DE10142670C1

DE10142670C1 - Elektromechanischer Aktuator für Ventiltrieb

Info

Publication number: DE10142670C1
Application number: DE10142670A
Authority: DE
Inventors: Yan Lu
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2021-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator für ein Ventiltrieb zur Betätigung eines Gaswechselventils, bei dem der Abstand zwischen dem Anker und den Polen der Magneten in der Gleichgewichtslage größer oder gleich dem halben Hubweg ist, der Anker einen zwischen Weichmagneten angeordneten Permanentmagneten aufweist und der Rückschluss auf halber Höhe zwischen den Polen der Magnete einen sich senkrecht zur Ventilschaftachse in Richtung des Ankers erstreckenden Zahn aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator für Ventiltrieb bzw. zum Betätigen eines Gaswechselventils nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei Brennkraftmaschinen kann der Wirkungsgrad und das Emissionsverhalten von Schadstoffen durch eine variable Steuerung der Gaswechselventile verbessert werden. Dazu werden elektromagnetische Aktuatoren verwendet, die üblicherweise einen Elektromagneten als Öffnungsmagneten und einen Elektromagneten als Schließmagneten aufweisen. Am Ventilschaft des Gaswechselventils ist ein Anker vorgesehen, der sich zwischen den Polflächen der beiden Schaltmagnete befindet. Eine Ansteuerung der Elektromagnete bewegt den Anker in Achsrichtung des Ventilschaftes entweder in Richtung des Öffnungsmagneten oder in Richtung des Schließmagneten. Ferner sind zwei Federn vorgesehen, die bei stromlosen Magneten den Ventilschaft bzw. den Anker in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten halten. Diese Gleichgewichtslage ist in der Regel die Mittellage zwischen den Polflächen der Elektromagnete.

Beim Betrieb des Ventils wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet angesteuert, wodurch der Anker und damit der Ventilschaft/das Ventil in die entsprechende Richtung angezogen bzw. bewegt wird. Die Bewegung endet, sobald der Anker die Polfläche erreicht hat und auf dieser aufschlägt bzw. aufprallt. Dieses Problem des Aufpralls des Ankers auf der Polfläche und auch des Ventils auf dem Zylinderkopf wird als sog. "Softlanding"-Problem bezeichnet. Damit verbunden ist der Nachteil, dass der Aufprall des Ankers auf der Polfläche bzw. des Ventils auf dem Zylinderkopf einerseits zur Verringerung der Lebensdauer des Aktuators und andererseits zu einer starken Geräuschentwicklung führt.

Ein "Softlanding" des Ankers bzw. des Ventils ist beispielsweise dadurch erreichbar, dass der Spulstrom der elektromagnetischen Aktuatoren abhängig vom Hubweg geregelt wird. Dies ist allerdings mit einem hohem regelungstechnischen Aufwand und somit nicht vertretbaren hohen Kosten verbunden. Ferner ist das damit erreichte "Softlanding" - regelungstechnisch betrachtet - instabil. Bei einer Störung kann es zu einer "Unterregelung" oder "Überregelung" kommen. Eine "Überregelung" hat einen Aufprall des Ankers auf der Polfläche zur Folge, während die "Unterregelung" dazu führt, dass das Ventil die Geschlossen- bzw. Offen-Position nicht erreichen kann.

Die DE 196 51 846 A1 zeigt einen Aktuator mit einem Anker, der nicht an die Polflächen der Magnete anstößt, jedoch benötigt dieser Aktuator relativ viel Energie.

In der WO 99/19609 A1 wird ein elektromechanischer Aktuator vorgeschlagen, bei dem der Ventilschaft mit einer koaxial zu diesem angeordneten Tauchspule verbunden ist, die in einen radial magnetisierten Luftspalt eines ringförmigen, axial magnetisierten Permanentmagneten eintaucht. Dieser Tauchspulenantrieb ist jedoch ebenfalls mit einem erhöhten Regelungsaufwand verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Aktuator bereitzustellen, der die sich im Stand der Technik ergebenden Probleme hinsichtlich des "Softlandings" löst. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung gemäß Patentanspruch 1 besteht aus drei Teilaspekten. Zunächst ist erfindungsgemäß der Abstand zwischen dem Anker und den Polen der Elektromagnete in der Gleichgewichtslage größer als der halbe Hubweg des Ventils. Ferner weist der Anker einen zwischen zwei Weichmagneten angeordneten Permanentmagneten auf. Letztendlich weist der Rückschluss der Elektromagnete auf halber Höhe zwischen den Polen der Magnete einen sich senkrecht zur Ventilschaftachse in Richtung des Ankers erstreckenden Zahn auf. Dabei zeigt die GB 21 04 730 A bereits einen Aktuator mit einem Zahn bzw. ähnlich gestaltetem Joch, ohne jedoch hierauf näher einzugehen.

