DE10019454A1 - Elektromagnetischer Stellantrieb - Google Patents

Elektromagnetischer Stellantrieb

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DE10019454A1
DE10019454A1 DE10019454A DE10019454A DE10019454A1 DE 10019454 A1 DE10019454 A1 DE 10019454A1 DE 10019454 A DE10019454 A DE 10019454A DE 10019454 A DE10019454 A DE 10019454A DE 10019454 A1 DE10019454 A1 DE 10019454A1
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Hidetaka Ozawa
Yasuo Shimizu
Chihaya Sugimoto
Minoru Nakamura
Jirou Fujimoto
Toshihiro Yamaki
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Abstract

Ein elektromagnetischer Stellantrieb (100) ist mit zwei Federn (16, 17) versehen, welche in entgegengesetzte Richtungen wirken, und einem Anker (22), der mit den Federn (16, 17) verbunden ist und in einer durch die zwei Federn (16, 17) vorgesehenen neutralen Position gehalten wird, wenn er in einem nicht aktivierten Zustand ist. Der Anker (22) ist mit einem mechanischen Element wie z.B. einem Ventil (20) eines Motors gekuppelt. Der Stellantrieb (100) umfaßt ein Paar von Elektromagneten (11, 13), welche den Anker (22) zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition treiben, und eine Energieversorgungseinrichtung, welche die Spannung, welche dem Elektromagneten (11, 13) zugeführt wird, der den Anker (22) anzieht, auf eine konstante Spannung steuert/regelt, wenn der Anker (22) von einer der Endpositionen zu der anderen Endposition getrieben wird. Die den Elektromagneten (11, 13) zugeführte Spannung wird auf einem konstanten Wert gehalten und je größer der Spalt zwischen dem Anker (22) und dem Joch (12, 14) ist und je kleiner die gegenelektromotorische Kraft ist, umso größer ist der einfließende Strom. Daher wird die elektromagnetische Spule mit einer größeren elektrischen Leistung versorgt, wenn der Spalt größer ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellantrieb, welcher ein mechanisches Element antreibt und insbesondere betrifft sie einen elek­ tromagnetischen Stellantrieb, der ein Einlaßventil oder ein Auslaßventil eines Motors antreibt, der beispielsweise in einem Auto oder einem Boot verwendet wird.
Elektromagnetische Stellantriebe, die dafür verwendet werden, die Einlaß- und Auslaßventile von Autos anzutreiben, in welchen ein Anker (be­ wegliches Eisenstück), der zwischen einem Paar von gegenüberliegenden Federn angeordnet ist, zwischen einer Endposition und der anderen Endposition angetrieben wird, indem elektrische Energie abwechselnd einem Paar von gegenüberliegenden Elektromagneten zugeführt wird, sind aus der japanischen Patentanmeldung Kokoku Nr. Sho 64-9827 und der japanischen Patentanmeldung Kokai Nr. Hei 8-284626 usw. bekannt.
Bei herkömmlichen elektromagnetischen Ventilen wird ein Anker (Ventil), welcher in Folge der Anziehung durch einen der Elektromagneten aufsitzt, aus dem aufsitzenden Zustand gelöst, indem die Energieversorgung zu dem Elektromagneten gestoppt wird und der Anker beginnt damit, sich zu einer neutralen Position hin zu bewegen, in welcher die entgegengesetzte Kraft von jeder der zwei gegenüberliegenden Federn ausbalanciert ist. Zu einem bestimmten Zeitpunkt in Synchronisation mit dieser Bewegung wird dem anderen der Elektromagneten elektrischer Strom zugeführt, um den Anker anzuziehen.
Während sich der Anker dem anderen der Elektromagneten nähert, nimmt der magnetische Fluß abrupt zu, wenn die Arbeit durch die Anziehungskraft des anderen der Elektromagneten die Summe von der geringen Arbeit, um den Anker durch den restlichen magnetischen Fluß des einen der Elek­ tromagneten zurückzuziehen, und eines mechanischen Verlustes über­ windet. Somit erreicht der Anker eine aufsitzende Position. Während das Aufsetzen stattfindet, wird ein Haltestrom mit einer geeigneten zeitlichen Einstellung zugeführt, um den Anker in der aufsitzenden Position zu halten.
In dem Ventilbetätigungssystem eines gewöhnlichen Automotors beträgt die Amplitude des Versatzes des oben erwähnten Ankers zwischen einem Paar von gegenüberliegenden Elektromagneten 6 bis 8 mm. Die Beziehung zwischen der Anziehungskraft der Elektromagneten und dem Spalt zwischen dem Anker und dem Joch ist erheblich nichtlinear, was einen stabilen Betrieb verhindert.
