DE10248125A1

DE10248125A1 - Electromagnetic final control device, especially internal combustion engine valves, has winding body with coil, armature mounted on spindle rigidly connected to final control element

Info

Publication number: DE10248125A1
Application number: DE2002148125
Authority: DE
Inventors: Michael Thiery; Janusz Zurke
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-05-13

Abstract

The device consists essentially of a winding body (2) on which a coil (3) is arranged, a yoke, a short circuit plate, a core (5) and an armature (6) that interacts with a final control element (11) and can be moved on a central axis against spring force when the coil is subjected to current. The armature is mounted on a spindle (8) rigidly connected to the final control element.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere für Schalt- Steuer- oder Regelventile in Verbrennungskraftmaschinen, die im wesentlichen aus einem Wickelkörper auf dem eine Spule angeordnet ist, einem Joch, einem Rückschlußblech, einem Kern und einem Anker besteht, der in Wirkverbindung mit einem Stellglied steht und bei Bestromung der Spule gegen eine Federkraft auf einer Mittelachse verschiebbar ist.The invention relates to an electromagnetic Adjustment device especially for Switching, control or regulating valves in internal combustion engines, which essentially consists of a bobbin on which a coil is, a yoke, a back plate, a core and an anchor, which is operatively connected to a Actuator stands and when the coil is energized against a spring force is displaceable on a central axis.

Elektromagnetische Stellvorrichtungen, insbesondere für Elektromagnetventile, sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Sie bestehen aus einer Spule und einem magnetischen Eisenkreis, der aus einem Joch, einem Rückschlußblech sowie einem Kern und einem Anker aufgebaut ist. Bei Bestromung der Spule entsteht induktiv ein elektromagnetisches Feld, dessen Feldlinien vom Anker über das Rückschlußblech und das die Spule umgebende Joch in den Kern weisen. Von dort treten die Feldlinien über einen Arbeitsluftspalt wieder in den Anker, wodurch sich zwischen Anker und Kern eine elektromagnetische Kraft bildet, welche den Anker zum Kern zieht. Zwischen Kern und Anker wird häufig eine Schraubenfeder vorgespannt eingebaut, welche durch ihre Vorspannung eine Kraft erzeugt, die entgegen der von der Spule erzeugten elektromagnetischen Kraft wirkt. Je nach Größe des Stromflusses durch die Spule entsteht somit eine resultierende Kraft, aus der Summe der Federkraft und der entstehenden elektromagnetischen Kraft, die jeweils einer bestimmten Stellung des Ankers bzw. eines mit dem Anker verbundenen Stellgliedes entspricht. Der zumeist zylindrisch geformte Anker wird dabei auf seiner äußeren Mantelfläche in einer Buchse, die im Inneren des Wickelkörpers angeordnet ist, geführt. In den meisten Anwendungen, insbesondere im Bereich der Verbrennungskraftmaschinen werden schmierungsfreie Elektromagnetven tile verwendet, weswegen die zur Lagerung verwendeten Buchsen aus entsprechend gleitendem Material hergestellt werden.Electromagnetic actuators, especially for Solenoid valves, are generally known and are in one Variety of registrations described. They consist of a coil and a magnetic iron circle consisting of a yoke, a back plate and a core and an anchor is built. When the coil is energized creates an electromagnetic field, its field lines from anchor over the back plate and point the yoke surrounding the coil into the core. Step from there the field lines over a working air gap back into the anchor, causing itself between Anchor and core form an electromagnetic force, which the Anchor pulls to the core. Between core and anchor there is often one Coil spring installed preloaded, which by its preload generates a force contrary to the electromagnetic generated by the coil Power works. Depending on the size of the current flow the coil thus creates a resulting force from which Sum of the spring force and the electromagnetic force generated, each with a specific position of the anchor or one with corresponds to the anchor connected actuator. Mostly cylindrical shaped anchor is on its outer surface in one Socket, which is arranged inside the winding body, guided. In most applications, especially in the field of internal combustion engines Lubrication-free electromagnetic valves are used, which is why the bushings used for storage made of corresponding sliding material getting produced.