Wenn entweder der Öffnungsmagnet oder der Schließmagnet mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, dann koppelt das elektromagnetische Feld des Elektromagneten mit dem permanentmagnetischen Feld des Ankers mit. Dabei entsteht eine magnetische Kraft, die auf den Anker wirkt und diesen bewegt. Dabei bildet sich der Hauptmagnetkreis vom Pol des Elektromagneten über den Luftspalt zwischen Elektromagnet und Anker, den Anker, den Zahn und den Rückschluss wieder zurück zum Pol aus. Der erfindungsgemäße Zahn schnürt dabei das aus dem Anker heraustretende magnetische Feld ein und verhindert dadurch, dass das magnetische Feld zum unteren Pol, d. h. zum Pol des gegenüberliegenden Elektromagneten streut. Dadurch tritt keine Schwächung der magnetischen Kraftwirkung auf. Der Zahn dient also dazu, das magnetische Feld in den gewünschten Weg einzulenken und dadurch die magnetische Kraftwirkung zu verstärken. Wenn sich der Anker in seiner Bewegung an die Geschlossen-Position annähert, befindet sich der untere Weichmagnet des Ankers etwa in der Höhenlage des Zahnes. In dieser Lage wird zwar der Zahn magnetisch gesättigt und seine Einlenkungsfunktion wird geschwächt, so dass ein Teil des aus dem unteren Weichmagneten austretenden magnetischen Feldes nun doch zum Pol des entgegengesetzten Elektromagneten und zum unteren Teil des Rückschlusses streuen kann. Die damit verbundene Schwächung des Hauptmagnetkreises und der magnetischen Kraftwirkung ist aufgrund der dann bereits vorhandenen Nähe des Ankers zum Pol aber von Vorteil, da dadurch auch der Aufprall auf dem Pol abgeschwächt wird.

Die Geräuschentwicklung und der Verschleiß des Ankers wird ferner durch den erfindungsgemäß bereitgestellten Abstand zwischen Anker und Polfläche wesentlich verringert bzw. unterbunden.

Die beiden Weichmagneten des Ankers sind vorzugsweise viel dünner als der dazwischen angeordnete Permanentmagnet. Dies führt dazu, dass die Weichmagneten, unabhängig davon, ob der Spulenstrom der Elektromagnete ein- oder ausgeschaltet ist, bereits durch den Permanentmagneten magnetisiert und in tiefe Sättigung gebracht werden können. Eine Tiefsättigung des Weichmagneten ruft aufgrund der Proportionalität zu B² (magnetischer Fluss) eine größere Kraft auf den Anker hervor. Da die Weichmagneten bereits durch den Permanentmagneten in Sättigung gebracht sind, ist im Vergleich zu herkömmlichen elektromechanischen Aktuatoren ein geringerer Spulenstrom ausreichend.

Im Gegensatz zu herkömmlichen elektromechanischen Aktuatoren, bei denen zum Erreichen eines "Softlanding" der Strom abhängig vom Hubweg geregelt werden muß, wird erfindungsgemäß ein konstanter Spulenstrom verwendet. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil dar, da dadurch der hohe Regelungsaufwand bezüglich Sensorik und Elektronik entfällt. Die magnetische Kraft des Aktuators ist über den Hubweg in erster Näherung linear. Eine lineare Kraft wird besonders im Bereich der Geschlossen- und Offen-Position des Ventils erreicht. Durch die erfindungsgemäßen Merkmale überlagert sich die Federkraft mit der von den Elektromagneten erzeugten magnetischen Kraft derart, dass die sich ergebende positive Gesamtkraft quasi linear verläuft und dabei das Ventil in die Offen- bzw. Geschlossen-Position zwingt. Der Verlauf der Gesamtkraft ist dabei derart, dass die Gesamtkraft in der Offen- bzw. Geschlossen-Position ihren Nullpunkt erreicht und im weiteren Verlauf negativ wird. Dieser Kraftverlauf gewährleistet, dass das Ventil in der jeweiligen Endposition stabil stehen bleibt, da bei Überschreiten der Endposition eine Gegenkraft wirken würde. Regelungstechnisch betrachtet erweist sich jede Endposition des Ventils als stabiler Punkt, da jegliche Abweichung des Ankers von der Endposition immer eine Gegenkraft in entgegengesetzter Richtung hervorrufen würde, so dass der Anker in die Endposition zurückgetrieben würde. Dadurch wird verhindert, dass der Anker auf die Polfläche aufprallt. Das Ventil trifft zwar auf den Zylinderkopf auf, da jedoch die Gesamtkraft auf den Anker in dieser Position Null ist, geschieht dies mit einer sehr geringen Kraft und die Geräuschentwicklung und der Verschleiß ist im Vergleich zu herkömmlichen Aktuatoren wesentlich verringert.

