfacher Justierung zu kombinieren. Während der Betrieb im Zusammenhang mit einer Nockenwellensteuerung eine bevorzugte Verwendung der vorliegenden Erfin- düng ist, scheinen die Anwendungsmögiichkeiten darüber hinaus nahezu unbegrenzt, insbesondere im Hinblick auf die Möglichkeit, einen bistabilen Stell- und Schaltbetrieb leistungsarm zu ermöglichen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

Fig. 1 : einen Längsschnitt durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin- düng;

Fig. 2: eine perspektivische Ansicht der Gesamtvorrichtung gemäß Fig. 2 und Fig. 3: eine Ansicht im Längsschnitt analog Fig. 1 einer gattungsbildenden Stellvorrichtung, wie aus dem Stand der Technik bekannt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, nimmt ein zylindrischer Gehäuseabschnitt 30 einen Kern 32 aus magnetischem Material auf, der von einer auf einem Spulenkörper 34 gewickelten Spule 36 umschlossen ist.

Innenseitig bildet der Kern 32 eine i. w. plane Flachseite zum Zusammenwirken mit einem scheibenförmigen Permanentmagneten 38 aus, und zentrisch im Kern 32 ist eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder 40 gehalten.

Diese wirkt gegen einen Kolben 42 als Stellelement so, dass durch die Federkraft ein endseitiger Eingriffsbereich 44 des Kolbens 42 aus einem im Durchmesser verringerten länglichen Hülsenabschnitt 46 des Gehäuses geführt wird.

Wie zudem aus der Fig. 1 erkennbar ist, sind beidseits des scheibenförmigen Permanentmagneten (aus gängigem Magnetmaterial, z. B. Nd-Fe) Scheiben 48, 50 aus magnetisch leitendem Material (z. B. Eisen) vorgesehen, wobei das Gefüge aus erster Scheibe 48, Permanentmagnetscheibe 38 und zweiter Scheibe 50 mittels dünnem Klebefilm miteinander verbunden ist und dadurch eine gewisse impulsdämpfende Wirkung aufweist. Wie zudem in der Fig. 1 erkennbar ist, ist die Anordnung von einem Kunststoff ring 52 umgeben, der insbesondere die Aufgabe hat, das Abplatzen von Material aus der (spröden) Permanentmagnetscheibe zu verhindern bzw. das Eindringen von Splittern oder Schmutzkörpern in den Lauf- bzw. Bewegungsbereich der gezeigten Stellvorrichtung zu verhindern; wie aus der Fig. 1 erkennbar ist, bilden die jeweiligen Ränder des Permanentmagneten (bzw. des diesen umfassenden Kunststoffrings) sowie der Scheiben 48, 50 eine Kolbenumfangsfläche für eine im Inneren des Gehäuseabschnitts 30 ausgebildete Lauffläche aus.

Auf die gezeigte Weise entsteht so ein zweiteiliges Gehäuse als Doppelzylin- der, vgl. Fig. 2, wobei der Gehäuseabschnitt 30 einen einstückig ansetzenden Befestigungsflansch 54 aufweist und der Hülsenabschnitt 46 als separates Gehäuseteil bevorzugt aus nicht-magnetischem Stahl gefertigt und in den Gehäuseabschnitt 30 eingepasst ist. Die Fig. 2 verdeutlicht zusätzlich schematisch Kabelenden 56 für eine Stromversorgung der Spule 36.

In Betrieb der Anordnung gemäß Fig. 1 , Fig. 2 ohne Strombeaufschlagung der Spule 36 wird zunächst die Anordnung aus Kolben 42 mit fest ansetzenden Scheiben 48, 38, 50 durch Wirkung des Permanentmagneten 38 am Kern 32 gehalten. Erst eine Strombeaufschlagung der Spule 36 erzeugt ein Magnetfeld, welches dem Feld des Permanentmagneten 38 entgegenwirkt, dieses in die Scheiben 48, 50 verdrängt bzw. lenkt und damit zu einem Abstoßen führt; hierdurch wird, unterstützt von der Kraft der Spiralfeder 40 (die als solche nicht in der Lage ist, die reine Haftkraft des Permanentmagneten 38 zu überwinden) der Kolben in der Darstellung der Fig. 1 nach rechts aus dem Hülsenabschnitt 46 des Gehäuses herausgetrieben und erfüllt damit seine bestimmungsgemä- ße Schalt- oder Stellfunktion. Sobald die Federkraft der Feder 40 stärker ist als eine Anziehungs- bzw. Rückhaltekraft des Permanentmagneten 38, kann zudem eine Strombeaufschlagung der Spule 36 entfallen und die Anordnung wird — bistabil — im ausgezogenen (ausgefahrenen) Zustand des Eingriffsbereich 44 gehalten, ohne dass es weiterer Energiezufuhr zur Anordnung bedarf.

