CH709613A1

CH709613A1 - Method and device for determining the armature stroke of a magnetic actuator.

Info

Publication number: CH709613A1
Application number: CH00712/14A
Authority: CH
Inventors: Dr Konrad Christ; Gregor Wieczorek; François Masson
Original assignee: Liebherr Machines Bulle Sa
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ankerhubes eines Magnetaktuators (1), insbesondere eines Injektors zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung einer Verbrennungsmaschine, mit den Verfahrensschritten Messen des zeitlichen Verlaufs der Aktuatorspannung und des Aktuatorstromes während eines Schaltvorgangs, Bestimmung des Zeitverlaufs der Reluktanz des magnetischen Kreises (60) des Magnetaktuators (1) während des Schaltvorgangs auf Grundlage der gemessenen Aktuatorspannung und des Aktuatorstroms, Ermittlung des Ankerhubes anhand der Reluktanzänderung im Zeitintervall der Ankerbewegung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ankerhubes sowie einen Prüfstand.The invention relates to a method for determining the armature stroke of a magnetic actuator (1), in particular an injector for controlling the fuel injection of an internal combustion engine, comprising the steps of measuring the timing of the actuator voltage and the actuator current during a switching operation, determining the time dependence of the magnetic circuit's reluctance ( 60) of the magnetic actuator (1) during the switching operation on the basis of the measured actuator voltage and the actuator current, determination of the armature stroke on the basis of the reluctance change in the time interval of the armature movement. Furthermore, the invention relates to a device for determining the armature stroke and a test stand.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ankerhubes eines Magnetaktuators, der insbesondere zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr einer Verbrennungsmaschine einsetzbar ist. Desweiteren beschäftigt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung, die entsprechende Mittel zur Durchführung eines derartigen Verfahrens aufweist. The invention relates to a method for determining the armature stroke of a magnetic actuator, which can be used in particular to control the fuel supply of an internal combustion engine. Furthermore, the invention is concerned with a device which has corresponding means for carrying out such a method.

[0002] Magnetaktuatoren bestehen aus einem Elektromagneten mit Magnetkern und beweglichem Anker. Zwischen Metallkern und Anker existiert ein Luftspalt, auch Arbeitsluftspalt genannt, dessen Spaltbreite von der Ankerbewegung abhängt. Durch Bestromung der Magnetspule des Magnetaktuators entsteht ein magnetischer Fluss im Aktuator und die Magnetkraft im Arbeitsluftspalt zieht den Anker in Richtung des Magnetkerns an, wodurch der Arbeitsluftspalt verkleinert wird. Diese Bewegung, auch als Ankerhub bezeichnet, stellt die grundlegende Aktuatorbewegung dar. Magnetic actuators consist of an electromagnet with a magnetic core and a movable armature. Between the metal core and the armature there is an air gap, also known as the working air gap, the width of which depends on the armature movement. When the magnetic coil of the magnetic actuator is energized, a magnetic flux is created in the actuator and the magnetic force in the working air gap attracts the armature in the direction of the magnetic core, which reduces the working air gap. This movement, also known as the armature stroke, represents the basic actuator movement.

[0003] Die Grössenänderung der Spaltbreite des Arbeitsluftspaltes, d.h. die Grösse des Ankerhubes, spielt eine wesentliche Rolle für die Funktion des Magnetaktuators. The change in size of the gap width of the working air gap, i.e. the size of the armature stroke plays an essential role for the function of the magnetic actuator.

[0004] Bei der Produktion solcher Aktuatoren, wie sie beispielsweise zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden, ist daher eine hohe Präzision erforderlich. In the production of actuators of the type used, for example, to control the fuel supply in an internal combustion engine, high precision is therefore required.

[0005] Simulations- und Versuchsergebnisse haben in der Vergangenheit belegt, dass die Zeitpunkte des Einspritzbeginns und vor allem die eingespritzte Kraftstoffmenge in erheblichem Masse von der Änderung des Arbeitsluftspaltes, d.h. dem Ankerhub, im Magnetaktuator abhängt. Die Spaltbreite bei derartigen Magnetaktuatoren liegt üblicherweise im Bereich von ca. 75 µm, die Spaltbreitenänderung bzw. der Ankerhub bei ca. 50 µm. Simulation and test results have shown in the past that the times of the start of injection and, above all, the amount of fuel injected depend to a considerable extent on the change in the working air gap, i.e. the armature stroke in the solenoid actuator. The gap width in such magnetic actuators is usually in the range of approx. 75 µm, the change in gap width or the armature stroke is approx. 50 µm.

[0006] Die besondere Herausforderung bei der Ermittlung des Arbeitsluftspalts und des resultierenden Ankerhubes während des Schaltvorgangs des Magnetaktuators besteht darin, dass der Arbeitsluftspalt nicht direkt zugänglich ist und der Ankerhub mit einer Genauigkeit in einer Grössenordnung von wenigen um bestimmt werden muss. Wegen der Unzugänglichkeit des Arbeitsluftspalts nach der Fertigstellung der produzierten Aktuatoren kann kein direktes Längenmessverfahren angewandt werden, wie beispielweise Lasermessverfahren etc. Wünschenswert ist jedoch eine hochpräzise Messung des Ankerhubes bei fertiggestellten Magnetaktuatoren. The particular challenge in determining the working air gap and the resulting armature stroke during the switching process of the magnetic actuator is that the working air gap is not directly accessible and the armature stroke must be determined with an accuracy of a few µm. Due to the inaccessibility of the working air gap after completion of the actuators produced, no direct length measuring method can be used, such as laser measuring method, etc. However, a highly precise measurement of the armature stroke in finished magnetic actuators is desirable.

