Title:
Elektromagnetische Stellvorrichtung mit D-förmiger Spule für 2-Pin-Aktor
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung beschreibt eine Stellvorrichtung mit einer ersten Stelleinheit, sowie einer benachbart zur ersten Stelleinheit angeordneten zweiten Stelleinheit. Die Stelleinheiten weisen jeweils langgestreckte rohrförmig ausgebildete Spulenkörper auf, Aktorspulen, die um die Spulenkörper gewickelt sind, elektromagnetisch betätigbare Aktoren, die in den Spulenkörpern geführt und relativ zu den Aktorspulen beweglich sind und die Spulenkörper sind D-förmig ausgebildet und weisen mit ihren abgeflachten Seiten zueinander.





Inventors:
Suzuki, Tsuneo (78087, Mönchweiler, DE)
Tischtschenko, Michael (78647, Trossingen, DE)
Lech, Aleksandra (78054, Villingen-Schwenningen, DE)
Application Number:
DE102016107661A
Publication Date:
10/26/2017
Filing Date:
04/25/2016
Assignee:
Kendrion (Villingen) GmbH, 78048 (DE)
International Classes:
H01F7/08; F01L1/04; H01F7/16
Domestic Patent References:
DE102014205101A1N/A2015-09-24
DE102013206311A1N/A2013-11-14
DE102010005071A1N/A2011-07-21
DE102009001586A1N/A2010-09-23
DE10240774A1N/A2003-04-10
Attorney, Agent or Firm:
Westphal, Mussgnug & Partner Patentanwälte mit beschränkter Berufshaftung, 78048, Villingen-Schwenningen, DE
Claims:
1. Stellvorrichtung (1), aufweisend
eine erste Stelleinheit (2a)
– mit einem ersten, langgestreckten, rohrförmig ausgebildeten Spulenkörper (4a),
– einer ersten Aktorspule (6a), die um den ersten Spulenkörper (4a) gewickelt ist,
– einen mit der ersten Aktorspule (6a) elektromagnetisch betätigbaren ersten Aktor (8a), der in dem ersten Spulenkörper (4a) geführt und relativ zu der ersten Aktorspule (6a) beweglich ist,
sowie eine benachbart zur ersten Stelleinheit (2a) angeordnete zweite Stelleinheit (2b)
– mit einem zweiten, langgestreckten, rohrförmig ausgebildeten Spulenkörper (4b),
– einer zweiten Aktorspule (6b), die um den zweiten Spulenkörper (4b) gewickelt ist,
– einen mit der zweiten Aktorspule (6b) elektromagnetisch betätigbaren zweiten Aktor (8b), der in dem zweiten Spulenkörper (4b) geführt und relativ zu der zweiten Aktorspule (6b) beweglich ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Spulenkörper (4a) entlang wenigstens eines Abschnitts seiner Längsachse eine im Querschnitt senkrecht zu seiner Längsachse äußere, geschlossene Umfangslinie (10) mit einen kreisbogenförmigen Streckenabschnitt (12) und einen als Kreissehne ausgebildeten geraden Streckenabschnitt (14) aufweist.

2. Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des ersten Spulenkörpers (4a) und die Längsachse des zweiten Spulenkörpers (4b) parallel zueinander ausgerichtet sind.

3. Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spulenkörper (4b) entlang wenigstens eines Abschnitts seiner Längsachse eine im Querschnitt senkrecht zu seiner Längsachse äußere, geschlossene Umfangslinie (10) mit einem kreisbogenförmigen Streckenabschnitt (14) und einem als Kreissehne ausgebildeten geraden Streckenabschnitt (14) aufweist.

4. Stellvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisbogen des kreisbogenförmigen Streckenabschnitts (12) einen Mittelpunktwinkel von wenigstens 120 Grad, vorzugsweise von zwischen 180 Grad und 300 Grad aufweist.

5. Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stelleinheiten (2a, 2b) so relativ zueinander angeordnet sind, dass ihre als Kreissehnen ausgebildeten geraden Streckenabschnitte (14) zueinander weisen.

6. Stellvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aktorspule (6a) auf der ersten Stelleinheit (2a) und die zweite Aktorspule (6b) auf der zweiten Stelleinheit (2b) versetzt zueinander angeordnet sind.

7. Stellvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aktorspule (6a) und die zweite Aktorspule (6b) in gleichem Windungssinn gewickelt sind.

8. Stellvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aktorspule (6a) und die zweite Aktorspule (6b) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

9. Stellvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (8a, 8b) entlang wenigstens eines Abschnitts ihrer jeweiligen Längsachsen im Querschnitt senkrecht zu ihren Längsachsen äußere, geschlossene Umfangslinien (10) mit jeweils einem kreisbogenförmigen Streckenabschnitt (12) und einen als Kreissehne ausgebildeten geraden Streckenabschnitt (14) aufweisen, wobei die als Kreissehnen ausgebildeten Streckenabschnitte (14) vorzugsweise zueinander weisend ausgerichtet sind.

10. Stellvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stelleinheiten (2a, 2b) selektiv ansteuerbar sind, wobei ihre Aktoren (8a, 8b) im Wesentlichen achsparallel zueinander ausgerichtet sind.

11. Nockenwellenstellvorrichtung, aufweisend wenigstens eine Stellvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung, insbesondere eine Nockenwellenstellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stellvorrichtungen mit elektromagnetisch betätigbaren Aktoreinheiten, welche Stellelemente mit endseitigen Eingriffsflächen zum axialen Verstellen der Eingriffsfläche in eine erste Richtung, sowie Rückstelleinheiten zum Rückstellen der Eingriffsfläche in eine zu dieser ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung aufweisen, sind beispielsweise aus der DE 102 40 774 A1 bekannt und werden für unterschiedliche Einsatzzwecke benutzt, beipielsweise als Nockenwellenstellvorrichtungen bei Kraftfahrzeugen. Das Grundprinzip dieser bekannten Stellvorrichtungen besteht darin, dass ein Kolben als Stellelement, welches endseitig einen Eingriffsbereich für die vorgesehene Stellaufgabe aufweist, in einem Gehäuse geführt und mittels einer im Gehäuse vorgesehenen elektromagnetisch betätigbaren Aktoreinheit gegen die Kraft einer Rückstellfeder aus dem Gehäuse heraus bewegt werden kann.

Bekannt sind Ventilhubabstimmvorrichtungen, die eine Position eines Gleitstücks, das zusammen mit einer Nockenwelle rotiert und sich axial bezüglich der Nockenwelle bewegt, wechseln kann. Ventilhubabstimmvorrichtungen stimmen Hubbeträge von Einlassventilen und Auslassventilen eines Verbrennungsmotors aufeinander ab. So kann beispielsweise bei Fahrzeugen zwischen einer sportlichen und einer kraftstoffsparenden Fahrweise durch Umschalten eines Schalters gewechselt werden.

Um die Position des Gleitstücks zu wechseln, wird ein elektromagnetischer Aktor verwendet. Dieser Aktor bewegt alternativ einen von zwei Steuerstiften in Übereinstimmung mit einer Bewegungsrichtung des Gleitstücks, sodass eine Spitze des Steuerstifts in Eingriff mit einer im Gleitstück gebildeten Eingriffsnut gebracht wird. Einen elektromagnetischen Aktor mit zwei Steuerstiften offenbart z.B. die DE 10 2009 015 86 A1. An jeweils einem Basisende jedes Steuerstifts ist ein Permanentmagnet vorgesehen. Die Polarität der Permanentmagneten ist in einer Bewegungsrichtung der Steuerstifte entgegengesetzt zueinander. Wenn eine Spule erregt wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen, werden eine abstoßende Kraft in einem der Permanentmagneten und eine Anziehungskraft im anderen Permanentmagneten erzeugt. Dadurch wird der Steuerstift mit dem Permanentmagneten, der die abstoßende Kraft erzeugt, bewegt. Wenn die Erregungsrichtung der Spule geändert wird, nimmt eine Magnetflussrichtung des Magnetfeldes eine entgegengesetzte Richtung an, sodass der andere Steuerstift bewegt wird.

Um die abstoßende Kraft ausreichend groß zu erzeugen, um eine Ansprechgeschwindigkeit der Steuerstifte zu verbessern, müssen die Spule und der Permanentmagnet jeweils vergrößert werden. Ferner wird, da sich der Permanentmagnet zusammen mit den Steuerstiften bewegt, dann, wenn der Permanentmagnet vergrößert wird, das Gewicht eines sich bewegenden Elements erhöht und die Spule muss eine größere elektromagnetische Kraft erzeugen.