Bei einer tatsächlichen Ventilbetätigung variiert der mechanische Verlust, während sich die Motorlast und andere Faktoren ändern, so daß sich das Ausmaß der mechanischen Arbeit verändert, welches zum Aufsetzen des Ankers benötigt wird (Veränderung in der Richtung der Raumachse). Da es nicht einfach ist, eine konstante magnetische Kraft zum Halten des Ankers in der aufsitzenden Position beizubehalten, gibt es überdies einige Ver­ änderung im restlichen magnetischen Fluß, wenn der Anker gelöst wird. Daher verändert sich die Totzeit (Verzögerung: Leerlaufzeit, Verzögerungs­ zeit) von dem Zeitpunkt, an dem die Energieversorgung zu dem Elek­ tromagneten gestoppt wird, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Anker tatsächlich die aufsitzende Position verläßt (Veränderung in der Richtung der Zeitachse).
Ein herkömmliches Antriebsschema für einen elektromagnetischen Stellantrieb ist bezüglich solchen Veränderungen in der Richtung der Raumachse und Veränderungen in der Richtung der Zeitachse ziemlich instabil.
Die Antriebsbedingungen des Ankers in einem herkömmlichen elektroma­ gnetischen Stellantrieb werden unter Bezugnahme auf Fig. 4(A) be­ schrieben. Die Kurve (a) bezeichnet die Bewegung des Ankers. Die Position, die als 0 mm an der linken vertikalen Achse markiert ist, bezeichnet die erste Endposition. Die andere oder zweite Endposition ist 7 mm von der ersten Endposition angeordnet. Wenn der Anker von der ersten Endposition zur zweiten Endposition angetrieben wird, beginnt der Anker erst damit, sich zu der neutralen Position zu bewegen (wo die Kraft eines Paars von gegenüberliegenden Federn ausbalanciert ist), wenn der Strom zum Halten des Ankers in der ersten Endposition abgeschaltet wird. In Fig. 4(A) erreicht der Anker die neutrale Position in ungefähr 3 ms. Wenn der Anker die neutrale Position mehr oder weniger erreicht hat, wird ein konstanter Strom (b) (2 Ampere im Fall des vorliegenden Beispiels) dem zweiten Elektromagneten zugeführt, um eine Anziehungskraft (d) zu erzeugen, welche den Anker zur zweiten Endposition hin anzieht. Diese Anziehungs­ kraft (Kurve d) erreicht 600 Newton zu dem Zeitpunkt des Aufsetzens, welche die minimale Anziehungskraft von 300 Newton weit übersteigt, welche zur Anziehung des Ankers benötigt wird. Die Kurve (f) bezeichnet das Niveau der minimalen Anziehungskraft, welche benötigt wird, um den Anker aufzusetzen (diese ist dieselbe in den folgenden Figuren).
Die an dem zweiten Elektromagneten angelegte Spannung ist durch eine Kurve (c) angedeutet. Eine Rechteckwellenspannung mit einer Grund­ frequenz von 20 kHz oder höher wird mittels Pulsbreitenmodulation (PWM) von einer 100 Volt Energieversorgung angelegt, um einen konstanten Strom (b) beizubehalten. In der Figur ist dies durch eine mittlere Spannung (c) hinsichtlich eines Bewegungsmittelwerts angedeutet. Wenn der Anker aufsitzt, wird der der Spule zugeführte Strom auf einen Haltestrom von annähernd 0,5 Ampere umgeschaltet, wie in der Kurve (b) gezeigt ist.
Wenn sich die Reibung aus irgendeinem Grund erhöht, fällt die Anzie­ hungskraft ab. Fig. 4(B) zeigt die Anziehungskraft (d), die bei Zufuhr eines konstanten Stroms in einem Fall erhalten wird, wo die Reibung 1,5 mal der Standardreibung entspricht. In diesem Fall erreicht der Spitzenwert der Anziehungskraft nicht das für das Aufsetzen benötigte Niveau (f). Somit kann der Anker den Elektromagneten nicht erreichen oder auf diesem aufsitzen. Er wird zwischen den zwei Elektromagneten durch die Wirkung des Paars von Federn oszillieren, wie aus der Kurve (a) gesehen werden kann.
Die Gründe für dieses Problem sind wahrscheinlich folgende:
  • 1. Wenn der Anker gelöst wird, wird der Anker durch die potentielle Energie der Feder zum gegenüberliegenden Elektromagneten getrieben. Jedoch fällt als ein Ergebnis der Reibungszunahme der Anteil der potentiellen Energie der Feder, der in kinetische Energie des Ankers oder des Ventils umgewandelt wird, ab. Mit anderen Worten nimmt der Abstand ab, den der Anker ohne Energieversorgung zurücklegen kann.
