DE10050309A1

DE10050309A1 - Elektromagnetischer Aktuator

Info

Publication number: DE10050309A1
Application number: DE10050309A
Authority: DE
Inventors: Thomas Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-11

Abstract

Es wird ein elektromagnetischer Aktuator beschrieben mit zwei Elektromagneten und einem Anker, dessen durch die Elektromagnete verursachte Bewegung auf den Schaft eines Ventils eines Motors übertragen wird. DOLLAR A Der Einschaltimpuls des Magneten, der gerade als Fangmagnet wirkt, insbesondere dessen Einschaltzeitpunkt, wird so bemessen, daß der Aktuator eine etwa minimale Leistungsaufnahme aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein derartiger Aktuator ist aus der EP 1001142A bekannt.

Die Ansteuerung der Elektromagnete erfolgt in der Regel derart, daß möglichst kurze Flugzeiten (das ist der Zeitraum für die Bewegung des Ankers von den Polen des einen Elektromagneten zu den Polen des anderen Elektromagneten) erreicht wer den. Die Flugzeit ist bei gegebener Auslegung der Federkräfte und der bewegten Masse des Systems abhängig von den mechanischen Verlusten. Während sich bei geringen mechanischen Verlusten die Flugzeit im wesentlichen aus der Eigenfre quenz des Feder-Masse-Schwingers bestimmt, steigt die Flugzeit mit zunehmenden mechanischen Verlusten an.

Zur Erreichung einer möglichst kurzen Flugzeit wird nach dem Abschalten der Erre gerspule des Haltemagneten die Erregerspule des Fangmagneten frühzeitig einge schaltet. Die Einschaltzeitdauer und die Höhe des Stroms wird derart bemessen, daß der Anker mit einer vorgegebenen möglichst kleinen Auftreffgeschwindigkeit auf die Pole des Fangmagneten auftrifft.

Aus Fig. 2 der genannten Schrift ist erkennbar, daß der Einschaltzeitpunkt der Erre gerspule des Fangmagneten t_n in einem kurzen Abstand zum Abschaltzeitpunkt der Erregerspule des Haltemagneten t_m2 liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen elektromagnetischen Aktuator in Richtung einer möglichst geringen Leistungsaufnahme zu optimieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Lehre wird bewußt auf eine Auslegung mit möglichst kurzer Flugzeit des Ankers verzichtet, um die Leistungsaufnahme des Aktuators zu verringern. Diese Auslegung kann zumindest bei Teillastbetrieb des Motors ange wendet werden. Bei Vollast und hoher Drehzahl ist die Flugzeit bei Regelung auf mi nimale Leistungsaufnahme zu lang. Es wird deshalb vorgeschlagen, die erfindungs gemäße Bemessung bei Vollast zu verlassen und auf einen Betrieb mit möglichst kurzer Flugzeit umzuschalten. Als Umschaltkriterium kann ein von der Gaspedalstel lung abgeleitetes Lastsignal oder ein von der Motorsteuerung abgeleitetes Lastsignal oder auch die Drehzahl des Motors dienen, wobei auch das Lastsignal zusammen mit der Drehzahl als Kriterium dienen kann.

Die elektrische Leistungsaufnahme des Elektromagneten kann reduziert werden, in dem die Einschaltzeit der Erregerspule, das Maximalstromniveau, sowie die Ein schaltzeitdauer optimiert wird. Ein aus Energiebetrachtungen optimaler Einschaltim puls führt in der Regel zu einer Verzögerung der Flugzeit. Da die Flugzeit in großen Bereichen der Motorkennfelder sich nicht auf die Motorleistung auswirkt, ist ein Um schalten auf energieminimalen Betrieb sinnvoll.

Der energieminimale Einschaltimpuls kann durch ein vorab durch Simulation oder aus Erprobung gewonnenes Kennfeld bestimmt werden. Aus dem Kennfeld kann in Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes der energieoptimale Einschaltimpuls ermittelt werden. Auch oder in Ergänzung kann der energieoptimale Einschaltimpuls durch Auswertung der elektrischen Energieaufnahme des vorangegangenen Motorzyklus oder der vorangegangenen Motorzyklen ermittelt werden. Dazu muß der zeitliche Stromverlauf, als auch die Versorgerspannung ausgewertet werden. Die Optimierung erfolgt durch Adaption der Einschaltimpulse, bis das Energieoptimum erreicht ist.

Anhand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator mit Ansteuerung,

Fig. 2 bis 4 Diagramme zur Erläuterung des Erfindungsgedankens.