Nachteilig an einer solchen Ausführung ist, daß eine relativ große Führungslänge für den Anker benötigt wird, um ein Kippen zu vermeiden. Dementsprechend wird der Anker über eine Länge von etwa dem 1,5- bis 2-fachen seines Führungsdurchmessers geführt. Dennoch ist ein leichtes Kippen des Ankers auch bei genauester Führung nicht zu vermeiden. Des weiteren besteht keine direkte Verbindung zwischen der Führungsbuchse und dem Kern, wodurch das freie, in den Kern der Stellvorrichtung ragende Ende zumeist schlecht gegenüber dem Kern zentriert ist. Aus dieser fehlenden Zentrierung und dem leichten Kippen des Ankers resultieren hohe Querkräfte, die wiederum Reibungskräfte verursachen, welche der verfügbaren Magnetkraft entgegenwirken. Des weiteren erhöht sich der Verschleiß, so daß die mögliche Lebensdauer sinkt. Bei Verwendung einer derartig aufgebauten elektromagnetischen Stellvorrichtung als Ventil ist des weiteren häufig ein Abheben des Stellgliedes bzw. Verschlußkörpers unter Schwingbelastung zu beobachten.A disadvantage of such an embodiment is that it is relative size Guide length for the anchor is required to avoid tipping. Accordingly, the anchor is over a length of guided about 1.5 to 2 times its guide diameter. Yet is not a slight tilting of the anchor even with the most precise guidance to avoid. Furthermore, there is no direct connection between the guide bush and the core, causing the free, in the core of the actuator protruding end is mostly poorly centered relative to the core. From this lack of centering and the slight tilting of the anchor result in high lateral forces, which in turn are frictional forces cause which of the available Counteract magnetic force. Furthermore, the wear increases, so that the possible service life sinks. When using an electromagnetic structure constructed in this way Actuating device as a valve is also often a lifting of the actuator or closure body under Observe vibration load.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Stellvorrichtung zu schaffen, bei der die Führung des Ankers so ausgeführt ist, daß geringe Reibungskräfte und somit ein geringerer Verschleiß entsteht, was eine höhere Lebensdauer zur Folge hätte. Des weiteren soll zur Verhinderung der Querkräfte bei Kippen des Ankers die Auslenkung seines freien Endes reduziert werden und der Anker zentriert zum Kern angebracht sein. Zusätzlich soll die Resistenz gegen Abheben des Verschlußkörpers bei Schwingbelastungen erhöht werden. Eine weitere Aufgabe liegt in einer gewünschten Kostenreduzierung, insbesondere durch eine Verringerung des Bauvolumens und des Gewichtes des Ventils.The object of the invention is therefore to create an electromagnetic actuator in which the guide of the anchor so executed is that minor frictional forces and thus less wear and tear, resulting in a longer service life would result. Furthermore, to prevent the lateral forces when the armature tilts Deflection of its free end can be reduced and the anchor centered be attached to the core. additionally is the resistance to lifting of the closure body in the case of vibration loads elevated become. Another task is the desired cost reduction, in particular by reducing the construction volume and weight of the valve.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anker auf einem Dorn gelagert ist, der fest mit dem Kern der Stellvorrichtung verbunden ist. Hierdurch sinkt der Führungsdurchmesser gegenüber einer außen liegenden Führung, so daß der Anker kürzer ausgeführt werden kann. Dadurch wird die Masse der beweglichen Teile reduziert und eine Verbesserung bezüglich der Dauerhaltbarkeit und des Abhebeverhaltens eines Verschlußkörpers verbessert. Gleichzeitig wird die Dynamik der Stellvorrichtung gewährleistet. Auch die verwendete Spule kann nicht zuletzt durch die reduzierten Reibungskräfte verkleinert werden, wodurch Bauvolumen und Gewicht und daraus resultierend die Kosten für eine solche erfindungsgemäße Stellvorrichtung sinken.These tasks are accomplished according to the invention solved, that the Anchor is mounted on a mandrel that is firmly connected to the core of the actuator is. This reduces the guide diameter across from one outside lying leadership, so that the Anchor shorter accomplished can be. This reduces the mass of the moving parts and an improvement regarding the durability and the lifting behavior of a closure body improved. At the same time, the dynamics of the actuating device are guaranteed. Last but not least, the coil used can also be reduced frictional forces can be reduced in size, resulting in volume and weight and resulting the price for such an adjusting device according to the invention sink.

