DE10139176A1

DE10139176A1 - Electromagnetic actuator for reciprocally movable elements e.g. for gas exchange control in IC engine, has cylindrical pole faces of armature and electromagnet that interact arranged coaxially with respect to each other

Info

Publication number: DE10139176A1
Application number: DE10139176A
Authority: DE
Inventors: Gerd Hoermansdoerfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-02-27

Abstract

The device consists of an axially movably guided actuator with a magnetisable armature and at least one electromagnet. All pole faces (33,34,35) of the armature on one side and of the electromagnet on the other side that interact are arranged coaxially with respect to each other and are cylindrical surfaces differing in radius by the size of the working air gap, so that both the armature and also the electromagnet has at least one such pole face. Independent claims are also included for the following: a method of controlling an inventive device and a method of operating an inventive device.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine translatorisch arbeitende Stelleinrichtung mit elektromagnetischem Antrieb, welche mit wählbarer Geschwindigkeit sowohl zwischen zwei axialen Endstellungen hin-und-her geschaltet, als auch auf beliebige Positionen zwischen diesen Endstellungen gesteuert werden kann. Derartige Stelleinrichtungen sind für die unterschiedlichsten Anwendungen geeignet. The invention relates to a translatory actuating device electromagnetic drive, which can be selected between two axial end positions switched back and forth, as well as to any position between these end positions can be controlled. Such actuators are for suitable for a wide variety of applications.

Eine der möglichen Anwendungen betrifft den Antrieb von Ventilen, bei denen entweder von einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position und umgekehrt hin-und-her geschaltet werden muss, oder das Anfahren und Halten bestimmter Zwischenpositionen erforderlich ist. One of the possible applications concerns the actuation of valves where either from a closed position to an open position and vice versa back and forth must be switched, or moving to and holding certain intermediate positions is required.

Derartige Ventile in Gestalt von Tellerventilen finden z. B. im Zylinderkopf von Brennkraftmaschinen Verwendung. Bislang werden sie üblicherweise von rotierenden Nockenwellen gesteuert, wobei ohne zusätzliche Massnahmen die entsprechenden Steuerzeiten unveränderlich sind. Man hat schon lange erkannt, dass eine variable Steuerung dieser Ventile in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehzahl und leistungsmässigen Belastung einen deutlich effizienteren Betrieb von Brennkraftmaschinen ermöglichen würde. In der Folge wurden unterschiedliche Konzepte zur mechanischen Beeinflussung der Steuerzeiten entwickelt und in die Praxis umgesetzt. Die entsprechenden baulichen Ausführungen sind jedoch aufwendig und teuer. Ausserdem sind sie in ihrer freien Wählbarkeit der Schaltpunkte beschränkt. Zum Beispiel ist eine Zylinderabschaltung mit konstant offenen oder konstant geschlossenen Ventilen nicht möglich. Such valves in the form of poppet valves find z. B. in the cylinder head of Internal combustion engine use. So far, they are usually rotating camshafts controlled, with the corresponding tax times without additional measures are unchangeable. It has long been recognized that variable control of these valves in Dependence on the respective speed and performance load one clearly would allow more efficient operation of internal combustion engines. As a result developed and developed different concepts for mechanically influencing the timing put into practice. The corresponding structural designs are, however complex and expensive. In addition, they are freely selectable for the switching points limited. For example, a cylinder deactivation with constant open or constant closed valves not possible.

Jüngste Entwicklungen zielen darauf ab, nicht nur die eigentlichen Steuerzeiten variabel zu beeinflussen, sondern den Grad der jeweiligen Ventilöffnung gezielt zu steuern, um so eine Leistungsregelung der Brennkraftmaschine zu realisieren, welche ohne Drosselklappe im Ansaugkanal auskommt und dadurch die unerwünschten Drosselverluste vermeidet. Für die technische Umsetzung eines derartigen Systems ist allerdings ein hoher mechanischer Aufwand erforderlich. Recent developments aim to not only variable the actual tax times influence, but to control the degree of the respective valve opening in order to achieve such a To implement power control of the internal combustion engine, which without a throttle valve in the Intake channel manages and thereby avoids the undesirable throttling losses. For the The technical implementation of such a system is, however, a high mechanical one Effort required.

Es hat bislang nicht an Versuchen gefehlt, Ventilsteuerungen zu entwickeln, welche in ihrem Antrieb völlig losgelöst von der übrigen Mechanik arbeiten sollten. Hier lag der Gedanke nahe, auf einen elektrischen Antrieb zurückzugreifen. Insbesondere waren dabei Ventile mit elektromagnetischem Antrieb ins Auge gefasst. Obwohl derartige Überlegungen nun schon seit über dreissig Jahren angestellt werden, hat bis zum heutigen Zeitpunkt eine entsprechende Technologie im Bereich z. B. des Kraftfahrzeugs nicht Einzug gefunden. Die Gründe hierzu mögen teilweise in den Arbeitsbedingungen liegen, welche durch höhere Temperaturen und die extrem schnellen Schaltzeiten gekennzeichnet sind. Immerhin beträgt bei einer Motordrehzahl von 6000 Umin^-1 die Zeitspanne der Ansaugbewegung eines Kolbens nur 5 Millisekunden. Demgemäss sind für derartige Ventile Öffnungs- bzw. Schliesszeiten im Bereich von 2,5 Millisekunden oder kürzer erforderlich. So far, there has been no lack of attempts to develop valve controls which should operate completely independently of the rest of the mechanics. Here the idea was obvious to use an electric drive. In particular, valves with an electromagnetic drive were considered. Although such considerations have been made for over thirty years, a corresponding technology in the field of e.g. B. the motor vehicle not found. Part of the reason for this may be the working conditions, which are characterized by higher temperatures and extremely fast switching times. After all, at an engine speed of 6000 rpm ^-1, the time span of the suction movement of a piston is only 5 milliseconds. Accordingly, opening and closing times in the range of 2.5 milliseconds or less are required for such valves.

Aus der DE-OS 30 24 109 ist eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung für Ventile bekannt, bei der ein weichmagnetischer Anker zwischen zwei Elektromagneten hin-und-her bewegbar ist. Der Anker hat die Form eines flachen Tellers, wobei dessen beidseitige Planflächen den jeweils ringförmigen Polflächen der Elektromagnete gegenüberstehen. Dabei ist der Anker zwischen zwei antiseriell angeordneten Schraubenfedern aufgehängt. Die zu Grunde liegende Idee beruht auf der Vorstellung, dass der Anker nach Abschaltung des Erregerstroms der Spule des entsprechenden Elektromagneten aufgrund seiner Energie der Lage mittels der expandierenden Schraubenfeder aus der Endlage beschleunigt wird und durch die sich aufbauende kinetische Energie bis in die Nähe des anderen Elektromagneten durchschwingt, so dass er mittels dieses Elektromagneten lediglich eingefangen werden muss. Aufbauend auf diesem grundlegenden Prinzip sind hunderte von Patentanmeldungen getätigt worden. From DE-OS 30 24 109 is an electromagnetic actuator for valves known in which a soft magnetic armature back and forth between two electromagnets is movable. The anchor has the shape of a flat plate, with its two-sided Flat surfaces face the respective annular pole faces of the electromagnets. The anchor is suspended between two antiserially arranged coil springs. The underlying idea is based on the notion that the anchor after shutdown the excitation current of the coil of the corresponding electromagnet due to its energy the position is accelerated from the end position by means of the expanding coil spring and through the building up of kinetic energy close to the other Electromagnet swings through, so that he only by means of this electromagnet must be captured. Building on this basic principle are hundreds of Patent applications have been made.