[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bzw. ein geeignetes Verfahren aufzuzeigen, dass eine berührungslose und ausreichend präzise Bestimmung der Änderung des Arbeitsluftspaltes bzw. des Ankerhubes während des Schaltvorgangs eines Magnetaktuators zulässt, um dadurch ein Überwachungsverfahren während der Herstellung von Magnetaktuatoren zu ermöglichen. The object of the present invention is to show a device and a suitable method that allows a contactless and sufficiently precise determination of the change in the working air gap or the armature stroke during the switching process of a magnetic actuator, thereby a monitoring method during the production of To enable magnetic actuators.

[0008] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschliessenden Unteransprüche. This object is achieved by a method with the features of claim 1. Advantageous refinements of the method are the subject of the subclaims that follow the main claim.

[0009] Erfindungsgemäss macht sich das vorgeschlagene Verfahren zu Nutze, dass sich durch den Ankerhub der Arbeitsluftspalt zwischen Anker und Magnetkern ändert, was zu einer Änderung des magnetischen Widerstandes des Arbeitsluftspaltes führt. Erfindungsgemäss kann demnach anhand der bestimmten Reluktanzänderung im Zeitintervall der Ankerbewegung auf den zurückgelegten Ankerhub bzw. die Änderung des Ankerluftspaltes geschlossen werden. Für die Erfassung der Reluktanzänderung ist es erfindungsgemäss vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf der Aktuatorspannung und des Aktuatorstromes während eines Schaltvorgangs des Magnetaktuators gemessen wird. Auf Grundlage der gemessenen Spannung bzw. des Stromes kann der Zeitverlauf der Reluktanz des magnetischen Kreises des Magnetaktuators während des Schaltvorgangs ermittelt werden. According to the invention, the proposed method makes use of the fact that the working air gap between the armature and magnetic core changes due to the armature stroke, which leads to a change in the magnetic resistance of the working air gap. According to the invention, based on the determined reluctance change in the time interval of the armature movement, conclusions can be drawn about the armature stroke covered or the change in the armature air gap. For the detection of the reluctance change, it is provided according to the invention that the time profile of the actuator voltage and the actuator current is measured during a switching process of the magnetic actuator. On the basis of the measured voltage or current, the time course of the reluctance of the magnetic circuit of the magnetic actuator can be determined during the switching process.

[0010] Als Schaltvorgang wird beispielsweise der Zeitraum verstanden, der sich durch den Zeitpunkt des Anlegens bzw. Unterbrechens der Schaltspannung als ersten Zeitpunkt definiert und mit der abschliessenden Ankerbewegung als zweiten Zeitpunkt endet. Für die Bestimmung des Ankerhubes bzw. der Änderung des Arbeitsluftspaltes wird die Reluktanzänderung im Zeitbereich zwischen dem Einsetzen der Ankerbewegung und dem vollständigen Abschluss der Ankerbewegung betrachtet. In dem betrachteten Zeitrahmen ist davon auszugehen, dass die auftretende Reluktanzänderung ausschliesslich durch die Änderung der Arbeitsluftspaltbreite verursacht wird. As a switching process, the period is understood, for example, which is defined by the time of application or interruption of the switching voltage as the first time and ends with the final armature movement as the second time. To determine the armature stroke or the change in the working air gap, the reluctance change in the time range between the onset of the armature movement and the complete completion of the armature movement is considered. In the time frame considered, it can be assumed that the reluctance change that occurs is caused exclusively by the change in the working air gap width.

[0011] Bevorzugt handelt es sich bei dem zu betrachtenden Schaltvorgang um den Abschaltvorgang des Aktuators, d.h. die Deaktivierung der Schaltspannung und die damit verbundene Rückstellbewegung des Ankers. Dies bedeutet, dass der zu prüfende Magnetaktuator vorab mit dem entsprechenden Schaltspannungsimpuls für eine bestimmte Zeit beaufschlagt werden muss. Preferably, the switching process to be considered is the switch-off process of the actuator, i. E. the deactivation of the switching voltage and the associated return movement of the armature. This means that the magnetic actuator to be tested has to be supplied with the corresponding switching voltage pulse for a certain time in advance.

[0012] Die Reluktanzänderung im Zeitintervall der Ankerbewegung wird vorzugsweise durch einen Vergleich des Reluktanzverläufe mit und ohne Ankerbewegung bestimmt. Hierzu wird der Zeitverlauf der Reluktanz des magnetischen Kreises des Magnetaktuators während des Schaltvorgangs betrachtet und zwar inklusive der Ankerbewegung. Für den Vergleich wird als Referenzverlauf der Zeitverlauf der Reluktanz während desselben Schaltvorgangs herangezogen, allerdings mit der Vorgabe, dass die Ankerbewegung unterbunden wird. Durch den Vergleich der beiden Reluktanzverläufe lässt sich der Einfluss der Ankerbewegung auf die Reluktanz hinreichend genau bestimmen, indem der Delta-Wert zwischen beiden Reluktanzfunktionen berechnet wird. The reluctance change in the time interval of the armature movement is preferably determined by comparing the reluctance curves with and without the armature movement. For this purpose, the time course of the reluctance of the magnetic circuit of the magnetic actuator during the switching process is considered, including the armature movement. For the comparison, the time course of the reluctance during the same switching process is used as the reference curve, but with the stipulation that the armature movement is prevented. By comparing the two reluctance curves, the influence of the armature movement on the reluctance can be determined with sufficient accuracy by calculating the delta value between the two reluctance functions.