Erfindungsgemäß wird der Anker über den Dorn über seine gesamte Länge geführt, wodurch bei Kippen des Ankers die Auslenkung seines freien endes deutlich reduziert wird. Während bei einer außen liegenden Führung die Führungslänge etwa das 1,5 bis 2-fache des Führungsdurchmessers betragen muß und die Länge des Ankers sich aus der Summe der Führungslänge und der Hublänge ergibt, muß die Länge des Ankers bei innenliegender Führung lediglich das 1,5- bis 2-fache dieses kleineren Führungsdurchmessers betragen, was eine deutliche Größen- und Kostenreduzierung zur Folge hat.According to the anchor is on the mandrel on his whole length guided, which causes the free end to deflect when the armature tilts is significantly reduced. While with an outside guide the guide length about 1.5 to 2 times the guide diameter must be and the length the anchor results from the sum of the guide length and the stroke length, the length of the Anchor with internal guidance only 1.5 to 2 times this smaller guide diameter amount, which is a clear size and Cost reduction.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Dorn auf der Mittenachse der Stellvorrichtung angeordnet, wodurch eine Zentrierung des Ankers gegenüber dem Kern gewährleistet wird. Dadurch werden die Querkräfte, die Reibungskräfte verursachen, und somit die verfügbare Magnetkraft der Stellvorrichtung reduzieren, deutlich minimiert und somit die Lebensdauer des Ventils erhöht.In a further advantageous embodiment the mandrel is arranged on the center axis of the adjusting device, whereby centering of the anchor relative to the core is guaranteed becomes. In this way the lateral forces, the frictional forces cause, and thus the available Reduce the magnetic force of the actuator, significantly minimized and thus increases the life of the valve.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der hohlzylindrische Anker an seiner innen liegenden Mantelfläche eine Gleitbuchse auf, mit der er fest verbunden ist. Durch diese Anordnung der Gleitbuchse kann der Anker schmierungsfrei auf einer innen liegenden Ankerführung gelagert werden, wodurch die Stellvorrichtung über viele Schaltspiele hinweg bei großen Höhen steuern kann, da die Reibungskräfte wiederum minimiert werden und somit ein sehr geringer Verschleiß auftritt. Durch diese Verringerung der Reibungskräfte ist es des weiteren möglich, das Ventil mit einer kleineren Spule aufzubauen und es somit kleiner, leichter und kostengünstiger herzustellen.In an advantageous embodiment of the invention, the hollow cylindrical armature has a sliding bush on its inner surface, with which it is firmly connected. This arrangement of the sliding bush allows the armature to be stored on an internal armature guide without lubrication, whereby the actuator can control over many switching cycles at high altitudes, since the frictional forces are in turn minimized and therefore very little wear occurs. This reduction in the frictional forces also makes it possible to construct the valve with a smaller coil and thus to make it smaller, lighter and less expensive.

Die Verbindung des Ankers mit der Gleitbuchse kann als Preßsitz ausgeführt sein, wodurch eine kostengünstige und zuverlässige Bauweise ohne zusätzliche Bauteile genutzt wird.The connection of the anchor with the Slide bushing can be used as an interference fit accomplished be, making an inexpensive and reliable Construction without additional Components is used.