Sobald das Ventil von der einen Endposition in die andere Endposition bewegt werden soll, wird der eine Elektromagnet aus- und der andere Elektromagnet eingeschaltet. Dies ergibt einen umgekehrten Gesamtkraftverlauf und das Ventil wird zur anderen Endposition bewegt.

Zum Halten des Ventils in der Geschlossen-Position bzw. in der Offen-Position wird diejenige Spule, die zur Bewegung des Ventils bereits eingeschaltet ist, weiterhin mit dem gleichen Strom versorgt.

Somit kann mit dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuator ein "Softlanding" in der Geschlossen- bzw. Offen-Position des Ventils erreicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung findet kein Aufprall des Ankers auf der Polfläche statt, da der geometrische Abstand zwischen Pol und Anker größer ist als die Hälfte des Hubweges, und die sich aus magnetischer Kraft und mechanischer Federkraft ergebende Gesamtkraft zwingt den Anker und somit auch das Ventil in eine der beiden Endpositionen. Diese sind, wie bereits erläutert, stabile Punkte und jede Abweichung des Ankers von der Endposition verursacht eine Gegenkraft, die den Anker wiederum in die Endposition zwingt.

Da der Ansteuerstrom zum Öffnen, Halten und Schließen des Ventils bei dem erfindungsgemäßen Aktuator konstant ist, kann der hohe regelungstechnische Aufwand des Ansteuerstroms über die Ankerposition und ein teurer Wegsensor entfallen.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuator;

Fig. 2 den Verlauf der magnetischen Kraft, der Federkraft und der Gesamtkraft in einem Schließvorgang; und

Fig. 3 das Öffnen, Halten und Schließen des Ventils und die zugehörigen Ansteuerströme der Elektromagnete.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte elektromechanische Aktuator weist einen an einem Ventilschaft 1 ₀ angeordneten Anker auf. Der Anker weist einen zwischen zwei Weichmagneten 2 angeordneten Permanentmagneten 1 auf. Die drei Magneten sind beispielsweise miteinander verklebt. Auf den in axialer Richtung gesehenen beiden Seiten des Aktuators befinden sich Elektromagnete, nämlich der Öffnungsmagnet 4 und der Schließmagnet 3. Zum Führen des magnetischen Feldes sind jeweils Pole 6 und ein Rückschluss 7 vorgesehen. Ferner weist der elektromechanische Aktuator zwei Ventilfedern 8 und 9 auf, die den Aktuator im stromlosen Zustand der Elektromagneten in einer Gleichgewichtslage halten. Die mechanische Federkraft ist also in der Mitte des Hubs gleich null, d. h. die Mitte des Hubweges ist die neutrale Lage, die in Fig. 1 als Ursprung 0 definiert ist. Der Einfachhalt halber ist die mechanische Einrichtung zur Einspannung der beiden Federn 8 und 9 in Fig. 1 nicht gezeigt.

Der Anker wird mit dem Ventilstößel 1 ₀ und dem Ventilteller 1 ₁ mechanisch fest verbunden.

Ferner zeigt Fig. 1 einen Zahn 5, der sich vom Rückschluss 7 aus in Richtung des Ankers erstreckt. Die Dicke des Zahnes wird vorzugsweise zum Ende des Zahnes hin, d. h. in Richtung des Ankers, geringer. Vorzugsweise ist der Zahn trapezförmig, halbrund oder in Form eines Rechteckes mit gerundeten Ecken ausgebildet. Der Zahn ist entweder als umlaufende Rippe oder aber in der Form mehrerer einzelner in Umfangsrichtung angeordneter Zähne ausgebildet.