Das oben vorgestellte Konzept ist mit einer Reihe von Problemen behaftet. Eines der Probleme betrifft die anschlagsmässige Überbestimmung des Systems in der geschlossenen Stellung des Ventils. Im Prinzip soll die Dichtfläche des Ventiltellers just in dem Moment auf der Dichtfläche des Sitzrings aufsitzen, in dem die obere Planfläche des Ankers an den Polschuhen des oberen Elektromagnets zur Anlage kommt. Dies ist jedoch technisch kaum realisierbar. Würde zum Beispiel der Anker zuerst anschlagen, so wäre eine total geschlossene Position des Ventiltellers nicht erzielbar. Sitzt andererseits der Ventilteller zuerst auf, verbleibt zwischen Anker und Elektromagnet ein Luftspalt, welcher einen höheren Erregerstrom der Spule erfordert, um den Anker sicher zu halten. Die Situation ist deswegen schwer beherrschbar, weil aufgrund des breiten Arbeitstemperaturbereiches im Kraftfahrzeug z. B. zwischen -20 und +120°C die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bauteile ins Spiel kommen, so dass exakt definierte Spaltmasse schwer realisierbar sind. The concept presented above has a number of problems. One of the Problems concern the predefined overdetermination of the system in the closed Position of the valve. In principle, the sealing surface of the valve disk should open at that moment the sealing surface of the seat ring, in which the upper flat surface of the anchor rests on the Pole shoes of the upper electromagnet come to rest. However, this is hardly technical realizable. For example, if the anchor were to strike first, one would be total Closed position of the valve plate cannot be achieved. On the other hand, if the valve disc is seated first, There remains an air gap between the armature and the electromagnet, which has a higher Excitation current of the coil is required to hold the armature securely. The situation is because of that difficult to control because of the wide working temperature range in Motor vehicle z. B. between -20 and + 120 ° C, the different expansion coefficients individual components come into play so that exactly defined gap mass is difficult are realizable.

Die Funktionsweise des beschriebenen Systems stösst auch auf andere Art an ihre Grenzen, weil das herangezogene Masse-Feder-Kollektiv bestimmten Zwängen unterliegt. Wollte man z. B. die zu beschleunigenden Massen minimieren, um die Schaltzeit zu verkürzen, so sinkt auch die kinetische Energie und die Durchschwingung wird kleiner. Dann wird es schwierig, den Anker mittels des Elektromagneten in die Endlage zu ziehen. Mindestens müsste die Ansteuerleistung des Elektromagneten drastisch erhöht werden. Ähnliches gilt für den Fall der Verstärkung der Schraubenfedern. So oder so ist eine bestimmte Grenzfrequenz des Systems nicht übersteigbar, so dass die Motordrehzahl dadurch beschränkt ist. The functioning of the system described also reaches its limits in other ways, because the mass-spring collective used is subject to certain constraints. Wanted to one z. B. minimize the masses to be accelerated to shorten the switching time, so the kinetic energy also decreases and the oscillation becomes smaller. Then it will difficult to pull the armature into the end position using the electromagnet. At least the drive power of the electromagnet would have to be increased drastically. The same applies in the case of reinforcement of the coil springs. Either way is a certain one Limit frequency of the system cannot be exceeded, which limits the engine speed is.

Aufgrund der Tatsache, dass die Eigenfrequenz des jeweiligen Systems unveränderlich und im praktischen Betrieb nicht beeinflussbar ist, benötigt der Anker für das Durchschwingen von der einen in die andere Endlage stets die gleiche Zeit. Bei niedriger Motordrehzahl tritt dann das Problem auf, dass die Fluggeschwindigkeit des Ankers grösser ist als die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens. Bei entsprechend früher Lage des Schaltpunkts kann es dadurch zu Kollisionen zwischen dem Ventilteller und dem Kolbenboden kommen. Due to the fact that the natural frequency of each system is unchangeable and If the anchor cannot be influenced in practical operation, it needs to swing through always the same time from one end position to the other. At low engine speed occurs then the problem that the flight speed of the anchor is greater than that Speed of movement of the piston. If the switching point is located accordingly early, it can this leads to collisions between the valve plate and the piston crown.

Ein anderer Nachteil des Systems ist das ständige Aufschlagen des Ankers auf die Polflächen des Elektromagneten mindestens in der Endlage der Ventilöffnung. Hiermit ist Verschleiss und eine unakzeptable Geräuschentwicklung verbunden. Another disadvantage of the system is the constant hitting of the anchor on the Pole surfaces of the electromagnet at least in the end position of the valve opening. Herewith is Wear and an unacceptable noise.

Es ist im übrigen hinderlich, dass ein derartiges System im Betrieb lediglich zwischen den beiden Endstellungen hin-und-her geschaltet werden kann. Zwischenstellungen bzw. unterschiediche Ventilhübe sind praktisch nicht realisierbar. Im stromlosen Zustand fällt die Ankerplatte zwar in eine Mittelstellung, muss jedoch vor Start des Motors durch wechselweise Erregung der Elektromagnete aufgeschaukelt werden, um zuerst eine Endlage zu erreichen, bevor das System in den Normalbetrieb übergehen kann. Die zum Einschwingen erforderliche Zeit ist viel zu lang, um bei Betrieb des Motors eine zur Kolbenbewegung synchrone Taktung zu verwirklichen. It is also a hindrance that such a system only operates between the two end positions can be switched back and forth. Intermediate positions or Different valve strokes are practically not possible. The falls in the de-energized state Although the anchor plate is in a middle position, it must pass through before starting the engine alternate excitation of the electromagnets are rocked to first an end position reach before the system can go into normal operation. The one to settle in The time required is far too long to allow the piston to move when the engine is operating to realize synchronous clocking.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 199 09 305 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventils zur Betätigung eines Motorventils bekannt, sowie eine Vorrichtung, welche mit dem Verfahren ansteuerbar ist. Es wird dabei vorgeschlagen, einen Permanentmagneten mit Polschuhen in den magnetischen Kreis einzubeziehen, um mittels der beiden Elektromagneten ohne Benutzung mechanischer Federn neben anziehenden auch abstossende Kräfte zu mobilisieren. A control method is known from German published patent application DE 199 09 305 an electromagnetic valve for actuating an engine valve, and a Device which can be controlled by the method. It is suggested that one To include permanent magnets with pole pieces in the magnetic circuit by means of of the two electromagnets without using mechanical springs in addition to attractive ones to mobilize repulsive forces.

Die in der genannten Schrift beschriebene Vorrichtung krankt unter anderem daran, dass die jeweils endständigen Pole des Stators die Polschuhe des Permanentmagneten hintergreifen, wodurch im magnetischen Kreis lange Fliesswege entstehen. Die Polschuhe mit der rückwärtigen konischen Polfläche werden dann relativ lang und damit schwer. Im Verhältnis zum Volumen des Permanentmagneten entstehen so grosse zu beschleunigende Massen, worunter die Schaltgeschwindigkeit leidet. Ausserdem entwickelt das eigentliche Stellglied ohne steuerungstechnischen Eingriff von aussen die höchsten magnetischen Anziehungskräfte beim Aufschlagen des Ankers auf den jeweiligen Polschuh des Stators und damit auch maximale Aufschlaggeschwindigkeiten. Das Anschlagen selbst ist bei der gezeigten Vorrichtung unvermeidbar. Dabei wird bei Öffnung des Ventils der Anker am Polschuh des Stators anschlagen und beim Schliessen des Ventils der Ventilteller auf dem Ventilsitz. Damit bestehen hier hinsichtlich der Geräuschentwicklung und des Verschleisses die gleichen Nachteile wie bei dem weiter oben beschriebenen System. The device described in the cited document suffers, among other things, from the fact that the respective terminal poles of the stator the pole shoes of the permanent magnet reach behind, which creates long flow paths in the magnetic circuit. The pole pieces with the rear conical pole face then become relatively long and therefore heavy. in the In relation to the volume of the permanent magnet, large accelerations are created Masses, what the switching speed suffers. It also develops the real thing The highest magnetic actuator without external control intervention Attractive forces when the armature strikes the respective pole piece of the stator and therefore also maximum impact speeds. The striking itself is with the shown device inevitable. The anchor is opened when the valve opens Strike the pole piece of the stator and when closing the valve the valve disc on the Valve seat. So there are noises and wear the same disadvantages as the system described above.

Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung ohne die oben beschriebenen Nachteile. Die verbesserte Stelleinrichtung sollte in ihrer Ansteuerung völlig frei programmierbar sein, extrem kurze Schaltzeiten bis in den Bereich von 2 Millisekunden und weniger bei kleinen Ansteuerleistungen erlauben, und daneben möglichst geräuscharm oder geräuschfrei arbeiten. Ausserdem war eine kompakte Bauform gefordert, sowie eine Herstellbarkeit zu moderaten Kosten. There was therefore the task of creating an electromagnetic working Actuator without the disadvantages described above. The improved actuator should their control can be completely freely programmable, extremely short switching times down to Allow range of 2 milliseconds and less for small drive powers, and also work as quietly or as quietly as possible. Also there was one compact design required, as well as manufacturability at moderate costs.

Die beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung durch Schaffung einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung mit einem in axialer Richtung relativ zu einem Elektromagneten beweglichen Anker gelöst, wobei sämtliche in Wirkverbindung stehenden Polflächen des Ankers einerseits und des Elektromagneten andererseits koaxial zueinander angeordnete und in ihrem Radius sich um den Betrag des Arbeitsluftspaltes unterscheidende Zylinderflächen sind, und sowohl der Anker als auch der Elektromagnet mindestens eine derartige Polfläche besitzen. Vorzugsweise ist dabei der Anker des Stellgliedes mit einem Permanentmagneten gebildet. Das erfindungsgemässe Stellglied ist durch Stützfedern bzw. Dämpfungsglieder erweiterbar, um einen geräuscharmen und verschleissfreien Betrieb zu gewährleisten. Mit einer geeigneten elektrischen Ansteuerung sind beliebige Ventilhübe zwischen den Endstellungen und variable Schaltgeschwindigkeiten realisierbar. Andere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. The described object is achieved according to the invention by creating a Electromagnetic actuator with one in the axial direction relative to one Solenoid movable armature released, all are in operative connection Pole surfaces of the armature on the one hand and the electromagnet on the other hand coaxially with each other arranged and in their radius around the amount of the working air gap are distinguishing cylinder surfaces, and at least both the armature and the electromagnet have such a pole face. The anchor of the actuator is preferably included a permanent magnet. The actuator according to the invention is through Support springs or attenuators expandable to a low-noise and to ensure wear-free operation. With a suitable electrical control Any valve strokes between the end positions and variable switching speeds realizable. Other advantageous configurations can be found in the subclaims.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand der acht Zeichnungsfiguren näher erläutert werden. Es zeigen The invention will be explained in more detail below with reference to the eight drawing figures become. Show it

Fig. 1 das schematische Ausführungsbeispiel einer integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung und einem Tellerventil. Fig. 1 shows the schematic embodiment of an integrated unit from an actuating device according to the invention and a poppet valve.

Fig. 2 eine ähnliche Baueinheit mit einem in seinem Querschnitt variierenden Anker. Fig. 2 shows a similar unit with an armature varying in cross section.

Fig. 3 eine abgewandelte Baueinheit mit zwei radial magnetisierten Ringmagneten und einem magnetischen Rückschluss. Fig. 3 shows a modified unit with two radially magnetized ring magnets and a magnetic yoke.

Fig. 4 eine Baueinheit mit einem axial magnetisierten Ringmagneten und zwei magnetisierbaren Polschuhen. Fig. 4 shows a unit with an axially magnetized ring magnet and two magnetizable pole pieces.

Fig. 5 eine Baueinheit mit einem axial magnetisierten Ringmagneten und zwei magnetisierbaren Polblechen. Fig. 5 shows a unit with an axially magnetized ring magnet and two magnetizable pole plates.

Fig. 6 das Schnittbild eines schematischen Ausführungsbeispiels eines Zylinderkopfes mit einer integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung und einem geschlossenen Tellerventil. Fig. 6 is a sectional representation of a schematic embodiment of a cylinder head with an integrated assembly of an inventive actuating device and a closed poppet valve.

Fig. 7 das Schnittbild eines schematischen Ausführungsbeispiels eines Zylinderkopfes mit einer abgewandelten integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung mit einer Runddrahtfeder und einem geöffneten Tellerventil. Fig. 7 is a sectional representation of a schematic embodiment of a cylinder head with a modified integrated assembly of an inventive actuating device with a round wire spring, and an open poppet valve.

Fig. 8 das Schnittbild eines Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 7, jedoch mit einer Flachdrahtfeder und geschlossenem Tellerventil. Fig. 8 is a sectional representation of an embodiment according to FIG. 7, but with a flat wire spring and the closed poppet valve.

Die Fig. 1 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel einer integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung und einem Tellerventil in einer teilweise geschnitten gezeichneten Ansicht. Zum besseren Verständnis wurde die Darstellung auf die wesentlichen Komponenten reduziert. Dabei wurden die Komponenten in jeweiligen Grössen gezeichnet, wie sie zum Beispiel für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit zwei Ventilen pro Zylinder anwendbar wären. Für das eigentliche Tellerventil 1 wurden die Abmessungen auf einen Durchmesser des Tellers 2 von 34 mm, einen Durchmesser des Schaftes 3 von 7 mm und eine Gesamtlänge von 90 mm festgelegt. Auch die Länge der Ventilführung 5 entspricht mit 34 mm den in der Praxis vorkommenden Werten. Am oberen Ende des Ventilschaftes ist eine übliche Ringnut 4 angebracht. Das geschlossene Tellerventil liegt auf einem Sitzring 6 auf. Dem Tellerventil ist eine erfindungsgemässe Stelleinrichtung zugeordnet, welche durch einen doppelten Elektromagneten aus einem ortsfesten Stator 32 mit zwei Erregerspulen 36, 37, sowie einem mit dem Ventil verbundenen Aktuator aus einem Anker 7 und einem Ankerträger 26 gebildet ist. Der Ankerträger 26 ist im Bereich der Ringnut 4 mit dem Ventilschaft 3 fest verbunden, wobei die gezeigte Ausführung mehr schematisch zu verstehen ist. Hier sind verschiedene der Verbindungstechniken anwendbar, wie sie aus dem allgemeinen Motorenbau bekannt sind. Auf jeden Fall ist es günstig, den Ankerträger 26 aus einem möglichst leichten Werkstoff wie Leichtmetall oder Kunststoff (z. B. aus CFK oder einem temperaturfesten Polyarylätherketon) herzustellen, um die zu beschleunigenden Massen klein zu halten. Der in dem Beispiel in U-Form vorgeschlagene Anker 7 ist aus magnetisierbarem Werkstoff gefertigt. Vorzugsweise ist er jedoch ein Permanentmagnet, dessen Polflächen 8, 9 entsprechend polarisiert sind. Demgemäss ist eine der Polflächen als Nord- und die andere als Südpol magnetisiert. Die beiden Polflächen des Ankers bestehen aus äusseren Zylinderflächen, welche radial nach aussen gegen die aus inneren Zylinderflächen bestehenden Polflächen 33, 34, 35 des Stators zeigen. Dabei sind die Polflächen des Ankers von den Polflächen des Stators durch einen Luftspalt getrennt. Fig. 1 shows a schematic exemplary embodiment of an integrated assembly of an inventive actuating device and a poppet valve in a partially cut view drawn. For better understanding, the presentation has been reduced to the essential components. The components were drawn in respective sizes, as would be applicable, for example, to the internal combustion engine of a motor vehicle with two valves per cylinder. For the actual poppet valve 1 , the dimensions were set to a diameter of the plate 2 of 34 mm, a diameter of the stem 3 of 7 mm and a total length of 90 mm. At 34 mm, the length of the valve guide 5 also corresponds to the values that occur in practice. At the upper end of the valve stem, a conventional annular groove 4 is attached. The closed poppet valve rests on a seat ring 6 . The poppet valve is assigned an actuating device according to the invention, which is formed by a double electromagnet consisting of a fixed stator 32 with two excitation coils 36 , 37 , and an actuator connected to the valve, comprising an armature 7 and an armature support 26 . The armature carrier 26 is fixedly connected to the valve stem 3 in the region of the annular groove 4 , the embodiment shown being understood more schematically. Various of the connection techniques known from general engine construction can be used here. In any case, it is expedient to manufacture the anchor carrier 26 from the lightest possible material such as light metal or plastic (for example from CFRP or a temperature-resistant polyaryl ether ketone) in order to keep the masses to be accelerated small. The anchor 7 proposed in the example in a U-shape is made of magnetizable material. However, it is preferably a permanent magnet whose pole faces 8 , 9 are appropriately polarized. Accordingly, one of the pole faces is magnetized as the north and the other as the south pole. The two pole faces of the armature consist of outer cylinder faces, which point radially outward against the pole faces 33 , 34 , 35 of the stator consisting of inner cylindrical faces. The pole faces of the armature are separated from the pole faces of the stator by an air gap.