[0013] Der Zeitverlauf der Reluktanz ohne Ankerbewegung kann beispielsweise durch Extrapolation ermittelt werden, insbesondere auf Grundlage eines Models für die Reluktanz. Ausgehend vom Reluktanzverlauf bis zum Einsetzen der Ankerbewegung wird der weitere mögliche Verlauf extrapoliert. The time course of the reluctance without armature movement can be determined, for example, by extrapolation, in particular on the basis of a model for the reluctance. Starting from the reluctance curve up to the onset of the armature movement, the further possible curve is extrapolated.

[0014] Denkbar ist auch die Verwendung einer Musterfunktion, als Zeitverlauf der Reluktanz ohne Ankerbewegung, die beispielsweise mit Hilfe eines Referenzaktuators erstellt worden ist. It is also conceivable to use a model function as a time curve of the reluctance without armature movement, which has been created, for example, with the aid of a reference actuator.

[0015] Alternativ oder zusätzlich kann vorab mit dem zu prüfenden Aktuator eine Referenzmessung angestellt werden, um den Zeitverlauf der Reluktanz ohne Ankerbewegung festzustellen. Hierbei besteht die Möglichkeit, durch Anpassung der Rückstellfederkraft die Rückstellbewegung zeitlich zu verzögern. Alternatively or additionally, a reference measurement can be made in advance with the actuator to be tested in order to determine the time course of the reluctance without armature movement. There is the possibility of delaying the restoring movement by adjusting the restoring spring force.

[0016] Idealerweise ist bei den zu prüfenden Magnetaktuatoren das Zeitintervall der Ankerbewegung derart kurz, sodass sich störende Effekte wie auftretende Wirbelströme im Magnetkreis vernachlässigen lassen. Ideally, the time interval of the armature movement in the magnetic actuators to be tested is so short that disruptive effects such as eddy currents occurring in the magnetic circuit can be neglected.

[0017] In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens handelt es sich bei dem zu prüfenden Magnetaktuator um einen Linearaktuator, bei dem der bewegbare Magnetanker eine translatorische Bewegung ausführt. Mögliche Ausführungsvarianten derartiger Magnetaktuatoren sind beispielsweise Topfmagneten mit axialem Arbeitsluftspalt zwischen Anker und Magnetkern, wobei der Anker eine Axialbewegung ausführt. Neben dem Arbeitsluftspalt existiert bei derartigen Topfmagneten auch ein Radialspalt, der als parasitärer Luftspalt bezeichnet wird, jedoch über die gesamte Ankerbewegung konstant bleibt und damit für die Bestimmung der Reluktanzänderungen vernachlässigbar ist. In a preferred embodiment of the method, the magnetic actuator to be tested is a linear actuator in which the movable magnet armature executes a translational movement. Possible variants of such magnetic actuators are, for example, pot magnets with an axial working air gap between the armature and the magnet core, the armature executing an axial movement. In addition to the working air gap, there is also a radial gap in pot magnets of this type, which is referred to as a parasitic air gap, but which remains constant over the entire armature movement and is therefore negligible for determining the changes in reluctance.

[0018] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird dieses insbesondere zur End-to-Line Prüfung in der Produktion von Magnetaktuatoren, insbesondere produzierte Aktuatoren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr bei Verbrennungsmotoren, angewandt. In a particularly preferred embodiment of the method, this is used in particular for end-to-line testing in the production of magnetic actuators, in particular actuators produced for controlling the fuel supply in internal combustion engines.

[0019] Neben dem erfindungsgemässen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ankerhubes eines Magnetaktuators. Die Vorrichtung umfasst erfindungsgemäss geeignete Mittel zur Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemässen Verfahrens. Die Vorteile und Eigenschaften, die sich durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung der Erfindung ergeben entsprechen offensichtlich denen des Verfahrens, sodass an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird. In addition to the method according to the invention, the present invention relates to a device for determining the armature stroke of a magnetic actuator. According to the invention, the device comprises suitable means for carrying out the individual method steps of the method according to the invention. The advantages and properties that result from the inventive design of the invention obviously correspond to those of the method, so that a repetitive description is dispensed with at this point.

[0020] Weiterhin ist es denkbar, dass die Vorrichtung eine Endstufe zur Ansteuerung des zu prüfenden Magnetaktuators vorsieht. Die integrierte Endstufe umfasst idealerweise wenigstens einen Leistungshalbleiter, zum Beispiel in der Ausführung eines MOSFET-Transistors, der den notwendigen Spulenstrom schaltet bzw. unterbricht. Dieser Leistungshalbleiter und der Magnetaktuator bilden eine Serienschaltung. Die Ansteuerung des Leistungshalbleiters kann sinnvoller Weise durch wenigstens einen vorgeschalteten Schalttransistor erfolgen, dessen Basis bzw. dessen Gate durch ein Steuersignal der integrierten Steuerung der Vorrichtung beaufschlagt wird. It is also conceivable that the device provides an output stage for controlling the magnetic actuator to be tested. The integrated output stage ideally comprises at least one power semiconductor, for example in the form of a MOSFET transistor, which switches or interrupts the necessary coil current. This power semiconductor and the magnetic actuator form a series circuit. The control of the power semiconductor can expediently take place by means of at least one upstream switching transistor, the base or gate of which is acted upon by a control signal from the integrated control of the device.

