DE10139362A1

DE10139362A1 - Elektromagnetischer Aktuator

Info

Publication number: DE10139362A1
Application number: DE10139362A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Zur Erzielung eines sanften Aufsetzens des Ankers in den Endstellungen wird ein elektrisch steuerbares, schnell reagierendes Hilfssystem verwendet, das eine Zusatzkraft auf den Anker in wenigstens einer Bewegungsrichtung des Ankers ausüben kann. Dieses Hilfssystem wird in den Annäherungsphasen an die Endstellungn in die Regelung einbezogen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein Hauptproblem bei elektromagnetischen Aktuatoren für den Antrieb von Ventilen von Verbrennungsmotoren ist ein Regelverfahren zu finden, das ein sanftes Aufsetzen des Ankers, bzw. des Ventils gewährleistet.
Verfahren zur Lösung dieses Problems sind z. B. in EP 1 108 861 A2, EP 1 106 791 A2 und DE 100 11 577 A1 beschrieben worden.
Bei der Lösung des Problems sind zwei Hauptschwerpunkte zu berücksichtigen:

1. eine Auftreffgeschwindigkeit von <0,05 m/sec entsprechend einer Stoßenergie von ≍ 0,1 mJ und
2. eine maximale Hubarbeit des Magneten von 1000 mJ

Dies bedeutet, das der Magnet auf 1‰ regelbar sein muss. Die konventionellen Elektromagnete haben eine nichtlineare Kraftwegcharakteristik und außerdem ist gegen Hubende die Gegeninduktion wirksam, welche dann keine Erhöhung des Stromes, d. h. der Kraft ohne aufwendige Spannungserhöhung zulässt. Man kann also in dieser Situation nur Strom, d. h. Kraft reduzieren.
Die Annäherungsphase gegen Hubende ist bedeutsam wegen einer kleinen Auftreffgeschwindigkeit. Ausgerechnet in diesem Bereich ist der Magnet jedoch schlecht regelbar.
Zur Verbesserung der Regelbarkeit ist es aus der WO 01 /26122 A1 bekannt im selben Magnetkreis sogenannte Boosterspulen vorzusehen, die jedoch wegen der Trafowirkung der Spulen zur Entkupplung viel Aufwand erfordern. Weiterhin wurde schon vorgeschlagen, die Annäherungsphase zum Erreichen einer kleinen Auftreffgeschwindigkeit zeitlich zu dehnen. Diese Lösung ist jedoch bei höheren Drehzahlen nicht anwendbar, da die Ventilöffnungszeiten beeinträchtigt würden. Aus der DE 198 60 451.3 ist die Verwendung eines Drehmotors als Aktuator bekannt, der eine bessere Regelungsdynamik aufweist. Dieser übernimmt die gesamte Hubarbeit, ist aber sehr aufwendig.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen schnellen Regeleingriff vorzugsweise im Bereich des Hubendes zu ermöglichen, welcher im gesamten Drehzahlbereich einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Wesentlich ist der schnelle Eingriff am Hubende. Es ist jedoch durchaus denkbar die Hilfseinrichtung auch zu andern Zwecken mit heranzuziehen oder zu erweitern, z. B. auch zum Aufbringen der eigentlichen Hubarbeit oder zur Unterstützung des Haltens des Ankers in der Endstellung oder zur Unterstützung beim Überwinden der Gaskräfte.
Die Unteransprüche beinhalten mögliche Ausbildungen der Hilfseinrichtung und zusätzliche Anwendungen.
Anhand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit einem zusätzlichen Elektromagneten
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Hilfseinrichtung elektrodynamisch betrieben wird.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Ausbildung einer elektromagnetischen Ventilsteuerung, wie Sie z. B. in der DE 199 55 079 A1 beschrieben ist. Aus Gründen der Vereinfachung wird nur das Magnetsystem dargestellt und beschrieben. Der Schließmagnet besteht aus einem Joch 1 und einer Spule 1a, der Öffnungsmagnet aus einem Joch 2 und einer Spule 2a. Beide wirken auf einen Drehanker 3 ein, der seinerseits eine Kraft auf die Ventilankopplung 6 ausübt. Der Anker 3 ist mit einem Ankerrohr 4 verbunden, das schwenkbar gelagert ist. Auf den Anker wirken zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte ein, die nicht dargestellt sind.
Auf dem Ankerrohr 4 ist ein zweipoliger Permanentmagnet 7 befestigt, der zusammen mit einem Joch 8 und einer Spule 8a einen Drehmagneten bildet, der nur in einem Segment wirkt. Durch den permanentmagnetischen Rotor, kann durch Umpolen der Erregerspule 8a ein Drehmoment in beiden Richtungen erzeugt werden, welches in den beiden Hubendbereichen relativ wirksam stark ist. Wie die Größe des Magneten, 7, 8, 8n im Vergleich zum Öffnungs- und Schließmagnet erkennen lässt, soll dieser Magnet 8, 8a nur ein Teil der maximalen Hubarbeit unter Berücksichtigung der Gaskräfte aufbringen, dabei aber außerordentlich schnell die Kraft aufbauen, um in der Annäherungsphase die Regelabweichung schnell ausgleichen zu können. Als Richtwert kann gelten, Ausgleich der mechanischen Verluste ohne Gaskräfte z. B. 80 mJ. Dabei kann er beschleunigen oder auch bremsen. Teile 9 und 9a sind Jochverstärkungen und Befestigungselemente in Lagerplatten 14.
Fig. 2 zeigt einen ähnlich aufgebauten Aktuator, bei dem jedoch das Hilfssystem ein elektrodynamisch betriebenes Magnetsystem mach dem Prinzip des Lautsprechers ist. Dieses hat eine noch höhere Dynamik als der elektromagnetische Aktuator der Fig. 1. Hier trägt ein Joch 11 einen Permanentmagneten 10 und ist am Ankerrohr 4 befestigt. Eine Spule 13 ist an den Lagerplatten 14 befestigt. Die Wirkungsweise dieses Tauchspulensystems ist bekannt.
Anstelle der in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Hilfssysteme ist auch die Verwendung eines Segmentmotors mit zwei Spulen nach dem Prinzip des Reluktanzmotors als Hilfssystem denkbar. Auch ist es möglich den Hauptmagneten 1 und/oder 2 zu unterteilen, um einen schnellen kleinen Magneten für die Hubendlage zu nutzen. Dieser könnte aber nur beschleunigen, d. h. zusätzlich Kraft aufbringen. Er würde dementsprechend vom Regler in die Regelung einbezogen.
Auf eine Beschreibung einer Ansteuerschaltung wird verzichtet, da bekannte Ansteuerschaltungen anwendbar sind, wobei diese im vorliegenden Fall, sowohl auf die Elektromagnete 1, 1a, bzw. 2, 2a als auch auf die Hilfseinrichtungen einwirken.
Die Hilfseinrichtung, vorzugsweise ein Drehmagnet kann auch stärker als oben angegeben dimensioniert werden, aber immer noch nur ein Teil der maximalen Hubarbeit für entsprechende Gaskräfte aufbringen und wie gesagt nicht nur im Endbereich, sondern auch über den ganzen Hub wirksam sein.
In diesem Fall können die Federkräfte und damit vorzugsweise auch der Öffnungsmagnet kleiner dimensioniert werden. Die Kraft des Drehmagneten kann als Unterstützung des Ventilöffnens bei Gaskräften verwendet werden.
Der Vorteil dieser Dimensionierung liegt in einem besseren Wirkungsgrad als der der Hauptmagneten.
Da die Spulen der Hilfssysteme der Fig. 1 und 2 vorzugsweise nur kurzzeitig eingeschaltet oder auch kurzzeitig unterbrochen werden, können diese im nicht zur Krafterzeugung benutzen Zustand als Geschwindigkeitssensor genutzt werden, wenn wie hier Systeme mit deutlicher Flussänderung, z. B. durch Bewegung eines Permanentmagneten verwendet werden. Die induzierte Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit. Diese wird durch eine entsprechende Anpassung des Reglers aufbereitet. Auch kann dieses Signal für den Spielausgleich verwendet werden. Das v- Signal ist in seinem Wert abhängig von den Toleranzen des Magnetsystems. Für die Verwendung im Regler muss es kalibriert werden. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, das eine freie Schwingung mit Auswertung der halben Schwingzeit und des Hubes, bzw. Hubverlustes in der Endlage ausgenutzt wird. Daraus lässt sich die maximale Geschwindigkeit ermitteln, die dann als Referenz für die Kalibrierung gilt.
Das System kann auch bei konventionellem elektromagnetischen System ohne Drehanker wie z. B. in EP 1 106 791 A2 dargestellt verwendet werden.