In einer weiterführenden Ausführungsform weist das Stellglied eine Durchgangsöffnung auf, die eine fluidische Verbindung zwischen einem durch das Stellglied verschlossenen Kanal und einem Bauvolumen herstellt, welches durch eine Membrane, die mit dem Stellglied verbunden ist, verschlossen ist, wobei die freie Fläche der Membrane etwa der Querschnittsfläche des Kanals entspricht. Hierdurch wird gewährleistet, daß der auf das Stellglied wirkende Druck etwa dem auf die Membran wirkenden Druck entspricht, allerdings in entgegen gesetzter Richtung. Hierdurch wird gewährleistet, daß auf das Stellglied in der Summe der resultierenden Kräfte lediglich die Federkraft und die elektromagnetische Kraft einwirken, so daß eine Regelung des Ventils vereinfacht wird.In a further embodiment points the actuator has a through opening on that is a fluidic connection between one through the actuator closed channel and a construction volume, which by a membrane, which is connected to the actuator, closed is the free area the membrane corresponds approximately to the cross-sectional area of the channel. This ensures that the pressure acting on the actuator is approximately that acting on the diaphragm Pressure corresponds, but in the opposite direction. hereby is guaranteed that on the actuator in the sum of the resulting forces only the spring force and the electromagnetic force act, so that a regulation of the valve is simplified.

Durch diese erfindungsgemäßen Ausführungen wird somit eine elektromagnetische Stellvorrichtung geschaffen, bei der Kosten, Gewicht und Bauvolumen sinken, ein angesteuertes Ventil bis zu 80 % resistenter gegen Abheben des Verschlußkörpers unter Schwingbelastung wird und des weiteren durch Reduzierung des Kippens und den durch diese Anordnung erfolgenden Hystereseabbau die entstehenden Reibungskräfte minimiert werden und somit einen deutlich geringerer Verschleiß entsteht, der zu einer längeren Lebensdauer führt.Through these designs according to the invention an electromagnetic actuator is thus created, at which costs, weight and construction volume decrease, a controlled one Valve up to 80% more resistant to the closure body being lifted off Vibration load is further reduced by the tilting and the resulting hysteresis reduction resulting from this arrangement frictional forces can be minimized and thus significantly less wear occurs, the one to a longer one Service life.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.An embodiment is shown in the drawing and is described below.

Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung in Form eines Ventils in geschnittener Darstellung in Seitenansicht.The drawing shows an electromagnetic according to the invention Actuating device in the form of a valve in a sectional view in side view.