[0021] Zum Schutz der Endstufe bzw. des zu prüfenden Magnetaktuators ist vorzugsweise parallel zum Aktuator wenigstens eine Freilaufdiode verschaltet. Die Freilaufdiode verhindert das Auftreten einer Überspannung beim Abschalten der induktiven Gleichspannungslast. Die Verschaltung der Freilaufdiode ist weiterhin derart gewählt, so dass diese von der Speisespannung des Aktuators in Sperrrichtung beansprucht wird. Mögliche Spannungsspitzen, hervorgerufen durch die Selbstinduktion der Spule des Magnetaktuators nach dem Abschalten der Speisespannung, werden effektiv verhindert. To protect the output stage or the magnetic actuator to be tested, at least one free-wheeling diode is preferably connected in parallel with the actuator. The freewheeling diode prevents an overvoltage from occurring when switching off the inductive DC voltage load. The interconnection of the freewheeling diode is also selected so that it is loaded in the reverse direction by the supply voltage of the actuator. Possible voltage peaks, caused by the self-induction of the coil of the magnetic actuator after switching off the supply voltage, are effectively prevented.

[0022] Für die erforderliche Strommessung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist wenigstens ein Messwiderstand in Serie mit dem zu prüfenden Aktuator verschaltet. Vorzugsweise ist der gewählte Widerstandswert des Messwiderstandes deutlich geringer als der Gleichstromwiderstand des zu prüfenden Aktuators. For the current measurement required to carry out the method according to the invention, at least one measuring resistor is connected in series with the actuator to be tested. The selected resistance value of the measuring resistor is preferably significantly lower than the direct current resistance of the actuator to be tested.

[0023] Neben der erfindungsgemässen Vorrichtung umfasst die Erfindung einen End-of-Line Prüfstand mit einer entsprechenden Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung. Ein derartiger End-of-Line Prüfstand bildet den letzten Schritt eines Fertigungsprozesses für Magnetaktuatoren, um die gebauten Prüflinge abschliessend auf ihre ordnungsgemässe Funktion und Qualität zu überprüfen. Durch den erfindungsgemässen End-of-Line Prüfstand kann mit ausreichender Präzession der Ankerhub des hergestellten Magnetaktuators bestimmt werden. Die genaue Kenntnis der ermittelten Betriebsdaten des Aktuators ist besonders vorteilhaft für spätere Anwendungen, insbesondere für die Abstimmung der Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors auf das Betriebsverhalten des Magnetaktuators. Zudem kann auf Grundlage des ermittelten Ankerhubes auch eine Nachjustierung des Magnetaktuators bzw. des Ankerhubes erfolgen. In addition to the device according to the invention, the invention includes an end-of-line test stand with a corresponding device according to the present invention. Such an end-of-line test bench forms the last step in a manufacturing process for magnetic actuators, in order to finally check the built test objects for their proper function and quality. By means of the end-of-line test stand according to the invention, the armature stroke of the manufactured magnetic actuator can be determined with sufficient precession. The exact knowledge of the determined operating data of the actuator is particularly advantageous for later applications, in particular for the coordination of the engine control of an internal combustion engine to the operating behavior of the magnetic actuator. In addition, the magnet actuator or the armature stroke can also be readjusted on the basis of the armature stroke determined.

[0024] Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 : eine skizzenhafte Schnittdarstellung eines Magnetaktuators in Form eines Topfmagnets, Fig. 2 : Diagrammdarstellungen des zeitlichen Verlaufs der Aktuatorspannung und des Aktuatorstroms während eines Schaltvorgangs eines Magnetaktuators, Fig. 3 : Diagrammerstellungen der zeitlichen Verläufe des magnetischen Flusses sowie der Reluktanz während des Schaltvorgangs der Fig. 2 , Fig. 4 : eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemässen Messvorrichtung zur Bestimmung des Ankerhubes eines Magnetaktuators und Fig. 5 : einen Schaltplan einer möglichen Endstufe für die erfindungsgemässe Vorrichtung der Fig. 4 .[0024] Further advantages and properties of the invention are explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawings. They show: FIG. 1: a sketchy sectional view of a magnetic actuator in the form of a pot magnet, FIG. 2: diagram depictions of the timing of the actuator voltage and the actuator current during a switching process of a magnetic actuator, FIG. 3: diagrams of the timing of the magnetic flux and the reluctance During the switching process of FIGS. 2, 4: a basic illustration of the measuring device according to the invention for determining the armature stroke of a magnetic actuator and FIG. 5: a circuit diagram of a possible output stage for the device according to the invention of FIG. 4.