Wenn der Anker von der aufsitzenden Position gelöst wird, bewegt er sich durch die potentielle Energie der Feder zum Elektromagneten auf der gegenüberliegenden Seite. Der Abstand, den der Anker zurücklegt, reduziert sich mit zunehmender Reibung. Somit wird der Spalt zwischen dem Anker und dem Joch größer, was bewirkt, daß die gegenelektromotorische Kraft, wie oben beschrieben, abnimmt. In der Erfindung wird die dem Elek­ tromagneten zugeführte Spannung auf einem konstanten Niveau gehalten. Wenn folglich die gegenelektromotorische Kraft abnimmt, fließt ein größerer Strom ein und die Leistungszufuhr (Klemmenspannung × Strom) zum Elektromagneten nimmt zu. Daher wird eine Verlangsamung der Zunahme des elektromagnetischen Flusses verhindert und eine große Anziehungskraft entwickelt sich. Folglich ist eine Erhöhung der Reibung kein Problem wie beim Stand der Technik.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt der elektromagnetische Stellantrieb zwei Federn, welche in entgegengesetzte Richtungen wirken, einen Anker, der mit den Federn verbunden ist und in einer durch die zwei Federn vorgesehenen neutralen Position gehalten wird, wenn er in einem nicht aktivierten Zustand ist. Der Anker ist mit einem mechanischen Element wie z. B. einem Ventil eines Motors gekuppelt. Der Stellantrieb umfaßt ein Paar von Elektromagneten, welche den Anker zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition antreiben und einen Puls­ modulationstreiber, der selektiv Spannungspulse mit einem variablen Tastverhältnis dem Paar von Elektromagneten zuführt.
Der Stellantrieb umfaßt ferner eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung, welche das Tastverhältnis so steuert/regelt, daß die zur Erzeugung einer ausreichenden Anziehungskraft zur Anziehung des Ankers benötigte elektrische Leistung (electric power) zugeführt wird, wenn der Anker von einer der Endpositionen zu der anderen Endposition getrieben wird. Die anzulegende elektrische Leistung kann im Voraus eingestellt werden. Daher ist es möglich, die Geschwindigkeit der Ankerbewegung zum weichen Auf­ setzen zu verringern und andere Steuerungen/Regelungen positiv zu beeinflussen.
Als nächstes werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; es stellen dar:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau des elektroma­ gnetischen Stellantriebs der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Beispiels eines elektromagnetischen Stellantriebs;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, das den Aufbau des PWM-Treibers zeigt;
Fig. 4 zeigt die Charakteristika, welche erhalten werden, wenn der elektromagnetische Stellantrieb mittels eines herkömmlichen Konstant­ stromsystems betrieben wird;
Fig. 5 zeigt die Charakteristika, welche während des Betriebs des elektromagnetischen Stellantriebs in einer Ausführungsform der Erfindung erhalten werden; und
Fig. 6 zeigt die Charakteristika, welche während des Betriebs des elektromagnetischen Stellantriebs in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erhalten werden.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau des elektromagne­ tischen Stellantriebs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ver­ anschaulicht. Die Steuer-/Regeleinrichtung 1 ist versehen mit einer Betriebs­ einheit (CPU) 2, einem Festspeicher (ROM) 3, der Steuer-/Regelprogramme und Daten speichert, einem Direktzugriffsspeicher (RAM) 4, der Daten vorübergehend speichert, und der den Betriebsarbeitsbereich der CPU 2 bereitstellt und einer Ein-Ausgabe-Schnittstelle 5.
Der Elektromagnet 10 bezeichnet einen ersten Elektromagneten 11 oder einen zweiten Elektromagneten 13 des in Fig. 2 gezeigten elektroma­ gnetischen Stellantriebs 100. Der PWM (Pulsbreitenmodulation)-Treiber 7 unterzieht die von einer Konstantspannungsenergieversorgung 6 zugeführte Spannung der Pulsbreitenmodulation gemäß Steuer-/Regelsignalen von der Steuer-/Regeleinrichtung 1 und führt die modulierte Spannung dem Elektromagneten 10 zu. Ein Spannungsdetektor 8 erfaßt die Spannung der dem Elektromagnet 10 zugeführten elektrischen Energie und ein Stromde­ tektor 9 erfaßt den Strom. Die Konstantspannungsenergieversorgung 6 ist eine Energieversorgung, welche die von der an dem Fahrzeug angebrachten Batterie zugeführte Spannung von 12 Volt erhöht und eine Konstant­ spannung von beispielsweise 30 bis 100 Volt zuführt.
