DE102005001221A1

DE102005001221A1 - Elektromagnetischer Antrieb mit einem Permanentmagnete aufweisenden Läufer mit zusätzlichem Federelement

Info

Publication number: DE102005001221A1
Application number: DE102005001221A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber; Thomas Leiber; Christian Dr. Hintz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-10
Filing date: 2005-01-10
Publication date: 2006-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb zur Erzeugung einer Hubbewegung eines Stellgliedes, mit einem feststehenden Stator und einem beweglich gelagerten Läufer, wobei der Läufer mindestens zwei Permanentmagnete aufweist, wobei der Stator zumindest einen von zumindest einer elektrischen Erregerspule (E, 46) erregten Magnetkreis mit mindestens einem Luftspalt (L¶1¶, L¶2¶) aufweist, wobei der Stator mindestens ein Statorteil (23, 24; 41, 41a) aufweist und der die Permanentmagnete (26; 44, 44a) aufweisende Teil des Läufers zwischen dem mindestens einen Luftspalt (L¶1¶, L¶2¶) angeordnet ist, wobei mindestens eine Federanordnung (3, 3a, 13) auf das Stellglied (2, 2a) und/oder den Läufer (10, 15) wirkt, wobei die Federanordnung über die gesamte Hubbewegung eine nichtlineare Kraft-Weg-Charakteristik aufweist und/oder nur über einen Teil der Hubbewegung auf das Stellglied und/oder den Läufer wirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.
Es sind Linearmotoren bekannt, bei denen sich die Permanentmagnete im Läufer mit einem integrierten magnetischen Rückschluß befinden und zum Stator nur ein Luftspalt entsteht. Ferner sind Linearmotoren bekannt, bei denen die Permanentmagnete des Läufers zwischen Polen des Stators angeordnet sind, wobei kein Rückschluß über den Läufer erfolgt.

Linearmotoren basierend auf oben beschriebenen Bauarten zum Betreiben von Stellgliedern in hochdynamischen Anwendungen, wie z.B. einem Ventiltrieb, sind aus DE 102004003730 und DE 10125767 bekannt. In DE 102004003730 ist ein Segmentmotor beschrieben, der einen feststehenden Außen- und Innenstator ausweist sowie einen drehbaren Rotor, der im wesentlichen aus Permanentmagneten aufgebaut ist. Der Linearmotor aus DE 10125767 weist einen feststehenden Stator sowie einem linear beweglichen topfförmigen Läufer auf, in dem Permanentmagnete eingebettet sind. Bei Erregung des Stators führt der Läufer eine lineare Bewegung durch. Eine im Prinzip ähnliche Lösung weist die DE 6990780 auf mit dem Unterschied, dass der Läufer einen Rechteckquerschnitt aufweist.

Linearmotoren der vorbeschriebenen Bauarten weisen den Vorteil auf, dass Stellglieder wie z.B. Ventile vollvariabel mit hoher Steuerzeitengenauigkeit betrieben werden können. Außerdem können derartige Linearmotoren aufgrund ihrer Ausführung hohe Kräfte zur Bewegung der Stellglieder erzeugen. Da die bewegte Masse des Antriebes aufgrund der Bauart sehr gering ist, kann eine hohe Verstelldynamik erreicht werden.

Diese Linearmotoren weisen gegenüber Aktuatoren, basierend auf einem Resonanzschwingerprinzip, wie z.B. in der DE 0970298 beschrieben, den Nachteil eines hohen elektrischen Leistungsbedarfs im hochdynamischen Betrieb auf.

Dieser Nachteil ist primär darauf zurückzuführen, dass die mechanische Speicherung von Energien in der Regel effizienter ist als die elektrische Speicherung. Die Bewegungsenergie kann zwar in elektrische Energie umgewandelt und rückgeführt werden, es entstehen bei der Rückspeisung jedoch hohe Verluste in Form von Kupferverlusten, Ummagnetisierungsverlusten, etc..

Um Linearmotoren o.g. Bauart mit akzeptabler Leistung zu betreiben, ist eine Leichtbauweise sowie ein Einsatz von großem Kupfervolumen notwendig. Dies führt zu hohen Kosten aufgrund des aufwendigen Materialeinsatzes sowie dem Einsatz von Leichtbauteilen. Außerdem ist die Bereitstellung der Energie sehr kostenintensiv.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetischen Antrieb zu schaffen, der die Vorteile der Linearmotoren mit den Vorteilen der nach dem Resonanzschwingerprinzip arbeitenden Aktuatoren miteinander vereint.

Diese Aufgabe wird vorteilhaft durch einen elektromagnetischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz einer mechanischen Speicherung der Energie durch Einsatz einer Federanordnung, welche z.B. durch eine oder mehrere Federelemente gebildet ist. Mit Hilfe der Federanordnung kann der Leistungsbedarf vorteilhaft reduziert werden, ohne dass die Variabilität des Betriebes des Linearmotors eingeschränkt werden muss.