In Fig. 1 ist ein elektromagnetischer Aktuator gezeigt, der aus zwei Magneten 1 und 2 und einem am rechten Ende gelagerten Hebel 3 mit integriertem Anker 4 besteht.

Das linke Hebelende wirkt auf den Schaft eines Ventils 5. Die auf den Hebel 3 ein wirkenden Federkräfte werden durch eine Ventilfeder 6 und ein auf den Hebel 3 ein wirkendes Drehrohr 7 gebildet. Der Aktuator wird von einer Ventilsteuerung 8 mit nachgeschalteten Endstufen 9 angesteuert.

Fig. 2 zeigt ausgezogen den typischen Verlauf A eines Ventilhubes über der Zeit.

Fig. 3 zeigt den zugehörigen Stromverlauf i. Zum Zeitpunkt t_ab wird der eine Magnet, z. B. der Schließmagnet abgeschaltet. Die Federkräfte bewegen das System in Richtung der andern Endlage. Zum Zeitpunkt t_E1 wird der Öffnungsmagnet einge schaltet. Nach Erreichen einer bestimmten Stromhöhe wird der Strom in diesem Bei spiel getaktet. Zu einem vom Regler bestimmten Zeitpunkt t_A1 wird der Magnet abge schaltet. Der Strom klingt nach dem Abschalten entsprechend der anliegenden Ab schaltspannung ab. Zu dem Zeitpunkt t_S1 liegt der Anker an der Polfläche des ande ren Elektromagneten an und wird zur Verhinderung des Ankerabfallens mit einem getakteten Haltestrom I_H gehalten. Die Aufgabe des Reglers besteht darin, unter Auswertung eines Wegsignals eine möglichst kleine Ventil- bzw. Ankergeschwindig keit in der Endstellung zu erreichen.

Neue Simulationen der Dynamik des Systems haben ergeben, daß die elektrische Leistungsaufnahme stark, das heißt bis zu 40 Prozent vom Einschaltimpuls der Erre gerspule des Fangmagneten abhängt. Durch den Einschaltimpuls werden die in der Flugphase auftretenden mechanischen Verluste kompensiert und es wird sicherge stellt, daß der Anker mit geringen Auftreffgeschwindigkeiten die andere Endlage er reicht.

Der Einschaltimpuls ist definiert durch den Strom-Zeit-Verlauf der Erregerspule des Fangmagneten ab dem Einschaltzeitpunkt t_E bis zum Anliegen des Ankers an der Polfläche des Fangmagneten.

Der Einschaltimpuls kann vereinfacht definiert werden durch den Einschaltzeitpunkt (t_E1), das Maximalstromniveau (I₁) und die Einschaltzeitdauer der Erregerspule des Fangmagneten (Δt₁), sowie der Abschaltspannung zwischen Abschaltzeitpunkt t_A1 und Ankerauftreffen t_S1.

Entsprechend dem Erfindungsgedanken wird nun bei Teillast oder Vollast bei gerin ger Drehzahl auf möglichst kurze Flugzeit verzichtet, und erst zum Zeitpunkt t_E2 oder t_E3 (Fig. 3) wird der Magnet eingeschaltet. Dementsprechend ergibt sich eine längere Flugzeit (Kurve A₁), so daß das Ventil erst zum Zeitpunkt t_S2 die Endstellung erreicht. Auch hier wird nach Erreichen einer bestimmten Stromhöhe I₂ der Strom getaktet, welcher dann vom Regler zum geeigneten Zeitpunkt t_A2 abgeschaltet wird, um auch hier minimale Auftreffgeschwindigheiten des Ventils in der Endlage zu erreichen. Zum Zeitpunkt t_S2 wird auch hier das Haltestromniveau erreicht. Anstelle des getak teten Stromes kann auch bei geringen mechanischen Verlusten ungetaktet gefahren werden (Kurve A3), indem die Gegeninduktion den Strom begrenzt. Auch wird häufig beim Auftreffen in die Endlage ein, eine kurze Zeit dauernder, Stromüberschuß (sh. A21) angewendet und anschließend erst auf getakteten Haltestrom umgeschal tet.

Fig. 4 zeigt den Verlauf der elektrischen Leistungsaufnahme als Funktion der Ein schaltzeit t_E. Zum Zeitpunkt t_E3 ist das Minimum der Leistungsaufnahme erreicht. Dieser Wert kann aus einem Simulationskennfeld entnommen werden. Diesen Wert kann das System auch individuell über den Rechner der Aktuatoransteuerung ermit teln, indem neben der Versorgerspannung das Strom-Zeit-Integral der Ansteuerung in den Zyklen ausgewertet wird (iterative Bestimmung des optimalen Zeitpunkts).