Die Ein-Ausgabe-Schnittstelle 5 der Steuer-/Regeleinrichtung 1 empfängt Spannungssignale von dem Spannungsdetektor 8, Stromsignale von dem Stromdetektor 9, Pulssignale, welche einen Kurbelwellenwinkel und die Motordrehzahl (von einem Drehzahlsensor) anzeigen und Signale von einem Temperatursensor des elektromagnetischen Stellantriebs 100. Auf der Basis dieser Eingaben bestimmt die Steuer-/Regeleinrichtung 1 Parameter wie z. B. die Zeiteinstellung der elektrischen Energieversorgung, die Größe der zuzuführenden Spannung und die Dauer zum Anlegen der Spannung gemäß einem in dem ROM 3 gespeicherten Steuer-/Regelprogramm.
Wie in Fig. 3(A) gezeigt ist, ist der PWM-Treiber mit einem Zähler 41 ausgestattet, der von 0 bis 9 Taktpulse Cp einer Grundfrequenz von beispielsweise 100 kHz zählt, die durch einen inneren Taktgeber geliefert werden. Er ist auch mit einem voreinstellbaren Rückwärtszähler 42 mit derselben Zahl an Bits wie der Zähler 41 versehen. Der PWM-Treiber 7 erzeugt Pulse mit der Periode T1, d. h. der Zeit, in welcher der Zähler 41 eine volle Zählung der Taktpulse Cp durchführt, und mit einer Pulsbreite der Zeit T2, welche den Werten entspricht, die an den Programmeingabean­ schlüssen P1 bis P4 des Rückwärtszählers 42 gesetzt sind.
Nun auf Fig. 3(B) bezugnehmend, wird jedesmal, wenn der Zähler 41 zehn Taktpulse Cp zählt, eine CO1-Ausgabe ausgesendet und der Flip-Flop 43 gesetzt. Der Rückwärtszähler 42 wird mit der Programmeingabe von der Steuer-/Regeleinrichtung 1 zum selben Zeitpunkt wie der CO1-Ausgabe auf beispielsweise 0100 eingestellt und eine Rückwärtszählung initiiert. Wenn der Rückwärtszähler 42 null erreicht, sendet er eine CO2-Ausgabe aus und setzt den Flip-Flop 43 zurück. Somit wird ein Puls mit einer Pulsbreite, welche zu der Programmeingabe proportional ist, an der Q-Ausgabe des Flip-Flop 43 erhalten.
Der PWM-Treiber schaltet gemäß der Ausgabe Q des Flip-Flop die Spannung von beispielsweise 100 Volt, welche von der Konstantspannungsenergiever­ sorgung 6 zugeführt wird und führt einen Rechteckpuls mit einer Perioden­ breit T2 den Anschlüssen des Elektromagneten 10 zu. In diesem Beispiel besitzt der Rechteckpuls eine Pulsbreite der Periode T2, welche vier Taktpulsen entspricht. Die Periode T1 entspricht 10 Taktpulsen. Hierbei beträgt T2 40% von T1 und das Tastverhältnis des Rechteckpulses beträgt 40%. Der Rechteckpuls wird dem Elektromagneten 10 zugeführt.
Die Steuer-/Regeleinrichtung 1 treibt den PWM-Treiber 7 mit einer vor­ bestimmten Zeiteinstellung gemäß einem in dem ROM 3 gespeicherten Steuer-/Regelprogramm. Darüber hinaus überwacht die Steuer-/Regel­ einrichtung 1 den Wert der Spannung, die vom Spannungsdetektor 8 gesendet wird. Wenn die Spannung unter einen bestimmten Wert abfällt, erhöht die Steuer-/Regeleinrichtung 1 den Wert der Programmeingabe, die in dem Rückwärtszähler 42 von dem PWM-Treiber 7 gesetzt wird, um das Tastverhältnis der Spannungspulse zu erhöhen. Darüber hinaus reduziert die Steuer-/Regeleinrichtung 1 den Wert der in den Rückwärtszähler 42 eingestellten Programmeingabe, um das Tastverhältnis der Spannungspulse zu senken, wenn der von dem Spannungsdetektor 8 gesendete Wert der Spannung einen bestimmten Wert übersteigt. Als ein Ergebnis der Reaktion auf Spannungsveränderungen wird die Spannung, welche den Elek­ tromagneten 10 antreibt, auf einen konstanten Wert gesteuert/geregelt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die elektrische Energie, welche verwendet wird, um den Anker in einer aufsitzenden Position zu halten, als ein konstanter Strom zugeführt. In diesem Betriebsmodus sendet die Steuer- /Regeleinrichtung 1 ein Steuer-/Regelsignal zu dem PWM-Treiber 7, um die Konstantspannungsenergieversorgung auf eine 12 Volt Energieversorgung umzuschalten und ein Spannungspuls mit einem Wellenhöhenwert von 12 Volt wird dem Elektromagneten 10 zugeführt. Die Steuer-/Regeleinrichtung 1 überwacht den von dem Stromdetektor 9 gesendeten Stromwert und steuert/regelt das Tastverhältnis der Spannungspulse so, daß ein konstanter Strom den Anschlüssen des Elektromagneten 10 zugeführt wird.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, welche den schematischen Aufbau des elektromagnetischen Stellantriebs zeigt, der durch die Steuer-/Regeleinrich­ tung der Erfindung angetrieben wird. Der Aufbau dieses elektromagneti­ schen Stellantriebs selbst gehört zum Stand der Technik. Wenn das Ventil 20 durch den elektromagnetischen Stellantrieb 100 nach oben getrieben wird, wird es in einer Position gestoppt, wo es fest auf einem Ventilsitz 31 aufsitzt, der in einer Motoreinlaßöffnung oder -auslaßöffnung (nachfolgend als "Einlaß-/Auslaßöffnung" bezeichnet) 30 eingebaut ist, so daß die Einlaß- /Auslaßöffnung 30 geschlossen wird. Wenn das Ventil 20 durch den elektromagnetischen Stellantrieb 100 nach unten getrieben wird, verläßt das Ventil 20 den Ventilsitz 31 und wird zu einer Position gesenkt, welche von dem Ventilsitz 31 um einen festgesetzten Abstand getrennt ist, so daß die Einlaß-/Auslaßöffnung geöffnet wird.