Die Federanordnung kann je nach Auslegung eine weitere Funktion erfüllen. Nimmt die Federkraft z.B. über den Hub kontinuierlich zu, ermöglicht das Federelement die Rückstellung des Antriebes in eine definierte Anfangsposition und hat somit als Sicherheitsaspekt, insbesondere im Zusammenhang mit den Betrieb von sicherheitskritischen Antrieben, wie z.B. einem elektrischen Ventiltrieb, eine hohe Bedeutung. Damit wird beim Ausfall der Elektronik sichergestellt, dass das Ventil in den geschlossenen Zustand zurückgeführt und eine Ventil-Kolben-Kollision verhindert wird.

Ein zusätzlicher Haftmagnet kann den Leistungsbedarf weiter reduzieren. Der Einsatzpunkt der mechanischen Ener giespeicherung kann dabei beliebig durch die entsprechende Wahl, Anordnung, Angriffspunkt und Dimensionierung variiert werden. Die Kraft-Weg-Charakteristik der Feder kann vorteilhaft den Gegebenheiten angepasst werden.

Art, Dauer und Verlauf der Bestromung der statorseitigen Erregerspulen kann in Zusammenwirken mit der erfindungsgemäßen Feder ebenfalls zu einer Minimierung des Leistungsbedarfs beitragen.

Es ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung, ein Regelkonzept aufzuzeigen, mittels dessen der Linearmotor energetisch optimal betrieben werden kann.

In der Regel wird ein Stellglied innerhalb eines bestimmten Bewegungsbereiches betrieben. In der Regel ist es für Stellantriebe insbesondere in der Ausführung als Ventilantrieb wichtig, dass eine große Variabilität ermöglicht wird, sowie der maximale Verstellweg bzw. Stellbereich mit hoher Dynamik betrieben werden kann. So ist es bei der Ausführung als Ventiltrieb primär erforderlich, dass kleine Stellbereiche mit sehr niedriger Leistung und geringer Dynamik betrieben werden können und bei großen Stellwegen eine sehr hohe Dynamik erreicht wird. Die hohe Dynamik im Zusammenhang mit großen Stellbereichen erfordert eine sehr hohe elektrische Leistungsaufnahme, da sehr hohe Magnetkräfte erzeugt werden müssen. Eine Bestromung ist daher erforderlich, um das Stellglied zu beschleunigen und zu verzögern.

Um den Betrieb bei großen Stellbereichen bzw. großem Hub zu optimieren, ohne dabei den Leistungsbedarf bei geringen Stellbereichen zu verschlechtern, sieht die Erfindung ein Federelement, insbesondere mit einer nichtlinearen Kraft-Weg-Charakteristik, vor. Die Federanordnung ist da durch charakterisiert, dass ab einem bestimmten Stellbereich (ca. 50-90% des Stellbereiches) die Federsteifigkeit stark zunimmt oder erst in diesem Bereich wirksam wird. Bei einem Betrieb mit hoher Dynamik kann die Bewegung mit Hilfe der Feder verzögert und die Bewegungsenergie in der Feder gespeichert werden. Die Energie wird bei der Rückbewegung des Stellantriebes wieder in Bewegungsenergie umgewandelt. Damit kann die elektrische Verlustleistung deutlich reduziert werden.

Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebs zum Antrieb z.B. eines Kfz-Ventils ist ein stationärer Zustand bei geöffnetem Ventil, z.B. nahe des max. Stellbereiches bzw. Hubs, erforderlich. Für den stationären Zustand wird vorteilhaft ein Stellbereich gewählt, der vor dem Übergang der Federkraft in einen Bereich mit hoher Steifigkeit liegt. Alternativ wird das Ventil bis zum max. Stellbereich geöffnet und mittels der Feder verzögert und dann stationär bei einem kleineren Hub (ca. 60-90% des Stellbereiches) durch den Antrieb gehalten. Alternativ kann zum Halten des Ventils im stationären Zustand auch ein Haftmagnet eingesetzt werden.

Eine nichtlineare Kraft-Weg-Charakteristik kann beispielsweise dadurch realisiert werden, indem Federelemente parallel oder in Reihe zueinander angeordnet bzw. geschaltet werden. Die Federelemente können sowohl aus metallischen Werkstoffen als auch durch Elastomere mit bestimmter Formgebung oder Kombination gebildet sein. Alternativ kann statt einer Verbundfeder auch nur eine einzige Feder eingesetzt werden. Es ist ebenso möglich, durch eine Verstellung der Federauflagefläche, d.h. durch Verstellung des auf den Hub bezogenen Federwirkpunktes, eine Verschiebung der Federkraftcharakteristik zu errei chen, so dass die Federwirkung den entsprechenden Betriebespunkten angepasst werden kann.

Eine alternative Anbringung der Feder ist insbesondere beim Drehmotor am Rotor, z.B. als Spiralfeder oder Drehstabfeder möglich. Alternativ zur geschalten Feder sind auch Tellerfedern, bzw. eine Kombination zwischen Tellerfeder und Spiralfeder möglich. Auch ist eine Kombination von Spiral- oder Tellerfeder mit einer Drehstabfeder vorsehbar.