[0025] Anhand der Skizze der Fig. 1 soll zunächst die Lage des zu vermessenen Arbeitsluftspaltes verdeutlicht werden. Die Skizze der Fig. 1 zeigt einen Magnetaktuator 1 in Form eines Topfmagnets. Der Topfmagnet umfasst eine Spule 20, einen Magnetkörper 30 sowie den in axialer Richtung beweglich gelagerten Magnetanker 10. Der magnetische Kreis 60 des Magnetaktuators 1 schliesst sich über die Eisenschenkel des Magnetkörpers 30, den Arbeitsluftspalt 40, welcher in axialer Richtung zum Anker 10 liegt, und den dazu radial liegenden Parasitärluftspalt 50. With the aid of the sketch in FIG. 1, the position of the working air gap to be measured should first be clarified. The sketch in FIG. 1 shows a magnetic actuator 1 in the form of a pot magnet. The pot magnet comprises a coil 20, a magnet body 30 and the magnet armature 10, which is movably mounted in the axial direction. The magnetic circuit 60 of the magnet actuator 1 closes via the iron legs of the magnet body 30, the working air gap 40, which lies in the axial direction of the armature 10, and the parasitic air gap 50 lying radially in addition.

[0026] Durch Bestromung der Magnetspule 20 bildet sich ein magnetischer Fluss im Aktuator 1 aus, der eine magnetische Kraft im Arbeitsluftspalt 40 zur Folge hat. Durch die Magnetkraft wird der Anker 10 in axialer Richtung in Richtung des Magnetkörpers 30 gezogen, so dass sich die Spaltbreite des Arbeitsluftspaltes 40 bei gleichbleibender Querschnittsfläche verringert. Dadurch nimmt auch der magnetische Widerstand (Reluktanz) des Magnetkreises 60, der durch die Spaltbreite des Arbeitsluftspaltes 40 beeinflusst wird, ab. Die Spaltbreitenänderung des Arbeitsluftspalts, im Folgenden als Länge Δl bezeichnet, entspricht dem Ankerhub des Magnetaktuators 1. By energizing the magnetic coil 20, a magnetic flux forms in the actuator 1, which results in a magnetic force in the working air gap 40. The armature 10 is pulled in the axial direction in the direction of the magnet body 30 by the magnetic force, so that the gap width of the working air gap 40 is reduced while the cross-sectional area remains the same. As a result, the magnetic resistance (reluctance) of the magnetic circuit 60, which is influenced by the gap width of the working air gap 40, also decreases. The change in the gap width of the working air gap, hereinafter referred to as length Δl, corresponds to the armature stroke of the magnetic actuator 1.

[0027] Für die Rückstellbewegung des Ankers sorgt eine nicht dargestellte Rückstellfeder, deren Federkraft auf den Anker einwirkt und den Anker zurück in die Ausgangslage verschiebt, sobald die Federkraft die wirkende Magnetkraft übersteigt. A return spring, not shown, ensures the return movement of the armature, the spring force of which acts on the armature and moves the armature back into the starting position as soon as the spring force exceeds the acting magnetic force.

[0028] Die Grösse Δl hat einen signifikanten Einfluss auf das Schaltverhalten des Magnetaktuators 1, insbesondere dann, wenn dieser zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr in einer Verbrennungsmaschine eingesetzt wird, und muss daher bei der Aktuatorproduktion strengen Genauigkeitsanforderungen entsprechen. The quantity Δl has a significant influence on the switching behavior of the magnetic actuator 1, especially when it is used to control the fuel supply in an internal combustion engine, and must therefore meet strict accuracy requirements in the actuator production.

[0029] Im Folgenden wird nunmehr das erfindungsgemässe Verfahren näher beschrieben, dass sich zur präzisen Messung der Änderung Δl des Arbeitsspaltes 40 während des Schaltvorgangs eignet. In the following, the method according to the invention will now be described in more detail, which is suitable for precise measurement of the change Δl in the working gap 40 during the switching process.

[0030] Der grundsätzliche Ansatz des erfindungsgemässen Verfahrens liegt in der Spannungseinprägung des Magnetaktuators 1. Dabei wird der fertig verbaute Magnetaktuator 1 mit einem Spannungspuls der Höhe u1und der Ansteuerdauer T beaufschlagt. Die angelegte Aktuatorspannung u(t) sowie der Aktuatorstrom i(t) werden messtechnisch durch eine geeignete Prüfvorrichtung, wie sie zu einem späteren Zeitpunkt dieser Beschreibung noch detailliert beschrieben wird, erfasst. Der resultierende Verlauf der Aktuatorspannung u(t) sowie des Aktuatorstroms i(t) ist in den beiden Diagrammdarstellungen der Fig. 2 dargestellt, die jeweils die entsprechende Grösse über die Zeit zeigen. The basic approach of the method according to the invention lies in impressing the voltage of the magnetic actuator 1. A voltage pulse of the magnitude u1 and the activation duration T is applied to the completely installed magnetic actuator 1. The applied actuator voltage u (t) and the actuator current i (t) are measured using a suitable test device, as will be described in detail at a later point in this description. The resulting profile of the actuator voltage u (t) and of the actuator current i (t) is shown in the two diagrams of FIG. 2, which each show the corresponding variable over time.

[0031] Zum Zeitpunkt t1wird also der Spannungsimpuls mit der Höhe u1am Magnetaktuator 1 angelegt, wodurch der Magnetanker 10 axial in Richtung des Magnetkerns 30 gezogen wird. Zum Zeitpunkt t2, also nach Ablauf des Zeitintervalls T, wird die notwendige Schaltspannung wieder deaktiviert. At time t1, the voltage pulse with the height u1 is therefore applied to the magnetic actuator 1, as a result of which the magnet armature 10 is pulled axially in the direction of the magnet core 30. At the time t2, that is, after the time interval T has elapsed, the necessary switching voltage is deactivated again.