Der Ventilschaft 21, der sich von dem Ventil 20 aus erstreckt, ist in einer Bohrung einer Ventilführung 23 gehalten, um ihm zu ermöglichen, sich in einer axialen Richtung zu bewegen. Ein scheibenartiger Anker 22 aus einem weichen magnetischen Material ist an dem oberen Ende des Ventilschafts 21 angebracht. Eine erste Feder 16 und eine zweite Feder 17 halten gemeinsam den Anker 22 in der Mitte des Raums zwischen einem ersten Elektromagneten 11 und einem zweiten Elektromagneten 13.
Der erste Elektromagnet 11 vom Solenoidtyp, der oberhalb des Ankers 22 angeordnet ist und der zweite Elektromagnet 13 vom Solenoidtyp, der unter dem Anker 22 angeordnet ist, sind innerhalb des Gehäuses 18 des elektromagnetischen Stellantriebs 100 eingebaut. Das Gehäuse 18 besteht aus einem nicht-magnetischem Material.
Die erste Feder 16 und die zweite Feder 17 sind in einer ausbalancierten Anordnung so eingebaut, daß der Anker 22 in der Mitte des Spalts zwischen dem ersten Elektromagneten 11 und dem zweiten Elektroma­ gneten 13 gehalten ist, wenn kein Antriebsstrom entweder an dem ersten Elektromagneten 11 oder dem zweiten Elektromagneten 13 angelegt ist.
Das Antriebsschema des elektromagnetischen Stellantriebs 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben. Fig. 5(A) zeigt die Beziehung des Ankerhubs (a), welche die Bewegung des Ankers 22 unter einem Standartreibungszustand bezeichnet. Der Strom, der dem Elektromagneten zugeführt wird, ist durch die Kurve (b) gezeigt und die Spannung, welche den Elektromagneten zugeführt wird, ist durch die Kurve (c) gezeigt. Die Anziehungskraft, welche durch die Elektromagneten erzeugt wird, ist durch die Kurve (d) gezeigt.
Wenn der dem zweiten Elektromagneten 13 zugeführte Haltestrom gestoppt wird, wenn der Anker 22 an dem zweiten Joch 14 aufsitzt und das Ventil 20 geöffnet ist, wird der Anker 22 von dem zweiten Joch 14 gelöst und beginnt damit, sich zum ersten Elektromagneten hin mittels einer potentiel­ len Energie der ersten Feder 16 und der zweiten Feder 17 zu bewegen. Etwa zu dem Zeitpunkt, an dem der Anker die neutrale Position erreicht, in welcher die Kräfte der ersten und zweiten Federn ausbalanciert sind (3 ms nachdem der Anker beginnt, sich zu bewegen) sendet die Steuer-/Regel­ einrichtung 1 ein Steuer-/Regelsignal zu dem PWM-Treiber 7, um eine konstante Spannung (c) an dem ersten Elektromagneten 11 anzulegen.
Wenn die Spannungszufuhr initiiert wird, ist der Spalt zwischen dem Anker und dem Joch groß. Somit ist eine in dem ersten Elektromagneten 11 erzeugte gegenelektromotorische Kraft klein. Da die dem Elektromagneten 11 zugeführte Spannung auf einen konstanten Wert gesteuert/geregelt wird, erhöht sich der von dem PWM-Treiber 7 zugeführte Strom, wie aus der Kurve (b) zu sehen ist, wenn sich die elektrische Last reduziert.
Folglich erhöht sich die Zufuhr an elektrischer Leistung (Klemmenspannung × Strom) in die Elektromagneten. Daher erhöht sich der durch den ersten Elektromagneten 11 erzeugte magnetische Fluß und eine Anziehungskraft nimmt, wie durch die Kurve (d) in Fig. 5(A) gezeigt, zu.