Claims

1. Elektromagnetischer Aktuator mit wenigstens einem Elektromagneten (1, 1a, 2, 2a) und einem Anker (3), auf den zwei entgegen gerichtete Federkräfte einwirken, der durch die Federkräfte und die Kraft des wenigstens einen Elektromagneten (1, 1a, 2, 2a) mittels einer elektrischen Ansteuerschaltung abwechselnd in zwei Endstellungen steuerbar ist und dessen Bewegung zur Betätigung eines Ventils (6) eines Verbrennungsmotors ausgenutzt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Geschwindigkeit es Ankers in der Nähe der Endstellungen im Sinne eines sanften Aufsetzens des Ankers und/oder des Ventils zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch steuerbares Hilfssystem (7, 8, 8a; 10, 11, 12) vorgesehen ist, das bei Ansteuerung eine Kraftausübung auf den Anker (3) in wenigstens einer Richtung vorzugsweise in beide Bewegungsrichtungen des Ankers (3) bewirkt, wobei dieses Hilfssystem derart dimensioniert ist, das es nur einen Teil der Kraft im Vergleich zum eigentlichen Aktuator aufbringen kann, und dass dieses Hilfssystem (7, 8, 8a; 10, 11, 12) vorzugsweise in den Annäherungsphasen des Ankers (3) an seine Endstellungen in seiner Kraftausübung im Sinne des sanften Aufsetzens in die Regelung einbezogen wird.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das Hilfssystem ein zusätzlicher Elektromagnet (8, 8a) ist, der auf den Anker (3) einwirkt.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das der zusätzliche Elektromagnet (8, 8a) auf einen mit dem Anker verbundenen Permanentmagneten (7) einwirkt.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das Hilfssystem (10, 11, 12) elektrodynamisch betrieben ist (Lautsprecherprinzip)

5. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das Hilfssystem ein Drehmotor mit zwei Spulen nach dem Prinzip des Reluktanzmotors ist.

6. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker ein schwenkbar gelagerter Anker (3) ist und das Hilfssystem dieselbe Drehachse wie der Anker besitzt.

7. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfseinrichtung als Drehmagnet ausgebildet ist.

8. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er auch außerhalb der Annäherungsphase zur Erzeugung einer Kraft auf den Anker (3) genutzt wird.

9. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 4 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (8a; 12) des Hilfssystems zusätzlich als Geschwindigkeitssensor ausgenutzt wird.

10. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel, z. B. zur Auswertung des Anschwingens nach Abschalten der Hauptmagnete (1 und 2) eingesetzt werden, um die magnetabhängigen Toleranzen des Hilfssystems zu kalibrieren.