Die DE 10 2013 206 311 A1 offenbart eine Erfindung, bei welcher ein elektromagnetischer Aktor bereitgestellt wird, der eine Ansprechgeschwindigkeit eines Steuerstifts verbessern kann. Dazu wird ein elektromagnetischer Aktor auf eine Ventilhubabstimmvorrichtung angewandt, die einen Hubbetrag eines Einlassventils oder einen Auslassventils eines Verbrennungsmotors abstimmt. Zwei benachbart zueinander angeordnete Steuerstifte werden dabei von einer einzelnen Spule bestromt, die um beide Steuerstifte herum geführt ist. Zwei Permanentmagnete jeweils an einem Basisende des Steuerstifts sorgen dafür, dass, wenn die Spule bestromt ist, je nach Polarität der Bestromung, entweder der eine Steuerstift, oder der andere Steuerstift nach unten in Richtung auf die Nockenwelle bewegt wird. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass in dem elektromagnetischen Aktor dicke und massive Permanentmagnete vorgesehen sein müssen, um eine ausreichende Ansprechgeschwindigkeit der Steuerstifte zu erhalten. Die Erregerspule muss darüber hinaus dick und massiv ausgebildet sein, was die Masse des elektromagnetischen Aktors zusätzlich erhöht. Will man andererseits mit masseärmeren elektromagnetischen Aktoren arbeiten, muss jeder Steuerstift mit einer eigenen Erregerspule versehen werden, wodurch sich die Beabstandung der beiden Steuerstifte zueinander nicht unwesentlich erhöht. Dies wiederum erfordert eine breitere Ventilhubabstimmvorrichtung.

Bei diesem Problem setzt die vorliegende Erfindung an.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Aktor bereitzustellen, dessen Ansprechgeschwindigkeit sehr hoch ist, und der zwei Steuerstifte aufweist, die eine möglichst geringe Beabstandung zueinander aufweisen sollen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Stellvorrichtung nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Dies erfolgt durch eine Stellvorrichtung mit einer ersten Stelleinheit, sowie einer benachbart zur ersten Stelleinheit angeordneten zweiten Stelleinheit. Die Stelleinheiten weisen jeweils langgestreckte rohrförmig ausgebildete Spulenkörper auf, Aktorspulen, die um die Spulenkörper gewickelt sind, sowie elektromagnetisch betätigbare Aktoren, die in den Spulenkörpern geführt und relativ zu den Aktorspulen beweglich sind. Die Spulenkörper sind D-förmig ausgebildet und weisen mit ihren abgeflachten Seiten zueinander.

Im Einzelnen weist die erfindungsgemäße Stellvorrichtung eine erste Stelleinheit auf, mit einem ersten, langgestreckten, rohrförmig ausgebildeten Spulenkörper, einer ersten Aktorspule, die um den ersten Spulenkörper herum gewickelt ist, sowie einen mit der ersten Aktorspule elektromagnetisch betätigbaren ersten Aktor, der in dem ersten Spulenkörper geführt und relativ zu der ersten Aktorspule beweglich ist. Die Stellvorrichtung weist weiterhin eine benachbart zur ersten Stelleinheit angeordnete zweite Stelleinheit auf, mit einem zweiten, langgestreckten, rohrförmig ausgebildeten Spulenkörper, einer zweiten Aktorspule, die um die zweiten Spulenkörper gewickelt ist, sowie einen mit der zweiten Aktorspule elektromagnetisch betätigbaren zweiten Aktor, der in dem zweiten Spulenkörper geführt und relativ zu der zweiten Aktorspule beweglich ist. Erfindungsgemäß weist der erste Spulenkörper entlang wenigstens eines Abschnitts seiner Längsachse eine im Querschnitt senkrecht zu seiner Längsachse äußere, geschlossene Umfangslinie mit einem kreisbogenförmigen Streckenabschnitt und einem als Kreissehne ausgebildeten geraden Streckenabschnitt auf. Der erste Spulenkörper hat somit einen D-förmigen Aufbau. Bereits durch diese Maßnahme kann eine Verringerung der Beabstandung zwischen erstem Aktor und zweitem Aktor, also eine Verringerung der Beabstandung der beiden Steuerstifte voneinander erreicht werden.

Die Längsachse des ersten Spulenkörpers und die Längsachse des zweiten Spulenkörpers, bzw. die Achsen der Bewegungsrichtungen der beiden Aktoren sind vorteilhafterweise parallel zueinander ausgerichtet.