Wenn der Anker 22 den Elektromagneten 11 erreicht und aufsitzt, wird die Zufuhr der konstanten Spannung gestoppt und das System schaltet zu einem Konstantstrommodus um. In dem Konstantstrommodus wird ein Haltestrom von ungefähr 0,5 Ampere an der Spule des Elektromagneten 11 angelegt. In den Fig. 5(A) und 5(B) wird das Schalten zum Kon­ stantstrommodus bei etwa 5,2 ms durchgeführt. Es ist im Stand der Technik gut bekannt, an dem Elektromagneten einen Haltestrom anzulegen, während der Anker 22 aufsitzt.
Fig. 5(A) zeigt die Charakteristika unter Standardreibungsbedingungen. Fig. 5(B) zeigt die Charakteristika, wenn die Reibung des Ankers 1,5 × höher als die Standardreibung ist. Da die Reibung des Ankers groß ist, ist im Fall der Fig. 5(B) der Abstand, um welchen sich der Anker mittels einer Federenergie bewegt, nachdem der Anker von dem zweiten Elektromagne­ ten 13 gelöst ist, kleiner als in dem Fall der Standardreibung. In Folge dessen ist zu dem Zeitpunkt, zu dem die Konstantspannung an dem ersten Elektromagneten 11 angelegt wird, der Spalt zwischen dem Anker und dem ersten Elektromagneten größer wie in dem Fall des Standardreibungs­ zustands. Als ein Ergebnis ist die in dem ersten Elektromagneten 11 erzeugte gegenelektromotorische Kraft kleiner als in dem Fall des Standard­ reibungszustands. Der PWM-Treiber 7 steuert/regelt die an dem ersten Elektromagneten 11 angelegte Spannung (c) auf ein konstantes Niveau. Wenn somit die gegenelektromotorische Kraft klein ist, fließt ein ent­ sprechend größerer Strom (b) in den ersten Elektromagneten 11. Somit erzeugt der erste Elektromagnet 11 eine große Anziehungskraft (d), um den Anker 22 zum ersten Elektromagneten 11 hin anzuziehen. Folglich führt eine erhöhte Reibung nicht zu einem instabilen Betrieb des Stellantriebs wie in dem Fall eines herkömmlichen Antriebsschemas von der oben unter Bezug auf Fig. 4 beschriebenen Art.
Zu dem Zeitpunkt, wenn der Anker 22 auf dem Joch des ersten Elek­ tromagneten 11 aufsitzt oder unmittelbar vor dem Aufsitzen wird das Anlegen der Konstantspannung an der Spule des ersten Elektromagneten 11 gestoppt und das System schaltet um, um einen Haltestrom von ungefähr 0,5 Ampere anzulegen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Zeitveränderung der den Elektromagneten zugeführten elektrischen Leistung (electric power) zuvor eingestellt und das Tastverhältnis der den Elektromagneten zu­ geführten Konstantspannungspulse wird so gesteuert/geregelt, daß die zugeführte elektrische Leistung sich nach der voreingestellten Zeitver­ änderung richtet. Wiederum auf Fig. 1 bezugnehmend steuert/regelt die Steuer-/Regeleinrichtung 1 im konkreten Sinne den PWM-Treiber 7, um das Tastverhältnis zu erhöhen, wenn die zugeführte elektrische Leistung, welche als das Produkt des durch den Stromdetektor 9 erfaßten Spulenstroms und dem durch den Spannungsdetektor 8 erfaßten mittleren Spannung erhalten wird, kleiner als der Wert der entsprechenden elektrischen Leistung in dem voreingestellten elektrischen Energieversorgungsschema ist. Wenn anderer­ seits die zugeführte elektrische Leistung größer als der Wert der ent­ sprechenden elektrischen Leistung in dem voreingestellten elektrischen Energieversorgungsschema ist, steuert/regelt die Steuer-/Regeleinrichtung 1 den PWM-Treiber 7, um das Tastverhältnis zu verringern. Da das Tast­ verhältnis der Spannungspulse dazu veranlaßt wird, sich um einen großen Betrag zu verändern, verändert sich bei dieser Ausführungsform die den Elektromagneten zugeführte mittlere Spannung mit der Zeit.
Fig. 6 zeigt die Beziehung des Ankerhubs (a), des Stroms (b), der Spannung (c), der Anziehungskraft (d) und der elektrischen Leistung (e) in der Ausführungsform. Die Spannung wird in Form eines Konstantspan­ nungspulses mit einem variablen Tastverhältnis zugeführt. Sie ist in der Figur als ein Mittelwert gezeigt. In diesem Beispiel ist die Steuer-/Regel­ einrichtung so programmiert, daß die elektrische Leistung mit einem Schema, wie mit dem, das durch die Kurve (e) angedeutet ist, an den Elektromagneten angelegt wird, wenn der Anker die neutrale Position erreicht.