Ein Hineinfahren des Kolbens bzw. eine Umkehrung des Stellvorgangs kann dann dadurch erfolgen, dass durch Umpolen des anzulegenden Spulenstroms ein auf dem Permanentmagneten 38 bzw. die zugeordneten Scheiben 48, 50 anziehendes Feld wirkt, wodurch dann der Kolben - gegen die Kraft der Feder 40 - wieder in die Ausgangslage gemäß Fig. 1 gebracht wird. Zusätzlich oder alternativ kann diese Bewegung ausgelöst werden durch eine externe Schubkraft auf den Kolben 42 in Richtung auf die in Fig. 1 gezeigte Ruheposition, soweit, bis der Permanentmagnet selbst dann das weitere Zurückführen durch seine Magnetkraft bewirken kann. Ein derartiges Bewegen kann beispielsweise durch einen mit der Stellvorrichtung zusammenwirkenden Stellpartner, etwa eine entsprechend ausgebildete Eingriffsnut, geschehen. Eine besonders sinnvolle und wirksame praktische Anwendung findet die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der Steuerung von Verbrennungsmaschinen, insbesondere der (variablen) Nockeneinstellung für eine Nockenwelle. Hier würde eine geeignete Nut für den Eingriffsbereich 44 des Kolbens 42 nicht nur durch ihren entsprechend bemessenen Nutengrund einen Maximalhub des Kolbens 42 begrenzen (so dass die Scheibe 50 nicht bis zum durch eine Innenfläche des Hülsenabschnitts 46 gebildeten Anschlag vorfährt), auch könnte dieser Nutengrund in geeigneter Weise den Löse- bzw. Rückimpuls für das oben beschriebene Zurückführen des Kolbens bis in die Aus- gangslage gemäß Fig. 1 erzeugen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die konkret beschriebene Ausführungsform sowie das Anwendungsbeispiel Verbrennungsmotorsteuerung beschränkt. So ist es insbesondere von der vorliegenden Erfindung umfasst, andere als die gezeigten translatorischen Bewegungen gemäß Fig. 1 , Fig. 2 als Stellvorrichtung zu realisieren; so ist es insbesondere vorstellbar, dass eine (in den Figuren nicht gezeigte) Ausführungsform der Erfindung eine rotatorische Bewegung ausführt.

Ferner ist auch die konstruktive Anordnung der einzelnen Aggregate innerhalb der Stellvorrichtung nicht festgelegt; nicht nur kann die in der Fig. 1 gezeigte Spiralfeder 40 an anderer Stelle (auch z. B. als Zugfeder) ausgebildet sein, oder aber der Spulenbereich kann, bezogen auf den Kolben, entgegengesetzt angeordnet sein.

Im Ergebnis entstehen somit durch die vorliegende Erfindung vielfältige Möglichkeiten, eine mechanisch mit geringstem Aufwand und äußerst zuverlässig wirkende Stellvorrichtung mit vereinfachter elektrotechnischer Ansteuerung und insbesondere auch leistungsarmem bistabilen Betrieb zu kombinieren.

Claims

Patentansprüche

1. Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem endseitig einen Eingriffsbereich (44) ausbildenden und bewegbaren Stellelement (42), insbesondere Kolben, und einer relativ zum Stellelement stationär vorgesehenen und zum Ausüben einer Kraft auf dieses ausgebildeten Spuleneinrichtung (34, 36), dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagne- tische Stellvorrichtung mit Permanentmagnetmitteln versehen ist, über die das Stellelement (42) im unbestromten Zustand der Spulenvorrichtung (34, 36) an der Spulenvorrichtung (34, 36) gehalten ist, wobei bei Strombeaufschlagung der Spulenvorrichtung (34, 36) das Stellelement (42) von der Spulenvorrichtung (34, 36) unter Überwindung einer Halte- kraft der Permanentmagnetmittel gelöst wird.

2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (42) zumindest abschnittsweise die Permanentmagnetmittel (38) aufweist, die mit einem stationären Kernbereich (32) der Spulenvor- richtung (34, 36) zusammenwirken.

3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (42) so mit einem mechanischen Kraftspeicher (40) zusammenwirkt, dass dieser eine der Haltekraft entgegenwirkende Federkraft auf das Stellelement (42) ausübt.

4. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zumindest die Spuleneinrichtung (34, 36) und den Kernbereich (32) umschließendes, bevorzugt zylindrisches Gehäuse (30).

5. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel als an einem dem Eingriffsbereich (44) entgegengesetzten Endbereich des bevorzugt langgestreckt ausgebildeten Stellelements (42) vorgesehene permanentmagnetische Scheibe (38) ausgebildet sind.

6. Stellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetische Scheibe eine Scheibenoberfläche ausbildet, die sich i. w. parallel bezogen auf eine Oberfläche des Kernbereichs (32) erstreckt.

7. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement ein den scheibenförmig ausgebildeten Permanentmagnetmitteln (38) in Richtung auf den Kernbereich (32) benachbart vorgesehenes Scheibenelement (48) aus magnetisch leitfähigem Material aufweist.

8. Stellvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Scheibenelement (50) aus magnetisch leitfähigem Material den Permanentmagnetmitteln anderenends benachbart vorgesehen ist.

9. Stellvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Scheibenelement mit den Permanentmagnetmitteln durch einen bevorzugt mit einer vorbestimmten Elastizität ausgebildeten Klebefilm verbunden ist.

10. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel und bevorzugt mindestens ein Scheibenelement randseitig durch ein Hülsen- oder Kapselelement (52) aus nicht-magnetischem Material, bevorzugt durch einen Kunststoffring, umschlossen sind.

11. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als langgestreckter Kolben ausgebildete Stellelement (42) in einem bevorzugt aus nicht-magnetischem Material geführten rohrförmigen Führungsabschnitt (46) eines Gehäuses der Stellvorrichtung geführt ist.

12. Steuerung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere Nockenwellen- Steuerung, gekennzeichnet durch die Stellvorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, wobei der Eingriffsbereich (44) mit einem entsprechenden Stellpartner einer Nockenwelle od. dgl. Motorelement zusammenwirkt.

13. Steuerung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellpartner zum Erzeugen einer Rückführungskraft in einer Richtung der Haltekraft der Permanentmagnetmittel und damit zum Bewirken einer Hubbewegung des Stellelements (42) um einen vorbestimmten Längshub ausgebildet ist, wobei bevorzugt der Längsbub so eingestellt ist, dass ein so bewegtes Stellelement durch die Permanentmagnetmittel

(38) in Richtung auf den Kernbereich (32) bewegt werden kann.