Der Abstand zwischen den Polen 6 und die gesamte Höhe des Ankers sind derart, dass der Abstand zwischen dem Pol und der Oberfläche des Ankers in der Gleichgewichtslage größer ist als die Hälfte des Hubweges (1/2 Δx in Fig. 1). Ferner ist die Höhe des Permanentmagneten 1 des Ankers größer als die Dicke des Zahnes in Hubrichtung, wodurch die lineare magnetische Kraft insbesondere im Bereich der Geschlossen- und Offen-Position erreicht wird. Der Querschnitt des Zahnes wird erfindungsgemäß entsprechend klein gehalten. Bei einer sich in Richtung Aktuator verringernden Dicke bzw. Höhe des Zahnes (beispielsweise durch die in Fig. 1 angedeuteten gerundeten Rechteckkanten) wird die Linearität der magnetischen Kraft und auch deren Größe im Bereich der Geschlossen- und Offen-Position im Vergleich zu einer konstanten Höhe des Zahnes verfeinert.

Die beiden Weichmagneten 2 des Ankers sind wesentlich dünner als der Permanentmagnet 1. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Permanentmagneten 5 bis 7 mm, mehr bevorzugt 6 mm, und die Dicke jedes Weichmagneten 2 bis 3 mm, mehr bevorzugt 2,5 mm.

Wenn die Spule des in Fig. 1 gezeigten Schließmagneten 3 mit einem Strom in der in Fig. 1 gekennzeichneten Richtung beaufschlagt wird, koppelt das elektromagnetische Feld mit dem permanentmagnetischen Feld des Ankers mit. Wie in Fig. 1 gezeigt, bildet sich der magnetische Kreis von dem oberen Pol 6 aus über den Luftspalt zwischen Pol und Anker hin zum Anker, von dort über den Weichmagneten 2, den Permanentmagneten 1, den weiteren Permanentmagneten 2 über den Zahn 5, den Rückschluss 7 wieder zurück zum Pol 6. Der Zahn 5 schnürt dabei das magnetische Feld, das den unteren Weichmagneten 2 verlässt, ein und verhindert dadurch, dass das magnetische Feld an der Austrittsstelle aus dem unteren Weichmagneten 2 hin zum unteren Pol 6 streut. Durch die Bereitstellung des Zahnes 5 ist die Kraftwirkung wesentlich größer als bei einem elektromagnetischen Aktuator ohne Zahn. Wenn sich der Anker der Geschlossen-Position des Ventils annähert, befindet sich der untere Weichmagnet 2 etwa auf Höhe des Zahnes 5. Wegen des kleinen Querschnittes des Zahnes 5 wird dieser gesättigt und die Einlenkungsfunktion geht, wie beschrieben, teilweise verloren. Ein Teil des aus dem unteren Weichmagneten 2 austretenden magnetischen Feldes streut nun nach unten zum unteren Pol 6 und teilweise auch zum unteren Bereich des Rückschlusses 7. Die damit verbundene Schwächung des Hauptmagnetkreises ist in dieser Position des Ventils und des Ankers jedoch, wie beschrieben, gerade erwünscht und von Vorteil.

Fig. 2 zeigt die auf den Aktuator wirkende magnetische Kraft, die Federkraft und die sich ergebende Gesamtkraft in einem Schließvorgang. Der jeweilige Ansteuerstrom für die Elektromagneten ist ebenfalls dargestellt (Strom I₃) für den Elektromagneten 3 und Strom I₄ (für den Elektromagneten 4). Im Schließvorgang ist der Elektromagnet 3 aktiviert, während Elektromagnet 4 über den gesamten Schließvorgang ausgeschaltet bleibt. In der ersten Hälfte des Hubweges, d. h. von -1/2 Δx bis 0 ist die Federkraft gegenüber der magnetischen Kraft dominierend und die magnetische Kraft kann erst in der Nähe des Nulldurchganges und in der zweiten Hälfte des Hubes, d. h. von etwa 0 bis +1/2 Δx die Federkraft übertreffen, die im Nulldurchgang des Hubweges negativ wird. Wie Fig. 1 zeigt, ist die magnetische Kraft im ersten Viertel des Hubweges negativ. Der Grund dafür ist, dass die Anziehungskraft zwischen dem Permanentmagneten 1 und dem unteren Pol 6 nach unten wirkt und in diesem Bereich noch größer ist als die Kraft, die das magnetische Feld, ausgehend vom oberen Pol 6 und der Spule 3 auf den Anker ausübt.