In der Ausführungsform wird das elektrische Energieversorgungsschema zur Anziehung des Ankers in die Endpositionen im Voraus programmiert und die elektrische Leistung, die sich nach dem programmierten Schema richtet, wird den Elektromagneten zugeführt. Folglich reduziert es den durch Ver­ änderungen in der Reibung verursachten instabilen Betrieb, wie er im Stand der Technik gefunden wurde. Darüber hinaus kann das Schema der zugeführten elektrischen Leistung im Voraus programmiert werden, so daß der Anker auf den Elektromagneten sanft aufgesetzt werden kann, ohne einen übermäßigen Aufprall gegen das Joch des Elektromagneten zu verursachen.
Wenn der Anker aufsitzt, oder unmittelbar vor dem Aufsetzen des Ankers wird die Energieversorgung der Elektromagneten in einen Modus umge­ schaltet, um einen Haltestrom von ungefähr 0,5 Ampere zuzuführen.
Es ist verständlich, daß die Erfindung in anderen Formen ausgeführt sein kann, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die obigen Ausführungsformen dient nur der Erläuterung und nicht der Beschränkung.
Ein elektromagnetischer Stellantrieb 100 ist mit zwei Federn 16, 17 versehen, welche in entgegengesetzte Richtungen wirken, und einem Anker 22, der mit den Federn 16, 17 verbunden ist und in einer durch die zwei Federn 16, 17 vorgesehenen neutralen Position gehalten wird, wenn er in einem nicht aktivierten Zustand ist. Der Anker 22 ist mit einem mechani­ schen Element wie z. B. einem Ventil 20 eines Motors gekuppelt. Der Stellantrieb 100 umfaßt ein Paar von Elektromagneten 11, 13, welche den Anker 22 zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition treiben, und eine Energieversorgungseinrichtung, welche die Spannung, welche dem Elektromagneten 11, 13 zugeführt wird, der den Anker 22 anzieht, auf eine konstante Spannung steuert/regelt, wenn der Anker 22 von einer der Endpositionen zu der anderen Endposition getrieben wird. Die den Elektromagneten 11, 13 zugeführte Spannung wird auf einem konstanten Wert gehalten und je größer der Spalt zwischen dem Anker 22 und dem Joch 12, 14 ist und je kleiner die gegenelektromotorische Kraft ist, umso größer ist der einfließende Strom. Daher wird die elektromagnetische Spule mit einer größeren elektrischen Leistung versorgt, wenn der Spalt größer ist.

Claims (14)

1. Elektromagnetischer Stellantrieb umfassend:
zwei Federn (16, 17), welche in entgegengesetzte Richtungen wirken;
einen Anker (22), der mit den Federn (16, 17) verbunden ist und in einer durch die zwei Federn (16, 17) vorgesehenen neutralen Position gehalten wird, wenn er in einem nicht aktivierten Zustand ist, wobei der Anker (22) mit einem mechanischen Element (20) verbunden ist;
ein Paar von Elektromagneten (11, 13) zum Antrieb des Ankers (22) zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition; und
eine Steuer-/Regeleinrichtung (1) zum Steuern/Regeln der einem der Elektromagneten (11, 13) zugeführten Spannung auf eine konstante Spannung, wenn jeder der Elektromagneten (11, 13) aktiviert wird, um den Anker (22) von einer der Endpositionen zur anderen der Endpositionen anzuziehen.
2. Elektromagnetischer Stellantrieb gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
einen Spannungsdetektor (8), der mit jedem der Elektromagneten (11, 13) zur Erfassung der daran angelegten Spannung verbunden ist; und
einen Pulsbreitenmodulationstreiber (7), der auf Signale von der Steuer-/Regeleinrichtung (1) zur Erzeugung einer pulsbreitenmo­ dulierten Ausgabe reagiert, welche an einem ausgewählten der Elektromagneten (11, 13) anzulegen ist.
3. Elektromagnetischer Stellantrieb gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-/Regeleinrichtung (1) in Abhängigkeit von der durch den Spannungsdetektor (8) erfaßten Spannung das Tastverhältnis der Ausgabe des Pulsmodulationstreibers (7) so steuert/regelt, daß die an dem ausgewählten der Elektromagneten (11, 13) angelegte Spannung konstant gehalten wird.
4. Elektromagnetischer Stellantrieb gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet durch: eine Konstantspannungsenergiequelle (6), um dem Pulsbreitenmo­ dulationstreiber (7) eine konstante Spannung zuzuführen.