[0032] Für die Auswertung des gemessenen Spannungs- und Stromverlaufs ist vorab eine kurze Exkursion in die massgeblichen Zusammenhänge der physikalische Grössen notwendig. Die Aktuatorspannung u(t) und der Aktuatorstrom i(t) bilden die Grundlage für die Berechnung des Arbeitsluftspaltes Δl. Gemäss des elektrischen Ersatzschaltbildes des Magnetaktuators 1 in Form einer Serienschaltung aus Induktivität L und ohmschen Widerstand R ergibt sich folgender, einfacher Zusammenhang für den Aktuatorstrom und die Aktuatorspannung: For the evaluation of the measured voltage and current curve, a short excursion into the relevant relationships between the physical quantities is necessary beforehand. The actuator voltage u (t) and the actuator current i (t) form the basis for calculating the working air gap Δl. According to the electrical equivalent circuit diagram of the magnetic actuator 1 in the form of a series connection of inductance L and ohmic resistance R, the following simple relationship results for the actuator current and the actuator voltage:

[0033] Dabei stellt u1(t) die Induktionsspannung dar, welche sich aus der Ruheinduktions- und der Bewegungsinduktionsspannung zusammensetzt. Aus der Theorie ist bekannt, dass die induzierte Spannung u1(t) gleich der Ableitung des verketteten Flusses dψ(t) nach der Zeit t ist: Here u1 (t) represents the induction voltage, which is composed of the rest induction voltage and the motion induction voltage. From the theory it is known that the induced voltage u1 (t) is equal to the derivative of the linked flux dψ (t) after the time t:

Zusammen mit der Gleichung (1) und der Tatsache, dass sich der elektrische Gleichstromwiderstand R aus den stationären Endwerten i0und u0bestimmen lässt, ergibt sich für den magnetischen Fluss: Together with equation (1) and the fact that the electrical direct current resistance R can be determined from the stationary end values i0 and u0, the result for the magnetic flux is:

[0034] Der zeitliche Verlauf des Magnetflusses ist im ersten Diagramm der Fig. 3 dargestellt. The course of the magnetic flux over time is shown in the first diagram in FIG.

[0035] Wird nun ausschliesslich der Abschaltvorgang, d.h. das Zeitintervall mit t > t2betrachtet, so ist aus dem Zeitverlauf der Aktuatorspannung u(t) der Fig. 2 ersichtlich, dass sich aufgrund der elektromagnetischen Induktion zum Zeitpunkt t2die Polarität der Aktuatorspannung umkehrt. Dadurch nimmt gleichzeitig der Aktuatorstrom i(t) exponentiell bis zu dem Zeitpunkt ab, zu dem der Anker 10 des Magnetaktuators 1 durch die Rückstellfeder in die ursprüngliche Ausgangslage mit grösserem Arbeitsspalt 40 zurückbewegt wird. If only the shutdown process, i.e. Considering the time interval with t> t2, it can be seen from the time curve of the actuator voltage u (t) in FIG. 2 that the polarity of the actuator voltage is reversed due to the electromagnetic induction at time t2. As a result, the actuator current i (t) simultaneously decreases exponentially up to the point in time at which the armature 10 of the magnetic actuator 1 is moved back into the original starting position with a larger working gap 40 by the return spring.

[0036] Die Ermittlung der Änderung der Länge Δl des Arbeitsluftspaltes erfolgt aus dem beschriebenen Schaltvorgang. The change in the length Δl of the working air gap is determined from the switching process described.

[0037] Anhand Gleichung (3) wird der magnetische Fluss als Funktion der Zeit bestimmt. Der magnetische Fluss ist jedoch eine Funktion des Stroms und der Luftspaltlänge l. Mit Hilfe des Hopkinson’schen Gesetzes und der Annahme, das im Zeitintervall der Ankerbewegung, welches in der Grössenordnung von nur ca. 100 µs liegt, die Wirbelstromeinflüsse vernachlässigbar sind, kann der magnetische Widerstand, d.h. die Reluktanz des gesamten magnetischen Kreises 60 bestimmt werden. Using equation (3), the magnetic flux is determined as a function of time. However, the magnetic flux is a function of the current and the air gap length l. With the help of Hopkinson's law and the assumption that the eddy current influences are negligible in the time interval of the armature movement, which is in the order of magnitude of only approx. 100 µs, the magnetic resistance, i.e. the reluctance of the entire magnetic circuit 60 can be determined.

[0038] Wird nun ausschliesslich die Reluktanzänderung ΔRmim Zeitintervall der Ankerbewegung betrachtet, so kann angenommen werden, dass die gesamte Reluktanzänderung von der Änderung der Reluktanz im Arbeitsluftspalt 40 herrührt. Die Reluktanz im Arbeitsluftspalt 40 lässt sich dann nach folgender Gleichung berechnen: If only the reluctance change ΔRm in the time interval of the armature movement is considered, it can be assumed that the entire reluctance change is due to the change in reluctance in the working air gap 40. The reluctance in the working air gap 40 can then be calculated using the following equation:

wobei die Permeabilität µ0von Vakuum und die Querschnittsfläche A darstellt. Die Reluktanz im Parasitärluftspalt 50 kann demgegenüber als konstant betrachtet werden, da die Ankerbewegung keinen Einfluss auf die radiale Luftspaltlänge hat und die Querschnittsflächenänderung bei einer Arbeitsluftänderung von weniger als 100 µm verschwindend gering ist. Somit ergibt sich die Luftspaltänderung zu where is the permeability µ0 of vacuum and A is the cross-sectional area. In contrast, the reluctance in the parasitic air gap 50 can be regarded as constant, since the armature movement has no influence on the radial air gap length and the change in cross-sectional area is negligibly small with a change in the working air of less than 100 μm. Thus the change in air gap results to