Nach Erreichen des minimalen Wertes steigt die Leistung wieder an, was damit er klärbar ist, daß der Anker, bzw. das Ventil bei zu später Einschaltung die Endlage nicht erreicht und vorher umkehrt, was dann zu erhöhter Fangleistung führt. Es ist für einen optimierten Aktuator also vorteilhaft den Magneten erst etwa bei t_E3 einzu schalten. Vorteilhaft ist ein kleiner Sicherheitszuschlag, so daß der tatsächliche Ein schaltzeitpunkt t_E2 kurz vor dem Leistungsminimum (bei t_E3) liegt.

Fig. 1 beinhaltet die entsprechende Ansteuerung. Block 10 beinhaltet die Motor steuerung, Block 8 die Aktuatorsteuerung inkl. den Reglern für die einzelnen Aktuato ren. Mit 11 ist das Gaspedal bezeichnet, dem ein Vollastschalter 12 zugeordnet ist, dessen Signal dem Block 8 zugeführt wird. Die Motorsteuerung 10 überträgt zur Ak tuatorsteuerung über die Leitung 13 die für die Funktion notwendigen Signale, wie z. B. Drehzahl, Kurbelwellenwinkel und Last. Auch kann das Lastsignal getrennt auf der gestrichelten Leitung 13a übertragen werden. Die Aktuatorsteuerung 8 schaltet die Endstufen der jeweiligen Magneten. In Wirklichkeit sind diese Schaltungen kom plexer auch mit Shunt zur Messung des Stroms und Stromrückführung in die Aktua torsteuerung. Diese Einzelheiten sind jedoch für die Beschreibung des Erfindungs gedanken nicht notwendig.

Claims

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils (5), bei dem der Aktuator mindestens einen Elektromagneten (1, 2) aufweist, der auf einen Anker (4) einwirkt, dessen Bewegung auf das Gaswechselventil (5) über tragen wird, bei dem auf den Anker (4) zwei entgegengesetzt gerichtete Feder kräfte (6, 7) einwirken, und bei dem der Einschaltimpuls des Betätigungsstroms des den Anker (4) bei einer Hubbewegung fangenden Elektromagneten (1 oder 2) nach einem Regelkriterium variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Einschaltimpuls so bemessen und gelegt wird, daß die elektrische Leistungs aufnahme des Aktuators etwa ein Minimum ist.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Einschaltzeitpunkt (t_E) des Einschaltimpulses der Erregerspule des Fangmagneten nach Abschalten der Haltespule (t_ab) geregelt wird.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Einschaltzeitpunkt t_E der Erregerspule des Fangmagneten nach dem Ausschalten der Haltespule t_ab, sowie das Maximalstromniveau I₁ und/oder der Abschaltzeitpunkt t_A des Fangmagneten und/oder der Abschaltmodus (bis zum Zeitpunkt t_S) geregelt wird.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Einschaltimpuls der Einschaltzeitpunkt t_E der Erregerspule des Fangmagne ten, sowie der Strom-Zeit-Verlauf bis zum Anliegen des Ankers an der Polfläche des Fangmagneten geregelt wird.

5. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einschaltimpulsbemessung nur bei Teillast und gegebe nenfalls Vollast bei geringer Drehzahl angewendet wird.

6. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei starker Belastung des Motors auf eine Bemessung des Einschaltimpulses, insbesondere des Einschaltzeitpunkts nach Maßgabe einer geringen Flugzeit des Ankers (5) umgeschaltet wird.

7. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die Umschaltung durch ein Lastsignal ausgelöst wird.

8. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die Umschaltung durch ein aus der Gaspedalstellung (Schalter 12) gewonnenes Signal ausgelöst wird.

9. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung aufgrund der Motordrehzahl ausgelöst wird.

10. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, daß zur Umschaltung zusätzlich die Motordrehzahl berücksichtigt wird.

11. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß der energieoptimale Einschaltimpuls, insbesondere der Ein schaltzeitpunkt mittels eines vorab ermittelten Kennfelds, insbesondere Lei stungsaufnahme in Abhängigkeit von der Drehzahl und Last ermittelt wird.

12. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die geringste Leistungsaufnahme durch Ermittlung der elek trischen Energieaufnahme der Aktuatorsteuerung (Auswertung des Strom-Zeit- Integrals und der Versorgerspannung) in den einzelnen Zyklen erfolgt.

13. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, daß von der geringsten Leistungsaufnahme um einen kleinen Sicher heitszuschlag abgewichen wird.