Die dargestellte elektromagnetische Stellvorrichtung besteht aus einem Gehäuse 1 in dem eine Spule und ein magnetischer Eisenkreis angeordnet sind. Die Spule besteht aus einem Wickelkörper 2 auf dem die Wicklung 3 der Spule angeordnet ist. Der Wickelkörper 2 weist eine hohlzylindrische Form auf und wird an seiner äußeren Mantelfläche zumindest teilweise von einem Joch 4 umgeben. Dieses Joch 4 sowie ein im Inneren des hohlzylindrischen Wickelkörpers angeordneter Kern 5 sowie ein Anker 6 und ein Rückschlußblech 7 bilden den magnetischen Kreis. Der wiederum hohlzylindrisch ausgeführte Kern 5 nimmt in seinem Innern einen Dorn 8 auf, der die Funktion einer Führungsstange erfüllt. Die Verbindung des Kerns 5 mit dem Dorn 8 wird über eine Preßpassung hergestellt. Das entgegengesetzte freie Ende des Dorns 8 ragt aus dem Wickelkörper 2 hinaus und dient dem Anker 6 als Führung. Zwischen dem hohlzylindrischen Anker 6 und dem Dorn 8 befindet sich eine Gleitbuchse 9, die über eine Preßpassung mit dem Anker 6 verbunden ist, so daß der Anker 6 mit der Gleitbuchse 9 entlang einer Mittenachse X-X auf dem Dorn 8 verschiebbar angeordnet ist. Der magnetische Kreis zwischen dem Joch 4 und dem Anker 6 wird durch das Rückschlußblech 7 geschlossen. Auf dem zwischen dem Kern 5 und dem Anker 6 freiliegende Teil der Führungsstange 8 ist die Führungsstange 8 umschließend eine Druckfeder 10 angeordnet, welche vorgespannt zwischen dem Kern 5 und dem Anker 6 bzw. der Gleitbuchse 9 angebracht wird und somit eine Kraft auf den Anker 6 ausübt, die vom feststehenden Kern weg gerichtet ist. Der Anker 6 wiederum ist mit einem Stellglied 11 verbunden, welches hier als Verschlußkörper für einen Kanal 12 dient. Zum dichten Verschließen des Kanals 12 weist dieses Stellglied 11 ein an seinem äußeren Umfang angebrachtes Dichtelement 13 auf. Des weiteren befindet sich im zum Kanal 12 gelegenen Boden des Stellgliedes 11 eine Durchtrittsöffnung 14, die eine fluidische Verbindung zwischen dem Kanal 12 und einem Hohlvolumen 15 herstellt. Dieses Hohlvolumen 15 wird durch eine Membran 16 gegen den Außenraum verschlossen. Diese Membran 16 ist fest mit dem Stellglied 11 und dem Gehäuse 1 verbunden. Wird nun der Kanal 12 durch das Stellglied 11 verschlossen, so wirkt eine Kraft vom Fluid im Kanal 12 auf die den Kanal 12 verschließende Fläche des Stellgliedes 11, die in Richtung des Stellgliedes 11 weist. Durch die fluidische Verbindung zum Hohlvolumen 15 wirkt die gleiche Kraft auch auf die Membrane 16, allerdings in entgegen gesetzter Richtung. Die Größe der wirksamen Membranfläche wird nun so ausgelegt, daß sie der Querschnittsfläche des Kanals 12 entspricht, so daß der auf das Stellglied 11 wirkende Differenzdruck gleich 0 ist und lediglich die Summe der Kraft der Feder 10 und der elektromagnetisch induzierten Kraft die Stellung des Stellgliedes 11 bestimmen.The electromagnetic actuator shown consists of a housing 1 in which a coil and a magnetic iron circuit are arranged. The coil consists of a winding body 2 on which the winding 3 the coil is arranged. The winding body 2 has a hollow cylindrical shape and is at least partially by a yoke on its outer surface 4 surround. This yoke 4 and a core arranged in the interior of the hollow cylindrical bobbin 5 as well as an anchor 6 and a back plate 7 form the magnetic circuit. The core, which is again hollow cylindrical 5 takes a thorn inside 8th that fulfills the function of a guide rod. The connection of the core 5 with the thorn 8th is manufactured using a press fit. The opposite free end of the spine 8th protrudes from the winding body 2 out and serves the anchor 6 as a guide. Between the hollow cylindrical anchor 6 and the thorn 8th there is a sliding bush 9 that have a press fit with the anchor 6 is connected so that the anchor 6 with the sliding bush 9 along a central axis XX on the mandrel 8th is slidably arranged. The magnetic circle between the yoke 4 and the anchor 6 is through the back plate 7 closed. On the between the core 5 and the anchor 6 exposed part of the guide rod 8th is the guide rod 8th enclosing a compression spring 10 arranged which is biased between the core 5 and the anchor 6 or the sliding bush 9 is attached and thus a force on the anchor 6 exercises away from the fixed core. The anchor 6 in turn is with an actuator 11 connected, which here as a closure body for a channel 12 serves. For sealing the channel tightly 12 has this actuator 11 a sealing element attached to its outer periphery 13 on. It is also located in the canal 12 located bottom of the actuator 11 a passage opening 14 that create a fluidic connection between the channel 12 and a hollow volume 15 manufactures. This hollow volume 15 is through a membrane 16 closed to the outside. This membrane 16 is fixed to the actuator 11 and the housing 1 connected. Now the channel 12 by the actuator 11 closed, a force from the fluid acts in the channel 12 on the the channel 12 closing surface of the actuator 11 in the direction of the actuator 11 has. Through the fluidic connection to the hollow volume 15 the same force also acts on the membrane 16 , but in the opposite direction. The size of the effective membrane area is now designed so that it corresponds to the cross-sectional area of the channel 12 corresponds to that on the actuator 11 effective differential pressure is 0 and only the sum of the force of the spring 10 and the electromagnetically induced force the position of the actuator 11 determine.