Die Beabstandung der beiden Aktoren zueinander kann weiterhin dadurch reduziert werden, dass auch der zweite Spulenkörper entlang wenigstens eines Abschnitts seiner Längsachse eine im Querschnitt senkrecht zu seiner Längsachse äußere, geschlossene Umfangslinie mit einem kreisbogenförmigen Streckenabschnitt und einem als Kreissehne ausgebildeten geraden Streckenabschnitt aufweist, wobei die beiden Stelleinheiten vorzugsweise so relativ zueinander angeordnet sind, dass ihre als Kreissehnen ausgebildeten geraden Streckenabschnitte zueinander weisen.

Der Kreisbogen des kreisbogenförmigen Streckenabschnitts weist vorteilhafterweise einen Mittelpunktwinkel von wenigstens 120°, vorzugsweise von zwischen 180° und 300° auf.

Bevorzugt weisen die Spulenkörper gleiche Durchmesser auf, sowie vorteilhafterweise im Querschnitt gleiche Streckenabschnitte. Das bedeutet, dass sowohl die kreisbogenförmigen Streckenabschnitte, als auch die als Kreissehnen ausgebildeten geraden Streckenabschnitte gleiche Abmessungen aufweisen.

Noch weiter verringern lässt sich Beabstandung der Aktoren zueinander dadurch, dass die erste Aktorspule auf der ersten Stelleinheit und die zweite Aktorspule auf der zweiten Stelleinheit versetzt zueinander angeordnet sind. Die erste Aktorspule und die zweite Aktorspule sind vorzugsweise im gleichen Windungssinn gewickelt.

Vorteilhafterweise sind die erste Aktorspule und die zweite Aktorspule elektrisch in Reihe geschaltet. Auf diese Weise kann mit Hilfe eines einzelnen Steuerpulses sowohl die eine Aktorspule, als auch die andere Aktorspule bestromt werden, sodass, bei versetzt zueinander angeordneten Aktorspulen der eine Aktor nach unten beschleunigt wird während der andere Aktor in entgegengesetzter Richtung nach oben beschleunigt wird.

Eine weitere Verringerung der Beabstandung der beiden Aktoren zueinander kann dadurch erreicht werden, dass die zweite Aktorspule in Blickrichtung entlang der Längsachse des ersten Spulenkörpers die Aktorspule des ersten Spulenkörpers teilweise überdeckt.

Die Aktoren weisen vorteilhafterweise zumindest entlang wenigstens eines Abschnitts ihrer jeweiligen Längsachsen eine im Querschnitt senkrecht zu ihren Längsachsen äußere, geschlossene Umfangslinie mit einem kreisbogenförmigen Streckenabschnitt und einem als Kreissehne ausgebildeten geraden Streckenabschnitt auf, wobei die als Kreissehnen ausgebildeten Streckenabschnitte vorzugsweise zueinander weisend ausgerichtet sind. Die beiden Stelleinheiten können selektiv oder gemeinsam miteinander ansteuerbar sein, wobei die Aktoren im Wesentlichen achsparallel zueinander ausgerichtet sind.

Stellvorrichtungen der vorliegend beschriebenen Art können beispielsweise als Nockenwellenstellvorrichtungen verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung wird nachfolgend anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Stellvorrichtung in Draufsicht in Richtung der Längsachsen der Spulenkörper,

2 die Stellvorrichtung von 1 in der gleichen Schnittdarstellung,

3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stellvorrichtung in einem Schnitt senkrecht zur Draufsicht entlang der Längsachsen der beiden Spulenkörper,

4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Stellvorrichtung in einem Schnitt senkrecht zur Draufsicht, entlang der Längsachsen der beiden Spulenkörper.

1 zeigt eine Stellvorrichtung 1 mit einer ersten Stelleinheit 2a und einer zweiten Stelleinheit 2b. Die erste Stelleinheit 2a weist einen ersten Spulenkörper 4a auf, die zweite Stelleinheit 2b weist einen zweiten Spulenkörper 4b auf. Auf den ersten Spulenkörper 4a ist eine erste Aktorspule 6a gewickelt. Auf den zweiten Spulenkörper 4b ist eine zweite Aktorspule 6b gewickelt. Die Aktorspulen 6a und 6b können miteinander über elektrische Verbindungsleitungen 7 verbunden sein. So können beispielsweise auf dem Spulenkörper 4a zunächst eine gewisse Anzahl von Windungen, beispielsweise vier Windungen aufgebracht sein, die beispielsweise die erste Aktorspule 6a bilden. Am Ende dieser Windungen kann die Aktorspule 6a auf dem zweiten Spulenkörper 4b fortgesetzt werden, beispielsweise indem auf den zweiten Spulenkörper 4b ebenfalls vier Windungen aufgewickelt werden, die dann die zweite Aktorspule 6b bilden. Es ist auch möglich, dass mehrere Windungen um beide Spulenkörper 4a, 4b herumgeführt werden, oder auch weniger Windungen, zumindest jedoch eine Windung. Es können auch abwechslungsweise ein oder mehrere Windungen um den ersten Spulenkörper 4a, dann ein oder mehrere Windungen um den zweiten Spulenkörper 4b, dann wieder ein oder mehrere Windungen um den ersten Spulenkörper 4a und usw. aufgewickelt werden, sodass die Windungen um den ersten Spulenkörper 4a die erste Aktorspule 6a und die Windungen um den zweiten Spulenkörper 4b die zweite Aktorspule 6b bilden.