[0039] Damit wird, wie im vorangegangenen Abschnitt erläutert, aus den aufgenommenen Signalen u(t) und i(t) über die einzelnen Zwischenschritte der zeitliche Verlauf der Reluktanz Rm(t) bestimmt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Reluktanz Rm(t) nach dem Abschaltzeitpunk t2wird die Delta-Reluktanz ΔRmermittelt, auf deren Grundlage durch Einsetzen in die Gleichung (6) der Luftspaltlängenunterschied Al und damit der Arbeitshub des Ankers 10 berechenbar ist. Für die Ermittlung der Delta-Reluktanz ΔRmmuss der zeitliche Verlauf der Reluktanz Rm(t) bei angezogenem Anker 10 bekannt sein. Der Vergleich der Reluktanzverläufe bei angezogenem und rückgestellten Anker 10, in der zweiten Diagrammdarstellung der Fig. 3 mit den Bezugszeichen 35, 36 gekennzeichnet, kann auf die Delta-Reluktanz ΔRmgeschlossen werden, die nur die die Änderung des Arbeitsluftspaltes 40 hervorgerufen wird. Thus, as explained in the previous section, the time course of the reluctance Rm (t) is determined from the recorded signals u (t) and i (t) via the individual intermediate steps. The delta reluctance ΔRmer is determined from the temporal course of the reluctance Rm (t) after the switch-off time t2, on the basis of which the air gap length difference A1 and thus the working stroke of the armature 10 can be calculated by inserting into equation (6). In order to determine the delta reluctance ΔRm, the time profile of the reluctance Rm (t) with the armature 10 tightened must be known. The comparison of the reluctance curves with the armature 10 tightened and reset, identified by the reference numerals 35, 36 in the second diagram of FIG. 3, can be deduced from the delta reluctance ΔRm, which is only caused by the change in the working air gap 40.

[0040] Der zeitliche Verlauf der Reluktanz 35 bei angezogenem Anker 10 kann auf verschiedene Arten ermittelt werden, so beispielsweise durch eine Extrapolationsmethode, der ein Modell für die Reluktanz zu Grunde liegt, oder unter Verwendung einer Musterfunktion, die aus einem Referenzaktuator ermittelt wird, oder durch eine Referenzmessung am selben Aktuator 1, wobei durch Anpassung der Rückstellfederkraft eine Verzögerung des Schliesszeitpunktes erwirkt wird. The time course of the reluctance 35 with the armature 10 tightened can be determined in various ways, for example by an extrapolation method based on a model for the reluctance, or using a pattern function that is determined from a reference actuator, or by a reference measurement on the same actuator 1, with a delay in the closing time being achieved by adapting the return spring force.

[0041] Eine Übersicht über die erfindungsgemässe Messvorrichtung zur Ermittlung des Arbeitsluftspaltes bzw. des Ankerhubes ist in Fig. 4 dargestellt. Für die Bedienung der Messvorrichtung dient ein üblicher Personalcomputer 100 mit einer entsprechenden softwareprogrammierten Bedienoberfläche 110. Der Rechner 100 kommuniziert über eine serielle Schnittstelle mit dem Mikroprozessor 130 des Hardwareboards der erfindungsgemässen Vorrichtung. Der Mikroprozessor 130 wird über die Spannungsversorgung 131 des Hardwareboards versorgt und generiert die notwendigen Steuersignale für die Ansteuerung der Endstufe 140. [0041] An overview of the measuring device according to the invention for determining the working air gap or the armature stroke is shown in FIG. A conventional personal computer 100 with a corresponding software-programmed user interface 110 is used to operate the measuring device. The computer 100 communicates via a serial interface with the microprocessor 130 of the hardware board of the device according to the invention. The microprocessor 130 is supplied via the voltage supply 131 of the hardware board and generates the necessary control signals for activating the output stage 140.

[0042] Die Spannungsversorgung 132 der Endstufe sorgt für die notwendige Schaltspannung des zu prüfenden Aktuators 1, der elektrisch mit der Endstufe 140 gekoppelt wird. Die erforderlichen Messmittel zur Messung der Aktuatorspannung u(t) und des Aktuatorstroms i(t) sind ebenfalls Bestandteil der Endstufe 140, wobei die analogen Messwerte zur Auswertung an den PC 100 übermittelt werden. Dieser umfasst eingangsseitig einen A/D-Wandler 111, der die bereitgestellten analogen Messsignale in Digitaldaten für die nachfolgende Analyse wandelt und letztendlich die gemessene Länge Δl des Aktuatorhubes ausgibt. The power supply 132 of the output stage provides the necessary switching voltage of the actuator 1 to be tested, which is electrically coupled to the output stage 140. The necessary measuring means for measuring the actuator voltage u (t) and the actuator current i (t) are also part of the output stage 140, the analog measured values being transmitted to the PC 100 for evaluation. On the input side, this includes an A / D converter 111 which converts the analog measurement signals provided into digital data for the subsequent analysis and ultimately outputs the measured length Δl of the actuator stroke.