5. Elektromagnetischer Stellantrieb zum Antrieb von Ventilen (20) eines Motors, umfassend:
zwei Federn (16, 17), welche in entgegengesetzte Richtungen wir­ ken;
einen Anker (22), der mit den Federn (16, 17) verbunden ist und in einer durch die zwei Federn (16, 17) vorgesehenen neutralen Position gehalten wird, wenn er in einem nicht aktivierten Zustand ist, wobei der Anker (22) mit einem der Ventile (20) verbunden ist;
ein Paar von Elektromagneten (11, 13) zum Antrieb des Ankers (22) zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition;
einen Pulsbreitenmodulationstreiber (7) zur Zufuhr eines Spannungs­ pulses mit einem variablen Tastverhältnis; und
eine Steuer-/Regeleinrichtung (1), um das Tastverhältnis so zu steu­ ern/regeln, daß die elektrische Energie, welche benötigt wird, um eine ausreichende Anziehungskraft zu erzeugen, dem ausgewählten der Elektromagneten (11, 13) zugeführt wird, wenn der Anker (22) von einer der Endpositionen zu der anderen Endposition getrieben wird.
6. Elektromagnetischer Stellantrieb gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte der Elektromagneten (11, 13) in einem Konstantspannungsmodus aktiviert wird, um den Anker (22) daran anzuziehen und der ausgewählte der Elektromagneten (11, 13) in einem Konstantstrommodus aktiviert wird, wenn der Anker (22) darauf aufsitzt.
7. Elektromagnetischer Stellantrieb gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch:
einen mit jedem der Elektromagneten (11, 13) zur Erfassung der daran angelegten Spannung verbundenen Spannungsdetektor (8); und
einen mit jedem der Elektromagneten (11, 13) zur Erfassung des darin fließenden Stroms verbundenen Stromdetektor(9).
8. Elektromagnetischer Stellantrieb gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-/Regeleinrichtung (1) in Abhängigkeit von der durch den Spannungsdetektor (8) erfaßten Spannung das Tastverhältnis der Ausgabe des Pulsmodulationstreibers (7) so steuert/regelt, daß die an dem ausgewählten der Elektromagneten (11, 13) angelegte Spannung konstant gehalten wird, wenn der Anker (22) an den ausgewählten der Elektromagneten (11, 13) angezogen werden soll.
9. Elektromagnetischer Stellantrieb gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-/Regeleinrichtung (1) in Abhängigkeit von der durch den Stromdetektor (9) erfaßten Strom den Pulsmodula­ tionstreiber (7) so steuert/regelt, daß der dem ausgewählten der Elektromagneten (11, 13) zugeführte Strom konstant gehalten wird, wenn der Anker (22) auf dem ausgewählten der Elektromagneten (11, 13) aufsitzt.
10. Elektromagnetischer Stellantrieb gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-/Regeleinrichtung (1) so programmiert ist, daß dem ausgewählten der Elektromagneten (11, 13) in einem vorbestimmten Schema elektrische Energie zugeführt wird, wenn der Anker (22) zu dem ausgewählten der Elektromagneten (11, 13) hingezogen werden soll.
11. Verfahren zum Antrieb eines Ventils eines Motors mit einem elektromagnetischen Ventilstellantrieb mit einem ersten Elektroma­ gneten (11) zum Schließen des Ventils und einem zweiten Elektro­ magneten (13) zum Öffnen des Ventils umfassend die Schritte:
Aktivieren des ersten Elektromagneten (11) mit einer konstanten Spannung, um das Ventil (20) von einer offenen Position in eine ge­ schlossene Position anzutreiben;
Abschalten der konstanten Spannung, wenn das Ventil (20) die geschlossene Position erreicht; und
Zufuhr eines konstanten Stroms zum ersten Elektromagneten (11), um das Ventil (20) in der geschlossenen Position zu halten, wenn das Ventil (20) die geschlossene Position erreicht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Aktivierung des ersten Elektromagneten (11) den Schritt zur Steuerung/Regelung eines Tastverhältnisses von elektrischen Pulsen umfaßt, welche dem ersten Elektromagneten (11) zur Erzeu­ gung einer ausreichenden Anziehungskraft zuzuführen sind.
13. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Schritte:
Abschalten des dem ersten Elektromagneten (11) zugeführten konst­ anten Stroms; und
Aktivieren des zweiten Elektromagneten (13) mit einer zweiten kon­ stanten Spannung, um das Ventil (20) von der geschlossenen Posi­ tion zur offenen Position anzutreiben.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Schritte:
Abschalten der zweiten konstanten Spannung, wenn das Ventil (20) die offene Position erreicht; und
Zufuhr eines konstanten Stroms zum zweiten Elektromagneten (13), um das Ventil (20) in der offenen Position zu halten, nachdem das Ventil (20) die offene Position erreicht hat.
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