Die Spulenkörper 4a, 4b sind D-förmig aufgebaut und mit ihren abgeflachten Seiten aufeinander zugerichtet, bzw. einander entgegengerichtet. Im Inneren der Spulenkörper 4a, 4b sind Aktoren 8a, 8b angeordnet, die entlang der Längsachsen der Spulenkörper 4a, 4b beweglich geführt sind.

Die Spulenkörper 4a, 4b weisen jeweils äußere Umfangslinien 10 auf mit jeweils einem kreisbogenförmigen Streckenabschnitt 12 und einem geraden Streckenabschnitt 14. Die geraden Streckenabschnitte 14 der beiden Spulenkörper 4a, 4b sind im vorliegenden Beispiel so ausgerichtet, dass sie zueinander weisen. Der erste Aktor 8a und der zweite Aktor 8b sind zylinderförmig ausgebildet. Die beiden Aktoren 8a, 8b können jedoch auch, ähnlich wie die Spulenkörper 4a, 4b D-förmig ausgebildet sein und mit ihren abgeflachten Seiten einander entgegengerichtet sein.

2 zeigt eine weitere Stellvorrichtung 1. Die Spulenkörper 4a, 4b sind einstückig miteinander zu einem Spulenkörper 4 ausgebildet. Die Windungen der ersten Aktorspule 6a und die Windungen der zweiten Aktorspule 6b umlaufen dabei jeweils beide Aktoren 8a, 8b und können aufeinander oder versetzt zueinander auf dem Spulenkörper 4 angeordnet sein. Die Aktorspulen 6a und 6b können in einander entgegengesetzte Richtungen bestromt werden, so dass der Magnetfluss durch Aktorspule 6b den Magnetfluss durch Aktorspule 6a neutralisieren kann.

3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stellvorrichtung 1 mit einer ersten Stelleinheit 2a und einer zweiten Stelleinheit 2b. Die erste Aktorspule 6a ist in diesem Fall räumlich versetzt zur zweiten Aktorspule 6b in der Stellvorrichtung 1 angeordnet. Die Aktorspulen 6a, 6b, die vorliegend beispielsweise im gleichen Wicklungssinn gewickelt sind und elektrisch in Reihe geschaltet sind, überdecken einander teilweise in Blickrichtung entlang der Längsachse des ersten Spulenkörpers 4a.

4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Stellvorrichtung 1 mit einer ersten Stelleinheit 2a und einer zweiten Stelleinheit 2b entlang der Längsachsen der Spulenkörper 4a, 4b. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Aktorspulen 6a und 6b parallel nebeneinander angeordnet und nicht versetzt zueinander angeordnet. Rückstellfedern 16 sorgen dafür, dass die elektromagnetisch ausgelenkten Aktoren 8a, 8b wieder in ihrer Ausgangsposition zurückbewegt werden, wenn die Elektromagnete 6a, 6b nicht mehr bestromt werden.

Die Erfindung wurde anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert, ohne auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt zu sein. Dem Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.

Bezugszeichenliste

1
Stellvorrichtung
2a
erste Stelleinheit
2b
zweite Stelleinheit
4a
erster Spulenkörper
4b
zweiter Spulenkörper
4
Spulenkörper
6a
erste Aktorspule
6b
zweite Aktorspule
7
elektrische Verbindungsleitungen
8a
erster Aktor
8b
zweiter Aktor
10
Umfangslinie
12
kreisbogenförmiger Streckenabschnitt
14
gerader Streckenabschnitt
16
Rückstellfedern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 10240774 A1 [0002]
  • DE 10200901586 A1 [0004]
  • DE 102013206311 A1 [0006]