Die dargestellte Stelleinrichtung ist für einen theoretischen Hub von 9 mm ausgelegt. Demgegenüber ist der eigentliche Arbeitshub zwischen der geschlossenen bzw. offenen Stellung des Tellerventils reduziert, zum Beispiel auf 7 mm. Bei Anliegen des Ventiltellers 2 am Sitzring 6 befindet sich so der Anker 7 gegenüber dem Stator 32 in einer geringfügig ausgelenkten Position. Dadurch wird bei zweckdienlicher Auslegung des magnetischen Kreises unter Verwendung eines Permanentmagneten als Anker aufgrund der Selbsthaltekraft und/oder bei entsprechend erregter Spule 36 eine axiale Kraft auf das Ventil ausgeübt, welche als Schliesskraft des Tellerventils ausreichend ist. The actuating device shown is designed for a theoretical stroke of 9 mm. In contrast, the actual working stroke between the closed or open position of the poppet valve is reduced, for example to 7 mm. When the valve plate 2 is in contact with the seat ring 6 , the armature 7 is in a slightly deflected position relative to the stator 32 . As a result, when the magnetic circuit is expediently designed using a permanent magnet as an armature due to the self-holding force and / or with a correspondingly excited coil 36, an axial force is exerted on the valve which is sufficient as the closing force of the poppet valve.

Für den Fall, dass der Anker 7 aus einem weichmagnetischen Material besteht, wird das Ventil geschlossen gehalten, so lange die Spule 36 erregt wird. Zum Umschalten des Ventils in die geöffnete Stellung wird die Spule 36 ab- und die Spule 37 eingeschaltet. Der Anker 7 mitsamt dem Ventil 1 wird dadurch so weit nach unten gezogen, bis sich die Polflächen 8, 9 des Ankers mit den Polflächen 34, 35 des Stators gegenüberstehen. Bei senkrechter Anordnung des Systems wird es auf Grund der Schwerkraft dazu kommen, dass der Anker gegenüber den Polflächen des Stators geringfügig nach unten durchhängt. Dies ist jedoch kein prinzipieller Nachteil des Systems. Allerdings muss beachtet werden, dass bei einem Überschwingen des Ventils während seiner Bewegung oder bei einem Ausfall des Erregerstroms für die Spule ein dadurch verursachtes Durchsacken des Ventils unter Umständen zu einer Kollision mit dem Kolben der Brennkraftmaschine führen könnte. Diese Gefahr kann durch die Integration eines dämpfend arbeitenden Anschlags beseitigt werden, z. B. in Gestalt einer kleinen, extrem progressiv ausgelegten Stützfeder. Diese Stützfeder ist vorzugsweise z. B. als Schraubenfeder aus relativ dünnem Flachdraht gefertigt, so dass ihre Windungen beim Erreichen des Anschlagpunktes mit geringer Kraft flach aufeinander liegen. Die extrem progressive Federkennung, vorzugsweise mit einem Knickpunkt in der Federkennlinie, ist z. B. in einfacher Weise dadurch erzielbar, dass wahlweise eine oder beide Endwindungen der Schraubenfeder leicht verschränkt sind. Dadurch geht die flache Schraubenfederkennlinie im Anschlagsbereich in eine steile Tellerfederkennlinie über. Es sind auch spezielle zweigängige Schraubenfedern mit gegenseitiger Verschränkung bekannt, z. B. die so genannte RÖHRS-Feder, welche für die beschriebene Aufgabe auslegbar sind. Im Prinzip ist jede andere mechanische Feder für die beschriebene Aufgabe geeignet, so weit sie eine entsprechend günstige Kennlinie besitzt. In the event that the armature 7 is made of a soft magnetic material, the valve is kept closed as long as the coil 36 is excited. To switch the valve into the open position, the coil 36 is switched off and the coil 37 is switched on. The armature 7 together with the valve 1 is thereby pulled down until the pole faces 8 , 9 of the armature face each other with the pole faces 34 , 35 of the stator. If the system is arranged vertically, gravity will cause the armature to sag slightly downwards from the pole faces of the stator. However, this is not a fundamental disadvantage of the system. However, it must be taken into account that if the valve overshoots while it is moving or if the excitation current for the coil fails, a sagging of the valve caused thereby could possibly lead to a collision with the piston of the internal combustion engine. This risk can be eliminated by integrating a damping stop, e.g. B. in the form of a small, extremely progressive support spring. This support spring is preferably z. B. as a coil spring made of relatively thin flat wire, so that their turns lie flat on each other when reaching the anchor point with little force. The extremely progressive spring detection, preferably with a kink in the spring characteristic, is z. B. can be achieved in a simple manner that either one or both end turns of the coil spring are slightly interlaced. As a result, the flat helical spring characteristic curve in the stop area changes into a steep diaphragm spring characteristic curve. There are also special double-start coil springs with mutual entanglement known, for. B. the so-called RÖHRS spring, which can be interpreted for the task described. In principle, any other mechanical spring is suitable for the task described, insofar as it has a correspondingly favorable characteristic.

Eine elegante Realisierung der Endlagendämpfung besteht in der Integration von Kavitäten (z. B. zylinder- bzw. ringförmigen Ausnehmungen), welche in Form und Position so angeordnet sind, dass ein eintauchender, mit dem Ventil 1 verbundener Körper, z. B. in Gestalt des Ankerträgers 26 bzw. einer Profilierung des Ankerträgers 26, ein dort vorhandenes Fluid oder Gas verdrängt bzw. komprimiert. Eine derartige Ausführung arbeitet geräuscharm und verschleissfrei, und ist ausserdem zu günstigen Kosten zu verwirklichen. An elegant realization of the end position damping consists in the integration of cavities (e.g. cylindrical or ring-shaped recesses), which are arranged in shape and position in such a way that an immersed body connected to the valve 1 , e.g. B. in the form of the anchor carrier 26 or a profile of the anchor carrier 26 , a fluid or gas present there displaced or compressed. Such an embodiment works quietly and free of wear, and can also be realized at low cost.

Eine Endlagendämpfung hat auch Vorteile für die obere Position des Ankers, wenn sie derart bemessen ist, dass sie ganz kurz vor dem Auftreffen des Ventiltellers auf den Ventilsitz wirksam wird. Das ganze System arbeitet dann mit deutlich reduzierter Geräuschentwicklung nahezu ohne Einbuße an Dynamik. End position cushioning also has advantages for the top position of the anchor when it is dimensioned such that it is very shortly before the valve plate hits the Valve seat takes effect. The whole system then works with significantly reduced Noise development almost without loss of dynamics.