Wird nun also die Wicklung 3 mit Strom versorgt, so entsteht induktiv ein elektromagnetisches Feld, wobei die Feldlinien vom Anker 6 über das Rückschlußblech 7 das Joch 4 und den Kern 5 wiederum in Richtung des Ankers 6 weisen. Die hierdurch entstehende elektromagnetische Kraft zieht den Anker 6 zum Kern 5 entgegen der wirksamen Federkraft. Hierdurch wird der Anker 6 entlang der Mittenachse in Richtung des Kerns bewegt und somit auch das Stellglied 11 von seinem Sitz gehoben.So now the winding 3 powered, an electromagnetic field is created inductively, with the field lines from the armature 6 over the back plate 7 the yoke 4 and the core 5 again towards the anchor 6 point. The resulting electromagnetic force pulls the anchor 6 to the core 5 against the effective spring force. This will make the anchor 6 moved along the center axis in the direction of the core and thus also the actuator 11 lifted from his seat.

Wird die Bestromung der Spule wieder ausgeschaltet, ist lediglich die Federkraft wirksam und der Anker wird wieder entlang der Mittenachse auf dem Dorn 8 in seine ursprüngliche Stellung zurück bewegt.If the current supply to the coil is switched off again, only the spring force is effective and the armature is again on the mandrel along the center axis 8th moved back to its original position.

Mit der erfindungsgemäßen Ausführung liegt eine Konstruktion vor, durch die die Lebensdauer einer elektromagnetischen Stellvorrichtung durch geringeren Verschleiß erhöht wird und gleichzeitig Herstellungskosten eingespart und der benötigte Bauraum minimiert wird.With the embodiment according to the invention there is a construction through which the life of an electromagnetic actuating device by ge less wear is increased while manufacturing costs are saved and the space required is minimized.

Veränderungen bezüglich der Form der einzelnen Bauteile bzw. der Einsatz einer solchen elektromagnetischen Stellvorrichtung nicht als Ventil, sondern in anderen Funktionen sind ebenfalls Bestandteil dieser Erfindung.Changes in the Shape of the individual components or the use of such an electromagnetic Actuator not as a valve, but in other functions are also part of this invention.

Claims

Electromagnetic actuating device, in particular for switching, control or regulating valves in internal combustion engines, which essentially consists of a winding body on which a coil is arranged, a yoke, a return plate, a core and an armature which is in operative connection with an actuator and when energized the coil is displaceable against a spring force on a central axis, characterized in that the armature ( 6 ) on a thorn ( 8th ) which is fixed to the core ( 5 ) the actuator is connected.

Electromagnetic adjusting device according to claim 1, characterized in that the armature ( 6 ) is led over its entire length.

Electromagnetic adjusting device according to claim 1 or 2, characterized in that the mandrel ( 8th ) is arranged on the center axis XX of the actuating device.

Electromagnetic adjusting device according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow cylindrical armature ( 6 ) a sliding bush on its inner surface ( 9 ) with which it is firmly connected.

Electromagnetic adjusting device according to claim 4, characterized in that the connection of the armature ( 6 ) with the sliding bush ( 9 ) is designed as a press fit.

Electromagnetic actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator ( 11 ) a through opening ( 14 ) which has a fluidic connection between a through the actuator ( 11 ) closed channel ( 12 ) and a hollow volume ( 15 ) which is made by a membrane ( 16 ) with the actuator ( 11 ) is closed, the free surface of the membrane ( 16 ) approximately the cross-sectional area of the channel ( 12 ) corresponds.