[0043] Den Aufbau der Endstufe 140 zeigt die Schaltbilddarstellung der Fig. 5 . Der zu prüfende Aktuator 1 ist mit der Endstufe 140 elektrisch verbunden, wobei der Aktuator 1 durch sein Ersatzschaltbild 150 wiedergegeben ist. Die Endstufe umfasst die beiden Transistoren T1, 12, wobei exemplarisch in der Fig. 5 der Transistor T2 als MOSFET-Transistor und der Transistor T1 als Bipolartransistor ausgeführt ist. Der MOSFET-Transistor T2 ist in Serie mit dem zu prüfenden Aktuator verschaltet. Durch Schalten des MOSFET-Transistors T2 lässt sich die Spule L des Aktuators bestromen. Der Gateeingang des MOSFETs T2 wird über den Schalttransistor T1 gesteuert. Das Schaltsignal SIG an der Basis des Transistors T1 wird durch den Mikroprozessor 130 generiert. Die Schaltung des Transistors T1 schaltet gleichzeitig den MOSFET T2, so dass die Spule L des Aktuators bestromt wird und den Ankerhub auslöst. The structure of the output stage 140 is shown in the circuit diagram of FIG. 5. The actuator 1 to be tested is electrically connected to the output stage 140, the actuator 1 being represented by its equivalent circuit diagram 150. The output stage comprises the two transistors T1, 12, with the transistor T2 being implemented as a MOSFET transistor and the transistor T1 as a bipolar transistor in FIG. 5, for example. The MOSFET transistor T2 is connected in series with the actuator to be tested. By switching the MOSFET transistor T2, the coil L of the actuator can be energized. The gate input of the MOSFET T2 is controlled via the switching transistor T1. The switching signal SIG at the base of the transistor T1 is generated by the microprocessor 130. The switching of the transistor T1 switches the MOSFET T2 at the same time, so that the coil L of the actuator is energized and triggers the armature stroke.

[0044] Aufgrund der Induktionsspannung u1(t), welche sich nach dem Schliessen des MOSFETs T2 mit umgekehrter Polarität über dem Magnetaktuator einstellt, ist eine Freilaufdiode D1 parallel zum Aktuator geschaltet. Die Spannung u(t) wird direkt über dem Aktuator mit einer differenziellen Spannungsprobe erfasst. Der Aktuatorstrom i(t) wird durch Auswertung der über dem Messwiderstand Rmessabfallenden Spannung umess(t) bestimmt, wobei der Messwiderstand Rmessdeutlich kleiner ist als der ohmsche Gleichwiderstand R des Aktuators. Due to the induction voltage u1 (t), which occurs after closing the MOSFET T2 with reversed polarity over the magnetic actuator, a freewheeling diode D1 is connected in parallel to the actuator. The voltage u (t) is recorded directly above the actuator with a differential voltage test. The actuator current i (t) is determined by evaluating the voltage umess (t) dropping across the measuring resistor Rmess, the measuring resistor Rmess being significantly smaller than the ohmic direct resistance R of the actuator.

Claims

A method for determining the armature stroke of a magnetic actuator, in particular an injector for controlling the fuel injection of an internal combustion engine, comprising the following steps: Measuring the time course of the actuator voltage and of the actuator current during a switching operation, Determining the time course of the reluctance of the magnetic circuit of the magnetic actuator during the switching operation on the basis of the measured actuator voltage and the actuator current, Determination of the armature stroke on the basis of the resulting reluctance change in the time interval of the armature movement.

2. The method according to claim 1, characterized in that it is the switching process to the shutdown of the actuator and the actuator is pre-applied with a switching voltage pulse for a certain duration.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is in the reluctance change on the change of the magnetic resistance of the Aktuatormagnetkreises in the working air gap and the change of the gap width corresponds to the armature stroke.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reluctance change in the time interval of the armature movement is determined by a comparison of the time characteristic of the reluctance with armature movement with the time course of the reluctance without armature movement.

5. The method according to claim 4, characterized in that the time profile of the reluctance without armature movement is determined by extrapolation, in particular based on a model for the reluctance.

6. The method according to any one of claims 4 or 5, characterized in that the time profile of the reluctance is determined without armature movement based on a pattern function, in particular based on the reluctance curve of a Referenzmagnetaktuators.

7. The method according to any one of claims 4 to 6, characterized in that the time profile of the reluctance without armature movement is determined by a previous measurement on Magnetaktuator with adjusted return spring force, the adjustment in particular so takes place, so that the closing time is delayed.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that occurring eddy currents in the magnetic circuit are neglected during the armature movement.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is to be tested magnetic actuator is a linear actuator, in particular in the form of a pot magnet.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the method for the end of line testing produced magnetic actuators, in particular injectors is performed.

11. An apparatus for determining the armature stroke of a Magnetaktuators with means for performing the method according to any one of the preceding claims.

12. The device according to claim 11, characterized in that the device comprises an output stage with at least one power semiconductor, which is connected to the magnetic actuator to be tested in series and is switchable for energizing the actuator coil, wherein the control current of the power semiconductor is preferably controllable via a switching transistor ,

13. Device according to one of claims 11 or 12, characterized in that the device provides at least one parallel to the magnetic actuator to be tested freewheeling diode.

14. Device according to one of the preceding claims 11 to 13, characterized in that at least one with the actuator to be tested in series connected measuring resistor for measuring the actuator current is provided, wherein the measuring resistance value is much smaller than the DC resistance of the actuator.

15. End-of-line test rig with a device according to one of claims 11 to 14.