Besonders vorteilhaft arbeitet die erfindungsgemässe Stelleinrichtung unter mindestens teilweiser Einbeziehung eines Permanentmagneten (z. B. aus einer Eisen-Neodym-Bor-Legierung) in den Anker. Dies ergibt sich aus der doppelten Nutzung des Stators bei Umpolung des Erregerstroms für die Spulen, weil dann von den Polflächen des Stators auch abstossend auf den Anker wirkende Kräfte mobilisiert werden können. Ferner besteht dann bei entsprecher Auslegung des magnetischen Kreises und angepasster Dimensionierung der Polflächen die Möglichkeit, die auftretenden Selbsthaltekräfte (Rastmomente) zu nutzen. Im konkreten Fall wird z. B. der Anker in der oberen Position aufgrund der magnetischen Selbsthaltekraft und/oder durch Erregung der oberen Spule 36 mit einer geeigneten Polarität gehalten. Zum Umschalten des Ventils wird die Polarität der Erregerspannung der oberen Spule abstossend gepolt und wahlweise gleichzeitig oder zeitlich verzögert die untere Spule 37 mit anziehender Polarität erregt. Vor Erreichen der unteren Endlage des Ventils kann der Erregerstrom der oberen Spule 36 abgeschaltet werden. Ein Bremseffekt z. B. zur Unterbindung des Überschwingens des Ventils kann dann auf mechanischem Wege durch die oben beschriebenen oder ähnliche Dämpfungselemente erzielt werden. Diese Dämpfung ist am effektivsten und benötigt keine weitere Energie. Auf elektrischem Wege ist eine Bremsung oder Dämpfung mittels der unteren Erregerspule 37 entweder durch kurzzeitiges Beaufschlagen mit einem elektrischen Impuls abstossend wirkender Polarität realisierbar, bzw. durch eine Generatorschaltung, oder durch Kurzschliessen. In den beiden letzteren Fällen werden dabei durch die Bewegung des Ankers in der Spule Spannungen induziert, welche bei Anlegen einer externen Last zu entsprechenden Strömen führen und durch die aufzubringende elektrische Leistung die Ankerbewegung hemmen. Nach Erreichen der unteren Endlage des Ankers kann die untere Spule 37 abgeschaltet werden, falls die magnetische Selbsthaltekraft ausreichend gross ist, oder in Teil- oder Vollerregung wiederum polaritätsrichtig eingeschaltet werden, um den Anker in dieser Position mit einer dann höheren Kraft festzuhalten. Die hier beschriebene Arbeitsweise gilt logischerweise für beide Arbeitsrichtungen. The actuating device according to the invention works particularly advantageously with at least partial inclusion of a permanent magnet (for example made of an iron-neodymium-boron alloy) in the armature. This results from the double use of the stator with polarity reversal of the excitation current for the coils, because then forces which act repulsively on the armature can also be mobilized by the pole faces of the stator. Furthermore, with the appropriate design of the magnetic circuit and adapted dimensioning of the pole faces, it is then possible to use the self-holding forces (cogging moments) that occur. In the specific case z. B. the armature is held in the upper position due to the magnetic self-holding force and / or by energizing the upper coil 36 with a suitable polarity. To switch the valve, the polarity of the excitation voltage of the upper coil is repulsively polarized and the lower coil 37 is excited with an increasing polarity either at the same time or with a time delay. Before the valve reaches the lower end position, the excitation current of the upper coil 36 can be switched off. A braking effect z. B. to prevent the overshoot of the valve can then be achieved mechanically by the above-described or similar damping elements. This damping is most effective and requires no additional energy. Electrically, braking or damping can be achieved by means of the lower excitation coil 37 either by briefly applying an electrical pulse with a repelling polarity, or by a generator circuit, or by short-circuiting. In the latter two cases, the movement of the armature in the coil induces voltages which lead to corresponding currents when an external load is applied and which inhibit the armature movement due to the electrical power to be applied. After reaching the lower end position of the armature, the lower coil 37 can be switched off if the magnetic self-holding force is sufficiently large, or can be switched on again with correct or partial polarity in order to hold the armature in this position with a higher force. The procedure described here logically applies to both directions of work.

Bei Verwendung eines Permanentmagneten als Anker muss sichergestellt sein, dass sich in der jeweiligen Endlage die Polflächen des Ankers relativ zu den Polflächen des Stators in einer geringfügig zur Mitte des Stators hin versetzten Position befinden, weil es im umgekehrten Fall bei der Mobilisierung der oben beschriebenen abstossenden Kräfte zu einem unerwünschten Wegdrängen des Ankers aus dem Stator hinaus kommen würde. In der geschlossenen Stellung des Ventils ist diese Forderung ohnehin erfüllt, wenn der Ventilteller auf dem Sitzring zur Auflage kommt, ehe das System aus Stator und Anker seine konvergierende Position erreicht hat. Für die geöffnete Stellung des Ventils ist diese Forderung z. B. in einfacher Weise durch Einbau einer kleineren Stützfeder zu erfüllen, welche in ihrer Federkraft so bemessen sein muss, dass sie zumindest geringfügig mehr als die Masse des insgesamt bewegten Systems kompensiert. When using a permanent magnet as an anchor, it must be ensured that in the respective end position the pole faces of the armature relative to the pole faces of the stator in in a position slightly offset from the center of the stator because it is in the reverse case in the mobilization of the repulsive forces described above an undesired displacement of the armature would come out of the stator. In the closed position of the valve this requirement is met anyway if the Valve plate comes to rest on the seat ring before the system consisting of stator and armature has reached its converging position. This is for the open position of the valve Claim z. B. in a simple manner by installing a smaller support spring, which must be dimensioned in its spring force in such a way that it is at least slightly more than compensated for the mass of the system as a whole.

Die Ansteuerungsbandbreite des erfindungsgemässen Systems unter Einbeziehung eines Permanentmagneten in den Anker ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen stufenlos unter-, normal-, und übererregbar sowie einzeln oder gemeinsam erregbar sind, wobei ihre jeweilige Polarität und die - auch getaktete - Erregungsdauer frei wählbar ist. Ausserdem können sie einzeln oder gemeinsam kurzgeschlossen oder zwecks Rückgewinnung von elektrischer Energie jeweils kurzzeitig als Generator geschaltet werden. The control bandwidth of the system according to the invention including a Permanent magnet in the armature is characterized in that the excitation coils are continuously under-, normal-, and over-excitable as well as individually or jointly excitable, their respective polarity and the - also clocked - duration of excitation is freely selectable. In addition, they can be short-circuited individually or together or for the purpose Recovery of electrical energy can be switched briefly as a generator.

Da das Gesamtsystem bestimmten Gesetzmässigkeiten unterliegt, welche aus den zu beschleunigenden Massen und den erzeugten magnetischen Kräften ableitbar sind, lassen sich beispielsweise beliebige Öffnungsgeschwindigkeiten und insbesondere Öffnungsgrade des Ventils mittels einer exakten Taktung der Spulenerregung auch ohne zusätzliche Sensorik erzielen. Since the overall system is subject to certain laws, which arise from the accelerating masses and the generated magnetic forces can be derived any opening speeds and in particular degrees of opening of the valve by means of an exact clocking of the coil excitation even without additional Achieve sensors.

Die in der Fig. 1 gezeigte Gestaltung des Ankers 7 in U-Form ist als Permanentmagnet ohne weiteres herstellbar. Jedoch kann ein in seiner Funktion entsprechender Anker auch in Gestalt eines so genannten gebauten Magneten aus einzelnen Elementen zusammengefügt werden. The design of the armature 7 shown in FIG. 1 in a U-shape can easily be produced as a permanent magnet. However, an anchor corresponding in its function can also be assembled from individual elements in the form of a so-called built magnet.

Eine hinsichtlich des Ankers geringfügig abgewandeltes erfindungsgemässes System wird in Fig. 2 gezeigt. Hier wurde versucht, der sich aus der Geometrie des Ankers 10 ergebenden Querschnittsänderung durch eine modifizierte C-Form entgegenzuwirken, wobei die zwischen den Polen 11 und 12 umlaufende Ringnut etwas flacher ausgefallen ist. Die übrigen Einzelteile des Systems wurden aus der Fig. 1 übernommen. A system according to the invention, slightly modified with regard to the armature, is shown in FIG. 2. An attempt was made here to counteract the cross-sectional change resulting from the geometry of the armature 10 by means of a modified C-shape, the annular groove running around between the poles 11 and 12 being somewhat flatter. The remaining individual parts of the system were taken from Fig. 1.