Die sich ergebende positive Gesamtkraft treibt das Ventil auf die Geschlossen-Position zu. Am Ende des Hubweges (1/2 Δx) geht die sich ergebende positive Gesamtkraft über Null ins Negative über. Dieser Gesamtkraftverlauf gewährleistet, dass das Ventil in der Geschlossen-Position stehen bleibt und sich nicht mehr weiter bewegen will, da dies durch die sich ergebende negative Gegenkraft verhindert wird. Somit ist die Geschlossen-Position ein stabiler Betriebspunkt.

Zum Öffnen des Ventils wird die Spule 3 ausgeschaltet und die Spule 4 aktiviert. Dadurch ergibt sich ein umgekehrter Kraftverlauf.

Zum Halten des Ventils in der Geschlossen-Position bzw. in der Offen-Position bleibt diejenige Spule, die zur Bewegung des Ventils bereits eingeschaltet ist, weiterhin eingeschaltet, und zwar mit demselben Strom wie zur Bewegung des Ventils. Fig. 3 zeigt das Öffnen, das Halten und das Schließen des Ventils sowie die zugehörigen Ansteuerströme der Spulen 3 (I₃) und 4 (I₄) über die Zeit. Zum Öffnen des Ventils wird die Spule 4 eingeschaltet. Zum Haften des Ventils in der Offen-Position bleibt weiterhin die Spule 4 mit demselben konstanten Strom eingeschaltet. Während dieser Zeit ist die Spule 3 ausgeschaltet. Zum Schließen des Ventils wird nun die Spule 3 eingeschaltet und gleichzeitig die Spule 4 deaktiviert. Zum Halten des Ventils in der Geschlossen- Position bleibt die Spule entsprechend eingeschaltet, bis der nächste Öffnungsvorgang erfolgen soll.

Die Verwendung dieses ungeregelten konstanten Stromes zum Öffnen, Schließen und Halten des Ventils erlaubt einen wesentlich geringeren Regelungsaufwand in der Sensorik und in der Ansteuerelektronik (beispielsweise ist kein teurer Induktivwegsensor erforderlich). Somit ist der erfindungsgemäße elektromechanische Aktuator wesentlich kostengünstiger als herkömmliche Aktuatoren.

Claims

1. Elektromechanischer Aktuator für Ventiltrieb mit
einem Öffnungsmagneten (4) und einem Schließmagneten (3);
einem verschiebbaren Ventilschaft (10) mit einem Anker (1, 2), auf dem die Magneten (3, 4) wirken; und
einer oberen und einer unteren Ventilfeder (8, 9), die den Ventilschaft (10) mit Anker im stromlosen Zustand der Magnete (3, 4) in einer Gleichgewichtslage halten,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand zwischen Anker (1, 2) und den Polen (6) der Magneten (3, 4) in der Gleichgewichtslage größer als der halbe Hubweg des Ventils ist;
der Anker einen zwischen zwei Weichmagneten (2) angeordneten Permanentmagneten (1) aufweist; und
der Rückschluss (7) auf halber Höhe zwischen den Polen (6) der Magnete (3, 4) einen sich senkrecht zur Ventilschaftachse in Richtung des Ankers erstreckenden Zahn (5) aufweist.

2. Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Zahn (5) umlaufend ist.

3. Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Zahn (5) in Umfangsrichtung mindestens eine Unterbrechung aufweist, so dass mehrere Teilzähne ausgebildet werden.

4. Aktuator nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Dicke des Zahnes (5) zu dem dem Anker zugewendeten Ende hin abnimmt.

5. Aktuator nach Anspruch 4, wobei der Zahn im wesentlichen trapezförmig, halbrund oder in Form eines Rechteckes mit abgerundeten Ecken ist.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Höhe des Ankers größer ist als die Höhe des Zahnes (5).

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Permanentmagnet (1) eine wesentlich größere Dicke aufweist als die Weichmagneten (2).

8. Aktuator nach Anspruch 7, wobei die Dicke des Permanentmagneten etwa 5 bis 7 mm beträgt.

9. Aktuator nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Dicke eines jeden Weichmagneten (2) etwa 2 bis 3 mm beträgt.

10. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Weichmagneten (2) mit dem Permanentmagneten (1) verklebt sind.

11. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Verläufe der Federkraft und der magnetischen Kraft derart sind, dass die sich ergebende Gesamtkraft in den jeweiligen Endstellungen des Ventils null ist.

12. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die auf den Anker wirkende Gesamtkraft im wesentlichen linear verläuft.