Fig. 3 baut auf den beiden vorausgehenden Figuren auf. Der Stator mit den Spulen wurde daher weggelassen. Es wird ein zusammengesetzter permanentmagnetischer Anker gezeigt, welcher aus zwei radial und zueinander gegenpolig magnetisierten Ringen 13, 14 aufgebaut ist. Diese sind mittels eines magnetischen Rückschlusses 17 aus weichmagnetischem Werkstoff verbunden. Es sind zwei magnetische Polflächen 15, 16 in Zylinderform gebildet, wovon eine als Nord- und die andere als Südpol polarisiert sind. Die Elemente des Ankers sind zwischen dem oberen Ankerträger 27 und dem unteren Ankerträger 28 auf dem Schaft 3 des Ventils 1 fixiert. Fig. 3 builds on the two previous figures. The stator with the coils was therefore omitted. A composite permanent magnetic armature is shown, which is constructed from two rings 13 , 14 magnetized radially and with opposite polarity to one another. These are connected by means of a magnetic yoke 17 made of soft magnetic material. Two magnetic pole faces 15 , 16 are formed in a cylindrical shape, one of which is polarized as the north and the other as the south pole. The elements of the armature are fixed between the upper armature support 27 and the lower armature support 28 on the stem 3 of the valve 1 .

Eine weitere Variante des Systems ist in Fig. 4 dargestellt. Wie zuvor wurde das Ventil 1 mit dem Ventilteller 2 sowie die Ventilführung 5 und der Sitzring 6 aus der vorausgehenden Figur übernommen. Der magnetische Anker besteht nun aus einem axial magnetisierten permanentmagnetischen Ring 18 mit beidseitigen Polschuhen 19, 20 aus weichmagnetischem Material. Auch hier sind radial ausgerichtete Polflächen 21, 22 mit gegenphasiger Polarität vorhanden, wobei eine der Polflächen den Nord- und die andere den Südpol darstellt. Das den Anker bildende Ensemble ist unter Verwendung des modifizierten Ankerträgers 29 auf dem Ventilschaft 3 des Ventils 1 befestigt. Die gezeigte Variante hat den Vorteil der leichten und sehr preiswerten Beschaffbarkeit des axial polarisierten Permanentmagneten. Für die tatsächliche maßliche Festlegung des magnetischen Kreises ist es ratsam, mit entsprecher Software die Flußdichte auf einem Rechner zu optimieren. Die in dem Ausführungsbeispiel gezeigten Dimensionierungen wurden aus zeichnerischen Gründen vor dem Hintergrund einer besseren Verständlichkeit gewählt. Another variant of the system is shown in FIG. 4. As before, the valve 1 with the valve plate 2 and the valve guide 5 and the seat ring 6 were taken from the previous figure. The magnetic armature now consists of an axially magnetized permanent magnetic ring 18 with pole shoes 19 , 20 on both sides made of soft magnetic material. Here too there are radially aligned pole faces 21 , 22 with opposite phase polarity, one of the pole faces representing the north and the other the south pole. The ensemble forming the armature is attached to the valve stem 3 of the valve 1 using the modified armature support 29 . The variant shown has the advantage that the axially polarized permanent magnet can be easily and very inexpensively procured. For the actual dimensional determination of the magnetic circuit, it is advisable to optimize the flux density on a computer using appropriate software. The dimensions shown in the exemplary embodiment were chosen for the sake of clarity, for reasons of drawing.

Die Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Fig. 4 wobei die Darstellung um den Stator ergänzt und der Anker modifiziert wurde. Es kommt wiederum ein axial magnetisierter Permanentmagnet als Anker 23 zum Einsatz, dessen Volumen nun stark erhöht ist. Sowohl die obere als auch die untere Polfläche des Ankers wird von jeweils einem Polblech 24, 25 bedeckt. Die den Polflächen 33, 34, 35 des Stators 32 zugewandten zylindrischen Aussenflächen des Permanentmagneten 23 besitzen vorzugsweise den gleichen Aussendurchmesser wie die zylindrischen Außenflächen der Polbleche 24, 25. Die Polbleche sind in ihrer Materialstärke zwar schmaler als die Dicke der Polflächen des Stators, entfalten jedoch im Zusammenspiel mit dem Permanentmagneten eine Fokussierung des magnetischen Flusses. Dieser tritt dann mit hoher Stärke im Bereich der Polbleche und mit einem Teil des Flusses auch seitlich im jeweils oberen bzw. unteren Endbereich des Permanentmagneten auf die Polflächen des Stators über. FIG. 5 shows a modification of FIG. 4, the representation being supplemented by the stator and the armature modified. In turn, an axially magnetized permanent magnet is used as armature 23 , the volume of which is now greatly increased. Both the upper and the lower pole face of the armature are covered by a pole plate 24 , 25 . The cylindrical outer surfaces of the permanent magnet 23 facing the pole surfaces 33 , 34 , 35 of the stator 32 preferably have the same outer diameter as the cylindrical outer surfaces of the pole plates 24 , 25 . The material of the pole plates is narrower than the thickness of the pole faces of the stator, but in conjunction with the permanent magnet, they focus the magnetic flux. This then passes over to the pole faces of the stator with high strength in the area of the pole sheets and with part of the flux also laterally in the respective upper and lower end area of the permanent magnet.

Zur Erläuterung einer typischen Einbausituation der erfindungsgemässen Stelleinrichtung ist in Fig. 6 das Ensemble eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit dem aus Fig. 1 übernommenen Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei wurden insoweit die jeweiligen Bezugsziffern beibehalten, als die einzelnen Elemente identisch sind. Die Darstellung ist schematisch für eine Brennkraftmaschine mit zwei Ventilen pro Zylinder aufzufassen, wobei der Einfachheit halber nur ein einzelnes Ventil in senkrecht hängender Anordnung in Zylinderkopfmitte gezeigt wird. Im Prinzip besteht zwischen der Steuerung des Auslassventils kein Unterschied zum Einlassventil. Bei modernen Brennkraftmaschinen wird eine V- förmige Anordnung der Ventile angestrebt sein, wobei auch eine so genannte Vierventil- Technik mit der vorgeschlagenen Stelleinrichtung problemlos realisierbar ist. To explain a typical installation situation of the actuating device according to the invention, FIG. 6 shows the ensemble of a cylinder head of an internal combustion engine with the exemplary embodiment adopted from FIG. 1. The respective reference numbers have been retained to the extent that the individual elements are identical. The illustration is to be understood schematically for an internal combustion engine with two valves per cylinder, for the sake of simplicity only a single valve in a vertically hanging arrangement in the center of the cylinder head is shown. In principle, there is no difference between controlling the exhaust valve and the intake valve. In modern internal combustion engines, a V-shaped arrangement of the valves will be aimed for, and so-called four-valve technology can also be implemented without problems with the proposed adjusting device.

Der in Fig. 6 dargestellte Zylinderkopf 39 besitzt einen Strömungskanal 40 für das anzusaugende Gemisch oder das auszustossende Abgas, welcher im Bereich des eingeschrumpften Sitzrings 6 endet. Das Ventil 1 liegt mit seinem Teller 2 auf, so dass der nicht gezeigte Brennraum gegen den Strömungskanal abgedichtet ist. Im Zylinderkopf sind Strömungswege 41, 42, 43 für den Umlauf des flüssigen Kühlmittels gebildet. Die Führungshülse 5 für das Ventil ist in den Zylinderkopf eingepresst. Ihr Innendurchmesser ist so dimensioniert, dass der Schaft 3 des Ventils darin leichtgängig hin-und-her bewegbar ist. Die erfindungsgemässe Stelleinrichtung ist koaxial zur Ventilachse angeordnet und auf einem geeigneten Sockel 38 montiert. Zum Schutz der Einheit ist eine Abdeckhaube 46 auf den Zylinderkopf aufgesetzt. The cylinder head 39 shown in FIG. 6 has a flow channel 40 for the mixture to be drawn in or the exhaust gas to be expelled, which ends in the region of the shrunk-in seat ring 6 . The valve 1 rests with its plate 2 , so that the combustion chamber, not shown, is sealed off from the flow channel. Flow paths 41 , 42 , 43 for the circulation of the liquid coolant are formed in the cylinder head. The guide sleeve 5 for the valve is pressed into the cylinder head. Its inside diameter is dimensioned such that the stem 3 of the valve can be moved back and forth easily. The actuating device according to the invention is arranged coaxially to the valve axis and mounted on a suitable base 38 . To protect the unit, a cover 46 is placed on the cylinder head.

Das in Fig. 6 gezeigte Beispiel wird in Fig. 7 nochmals aufgegriffen, um die Stelleinrichtung in geöffneter Ventilstellung zu zeigen und die Lage und Auswirkung einer verwendeten Kompensationsfeder zu erläutern. Auf die übernommenen Bauteile unter jeweils zur vorangehenden Figur identischen Bezugsziffern soll hier nicht weiter eingegangen werden. In dem Beispiel ist der Ventilteller 2 in geöffneter Position mit einem Abstand von etwa 7 mm vom Sitzring 6 abgehoben. Zwischen einer auf der Oberkante des Zylinderkopfes 39 befindlichen Lagerfläche und dem geringfügig abgewandelten Ankerträger 31 ist eine Kompensationsfeder 44 eingefügt, deren Federkraft so bemessen ist, dass das Gewicht der mit dem Ventil bewegten Massen geringfügig überkompensiert ist. Dadurch stehen sich im Erregungszustand der unteren Spule 37 die in Wirkverbindung stehenden Polflächen 8, 9 des permanentmagnetischen Ankers mit den Polflächen 34, 35 des Stators 32 nicht genau gegenüber. Sie sind wegen der leicht nach oben verschobenen Position des Ankers so gegeneinander versetzt, dass bei einem Umpolen der Erregerspannung für die untere Spule 37 und der daraus resultierenden abstossend auf den Anker wirkenden Kraft die korrekte Bewegungsrichtung des Ankers nach oben gesichert ist. The example shown in FIG. 6 is taken up again in FIG. 7 in order to show the adjusting device in the open valve position and to explain the position and effect of a compensation spring used. The components adopted with the same reference numerals as in the previous figure will not be discussed further here. In the example, the valve plate 2 is lifted from the seat ring 6 in the open position at a distance of approximately 7 mm. A compensation spring 44 is inserted between a bearing surface located on the upper edge of the cylinder head 39 and the slightly modified anchor carrier 31 , the spring force of which is dimensioned such that the weight of the masses moved by the valve is slightly overcompensated. As a result, when the lower coil 37 is in the excited state, the pole faces 8 , 9 of the permanent-magnet armature that are operatively connected are not exactly opposite to the pole faces 34 , 35 of the stator 32 . Because of the slightly upward shifted position of the armature, they are offset from one another in such a way that if the excitation voltage for the lower coil 37 is reversed and the resulting repulsive force acting on the armature, the correct direction of movement of the armature is ensured.

In der Fig. 8 wird weitgehend auf die vorangehende Fig. 7 zurückgegriffen. Es werden sämtliche gezeigten Gleichteile mit den identischen Bezugsziffern übernommen. Insoweit kann hier auf eine nochmalige Beschreibung verzichtet werden. Das Tellerventil 1 wird nun in der geschlossenen Position gezeigt. Die wesentliche Änderung betrifft die Flachdrahtfeder 45, welche gleichzeitig die Aufgabe einer Kompensationsfeder mit Überkompensation der beteiligten Massen, sowie eines Dämpfungselementes und des Notanschlags übernehmen soll. Aus zeichnerischen Gründen ist die Flachdrahtfeder 45 etwas grob dimensioniert. In der praktischen Ausführung wird ein sehr ausgedünnter Querschnitt ausreichend sein. Damit könnte weiterer Bauraum eingespart, der Sockel 38 niedriger ausgeführt, und die Ventillänge weiter verkürzt werden. Die Flachdrahtfeder hat den Vorteil, dass sich die Windungen bei entsprechender Breite im zusammengedrückten Zustand ohne die Entstehung von Querkräften gut aneinander schmiegen. Sie kann sehr weich ausgelegt werden. Bei einem Betrieb unter Öl arbeiten die sich anschmiegenden Flachseiten als hydraulischer Dämpfer. Die für die vorgesehene Anwendung vorteilhafte geknickte Kennlinie mit quasi schlagartig einsetzender Progressivität ist ohne weiteres durch kleinere Modifikationen erzielbar, z. B. mittels wenigstens einer partiellen Verschränkung mindestens einer Federwindung, insbesondere einer oder beider Endwindungen. In FIG. 8 is widely resorted to the foregoing Fig. 7. All identical parts shown with the same reference numbers are adopted. In this respect, a repeated description can be omitted here. The poppet valve 1 is now shown in the closed position. The essential change relates to the flat wire spring 45 , which is also intended to take on the task of a compensation spring with overcompensation of the masses involved, as well as a damping element and the emergency stop. For drawing reasons, the flat wire spring 45 is dimensioned somewhat roughly. In practice, a very thin cross-section will be sufficient. This could save additional installation space, lower the base 38 , and further shorten the valve length. The flat wire spring has the advantage that the coils, with the corresponding width, nestle well together in the compressed state without the occurrence of transverse forces. It can be designed to be very soft. When operating under oil, the clinging flat sides work as a hydraulic damper. The characteristic curve which is advantageous for the intended application, with progressivity which begins almost suddenly, can easily be achieved by minor modifications, e.g. B. by means of at least a partial entanglement of at least one spring turn, in particular one or both end turns.

Die in Fig. 7 und Fig. 8 vorgeschlagenen Ausführungsbeispiele sind weiter ausbaufähig, indem ein Federsystem auch oberhalb des Ankerträgers integriert wird. Dieses ist dann - abgesehen von der Massenkompensation - für die gleichen Aufgaben zuständig wie zuvor beschrieben. Der mechanische Aufbau erinnert dann stark an die Ausführung z. B. gemäss der Offenlegungsschrift DE-OS 30 24 109 bzw. den vielen anderen Schutzrechtsanmeldungen der entsprechenden Art. Tatsächlich jedoch ist die Arbeitsweise des hier vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der Verkörperung deutlich anders. The suggested in Fig. 7 and Fig. 8 embodiments are further expandable by a spring system is also integrated over the anchor carrier. Apart from mass compensation, this is then responsible for the same tasks as described above. The mechanical structure is strongly reminiscent of the z. B. according to the published patent application DE-OS 30 24 109 or the many other property right applications of the corresponding type. In fact, however, the method of operation of the method proposed here or the embodiment is significantly different.

Dies wird z. B. schon dadurch deutlich, dass das hier vorgeschlagene System konkrete Teilöffnungen des Ventils erlaubt. Diese sind in Gestalt von variabel festlegbaren Ventilhüben realisierbar, wobei eine definierte axiale Position des Ventils anfahrbar ist und über ein Zeitfenster gehalten werden kann. Wie bereits weiter oben erwähnt, ist eine derartige Arbeitsweise mittels einer offenen Ansteuerung bei dem erfindungsgemässen System mit hinreichender Genauigkeit möglich, weil die tatsächlichen Ventilbewegungen bestimmten Gesetzmässigkeiten unterliegen und von den beteiligten Massen und den wirkenden Kräften abhängig sind. Ein derartiger Betrieb wird nach weiterer Erfindung dadurch verfeinert, dass mittels der Integration mindestens eines Sensors und dessen Einbeziehung in die Regelung ein geschlossener Regelkreis geschaffen wird. Dabei hat der Sensor die Aufgabe der direkten oder indirekten Lagekontrolle des Ventils zu übernehmen. Die reale Position des Ventils wird dadurch erreicht, dass der Erregerstrom der Spulen 36, 37 seiner Höhe bzw. Taktung und Polarität nach gemäss dem Sensorsignal mittels eines geschlossenen Regelkreises gezielt geregelt wird, um die vorbestimmte Position des Ventils mit hoher Genauigkeit anzufahren und zu halten. This is e.g. B. already clear that the system proposed here allows concrete partial openings of the valve. These can be implemented in the form of variably definable valve strokes, with a defined axial position of the valve being able to be approached and held over a time window. As already mentioned above, this type of operation is possible with sufficient accuracy by means of an open control in the system according to the invention, because the actual valve movements are subject to certain laws and are dependent on the masses involved and the forces acting. Such an operation is refined according to a further invention in that a closed control loop is created by integrating at least one sensor and including it in the control. The sensor has the task of directly or indirectly checking the position of the valve. The real position of the valve is achieved in that the excitation current of the coils 36 , 37 , in terms of its height or timing and polarity, is specifically controlled according to the sensor signal by means of a closed control loop in order to move to and maintain the predetermined position of the valve with high accuracy.

Die mit der Erfindung vorgeschlagene Stelleinrichtung für translatorische Bewegungen ist für zahlreiche Anwendungen geeignet. Besonders vorteilhaft erscheint die mindestens partielle Einbeziehung eines Permanentmagnen in den Anker. Ein Einsatz für die frei programmierbare Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen verspricht Erfolg. Dazu kann auf verfügbare Werkstoffe zurückgegriffen werden, um die extremen Einsatzbedingungen zu bewältigen, z. B. auf geeignete Eisen-Neodym-Bor- oder Kobalt-Samarium-Legierungen für den Permanentmagneten, Wickeldraht mit Polyimid-Lack für die Spulen, Polyimid-Folien für die Spulenisolierung, oder z. B. ein Polyarylätherketon wie PEEK, PEK, PEKEK usw., bzw. Polybenzimidazol oder Polyimid für den Ankerträger. Vorteilhaft ist ferner die Verwendungsmöglichkeit leichter Ventilwerkstoffe wie z. B. Siliziumnitrid zur Reduzierung der bewegten Massen. Insgesamt wird mit einer derartigen Stelleinrichtung ein dauerhafter, störungsfreier und geräuscharmer Betrieb bei hoher Dynamik und einer völlig freien Programmierbarkeit des Ventilhubs und der Steuerzeiten im Kraftfahrzeug ermöglicht. Dadurch scheinen die Forderungen der Motorenbauer in hohem Masse erfüllt. The adjusting device proposed for the invention for translatory movements is suitable for numerous applications. The least seems particularly advantageous partial inclusion of a permanent magnet in the anchor. A commitment for the free Programmable valve control of internal combustion engines promises success. This can available materials are used to meet the extreme operating conditions to cope with e.g. B. on suitable iron-neodymium-boron or cobalt-samarium alloys for the permanent magnet, winding wire with polyimide varnish for the coils, polyimide foils for coil insulation, or z. B. a polyaryl ether ketone such as PEEK, PEK, PEKEK etc., or Polybenzimidazole or polyimide for the anchor carrier. The is also advantageous Possible use of light valve materials such. B. silicon nitride to reduce the moving masses. Overall, with such an actuating device, a permanent, trouble-free and low-noise operation with high dynamics and a completely free Programmability of the valve lift and the control times in the motor vehicle enables. As a result, the demands of engine manufacturers seem to be met to a large extent.

Claims

1. Electromagnetically operating control device for reciprocatingly movable elements, in particular poppet valves on displacement or internal combustion engines, consisting of an axially movably guided actuator with a magnetizable armature and at least one electromagnet that is operatively connected to the armature, the actuator using the Excitation of the electromagnet can be moved translationally from one position to another and can be held there by means of the electromagnet, characterized in that all the pole faces of the armature, on the one hand, and the electromagnet, on the other hand, which are operatively connected, are arranged coaxially to one another and differ in their radius by the amount of the working air gap Are cylindrical surfaces, both the armature and the electromagnet having at least one such pole surface.

2. Actuating device according to claim 1, characterized in that the anchor is arranged outside and its pole face or pole faces are cylindrical inner surfaces, and the electromagnet or the electromagnets are arranged inside and his or their pole faces are cylindrical outer surfaces.

3. Adjusting device according to claim 1, characterized in that the anchor is arranged on the inside and its pole face or pole faces are cylindrical outer faces, and the electromagnet or the electromagnets are arranged on the outside and his or her their pole faces are cylindrical inner surfaces.

4. Setting device according to claims 1 to 3, characterized in that the Armature consists at least partially of a permanent magnet.

5. Setting device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the armature has two cylindrical pole faces.

6. Actuating device according to claims 1 to 5, characterized in that the armature 7 ( 10 ) has two cylindrical pole faces 8 , 9 ( 11 , 12 ), one of which is magnetized as a north pole and the other as a south pole.

7. Actuating device according to claims 1 to 6, characterized in that the armature 7 ( 10 ) has a U-shaped or C-shaped function in half-section.

8. Actuating device according to claims 1 to 7, characterized in that the cross-sectional area of the armature 10 along the magnetic flux direction is optimized to a constant value at least with regard to the permanent magnetic component.

9. Actuating device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the armature is composed of several parts 13 , 14 , 17 ( 18 , 19 , 20 ) ( 23 , 24 , 25 ).

10. Actuating device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the armature is formed from an axially magnetized permanent magnet 23 and its pole faces at least partially covering pole plates 24 , 25 , the thickness of the pole plates being smaller than the thickness of the pole surfaces 33 , 34 , 35 of the stator 32 .

11. Actuating device according to claim 10, characterized in that the outer diameter of the permanent magnet 23 corresponds to the outer diameter of the pole plates 24 , 25 .

12. Adjusting device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the electromagnet has two cylindrical pole faces.

13. Adjusting device according to one of claims 1 to 12, characterized in that that two electromagnets are used.

14. Actuating device according to claim 13, characterized in that both electromagnets are integrated in a single stator 32 and have three cylindrical pole faces 33 , 34 , 35 .

15. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the excitation of the respective electromagnet takes place via ring coils 36 , 37 .

16. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the circular contour of the stator 32 , which is circular in radial section, is trimmed or flattened on at least one side in order to be able to arrange adjacent actuators at a close distance.

17. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the armature 7 ( 10 ) is fastened on the stem 3 of a poppet valve 1 by means of a suitable carrier 26 .

18. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the actuator works in at least one working direction against a supporting element, preferably a support spring 44 , 45 .

19. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the actuator in both directions against one Support spring works.

20. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the support spring has an extremely progressive spring characteristic has.

21. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the spring characteristic in the expanded area of the support spring flat and steep in the compressed area and both areas more or less merged into one another.

22. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the support spring 45 has a flat cross section of the wire profile.

23. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least one turn of the support spring at least partially is entangled.

24. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the fully open end position of a driven Valve using appropriate components (e.g. stop face or spring) the pole faces of the Armature against the pole faces of the electromagnet in the axial direction against each other are offset from a distance which, when the armature repels excitation of the Electromagnet ensures the desired direction of movement of the actuator.

25. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the closed position of a driven valve the pole faces of the armature against the pole faces of the electromagnet in the axial direction are offset from each other by a distance which has a sufficient closing force of the valve against a sealing seat.

26. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least in the area of an end position of the actuator Attenuator is integrated.

27. Actuating device according to claim 26, characterized in that the Attenuator comprises a cavity which is at least partially filled with a fluid or gas, and a body immersed in this cavity, either the cavity or the Body is assigned to the actuator, and when immersing the body in the cavity Fluid or gas is compressed or at least partially displaced.

28. Actuating device according to one or more of the preceding claims, characterized in that means for detecting the anchor position with the Control electronics and the excitation coils of the control device in a closed control loop are connected.

29. Actuating device according to claim 28, characterized in that the means for Detection of the armature position are the excitation coils of the control device.

30. Actuating device according to claim 28, characterized in that a Device or a sensor for determining the anchor position is integrated.

31. Use of an actuating device according to one or more of the aforementioned Claims for the gas exchange control of an internal combustion engine.

32. Method for controlling an actuating device designed according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electrical control of the single or more coils in the form of a program is processed along a time axis in order to achieve a desired movement sequence or movement behavior, the program is selected from the following operating states with jumping to sliding transitions:
underexcitation
normal excitation
overexcitation
Polarity A
Polarity B
continuous excitation
impulse excitation
Separate arousal
Common excitement
Short circuit or output load.

33. Method for operating one according to one or more of the aforementioned Claims designed actuator, characterized in that in selected temporal moments a generator circuit is used, preferably for Recovery of electrical energy.