Um den Leistungsbedarf des erfindungsgemäßen Linearmotors im dynamischen Betrieb mit großen Stellbereichen zu reduzieren, ist die Ansteuerstrategie der Erregerspulen von großer Bedeutung. Eine vorteilhafte Ansteuerstrategie ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Anfangsphase des Stellbereiches möglichst schnell auf eine vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt wird (Beschleunigungsphase) und im Mittelbereich, bzw. in der Nähe des Kraftumkehrpunktes des Stellbereichs, der Antrieb kraftlos bzw. mit geringer Kraft betrieben wird. Der Stellantrieb wird daher im Mittelbereich der Hubbewegung mit einem möglicht kleinen Strom bzw. stromlos betrieben. Mindestens wird der Strom auf unter 30% des Maximalstromes, vorzugsweise unter 10% des Maximalstromes reduziert. In der Nähe des Endbereiches wird die Bewegung wieder durch Bestromung verzögert (Verzögerungsphase). Diese Ansteuerstrategie ist deshalb vorteilhaft, da der Wirkungsgrad der Umsetzung der Bestromung in Magnetkraft in der Nähe der Polstellen deutlich geringer ist als im Bereich des Anfangs und des Endes des Stellbereiches. Bei einer Magnetkreisgestaltung mit mehreren Kraftumkehrungen ist ebenfalls ein nahezu kraftloser Betrieb in der Nähe der Kraftumkehrstellen anzustreben, d.h. der Strom wird auf ein Ni veau möglichst kleiner als 30% des Maximalstromes reduziert.

Wird zudem eine Feder zur Verzögerung der Dynamik eingesetzt, kann der Strom bei der Verzögerungsphase der Stellbewegung deutlich reduziert und somit der Leistungsbedarf erheblich reduziert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebs weist der Läufer mehrere parallel zueinander angeordnete Reihen von Permanentmagneten auf, welche zwischen den beiden Statorteilen angeordnet sind. Zwischen den mindestens zwei Reihen von Permanentmagneten ist jeweils mindestens ein Flußleitstück angeordnet, welches optional mittels einer zusätzlichen Erregerspule erregt werden kann. Sofern mehr als zwei Reihen von Permanentmagneten vorgesehen sind, können alle oder auch nur ein Flußleitstück eine zusätzliche Erregerspule aufweisen. Da der magnetische Fluß sowohl die Permanentmagnete als auch das feststehende Flußleitstück zwischen den Permanentmagneten durchsetzt, wird in allen Luftspalten eine hohe Kraftflußdichte ermöglicht.

Ausführungsformen von Federelementen sowie Einbaugestaltungen und zugehörige Kraft-Weg-Charakteristik der Federelemente werden nachfolgendend in verschiedenen Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
1a: Eine Ausführungsform eines Linearmotors mit einer einfachen Druckfeder;
1b: eine Ausführungsform eines Segmentmotors mit erfindungsgemäßer Feder;
1c: einen Ausschnitt der Drehstabbetätigung bei einem Segmentmotor;
2a: eine Ausführungsform eines Segmentmotors mit Dämpfungs- und Federelementen;
2b: eine mögliche Ausführungsform eines Federgehäuses, welches am Aktuator befestigt ist und einen Haftmagneten sowie Verstellmittel zur Einstellung des Einsatzbereiches der Feder aufweist;
3a: eine mögliche Kraft-Weg-Charakteristik einer parallel geschalteten Feder;
3b: eine mögliche Kraft-Weg-Charakteristik einer einfachen Druckfeder;
3c: eine mögliche Kraft-Weg-Charakteristik eines Federelementes kombiniert mit Dämpfungselementen gemäß 2a und 2b;
4a: eine vorteilhafte Anordnung von Permanentmagnetelementen relativ zu einem Erregerkreis;
4b: eine Magnetkraft-Weg-Charakteristik einer Anordnung der Permanentmagnetelemente gemäß 4a;
5: eine mögliche Ansteuerstrategie eines Linearmotors mit einer Magnetkraft-Weg-Charakteristik gemäß 4b;
6: eine Darstellung von Betriebsstrategien bei Einsatz einer Feder gemäß den Ausführungsformen der 1a bis 2b;
7-9: Darstellungen des Hauptmagnetflusses für verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antriebs.
Die 1a zeigt die Umrisse eines Linearmotors für den linearen Antrieb eines Ventils 2a eines Verbrennungsmotors, einen Läufer 2 aufweisend, der direkt auf der Ventilachse angeordnet ist. Der Läufer 2 weist Permanentmagnete auf, welche in nicht dargestellten Luftspalten des Stators angeordnet sind. Die auf dem Stator angeordneten Erregerspulen sind ebenfalls nicht dargestellt. Auf dem Zylinderkopf 6 stützt sich die Druckfeder 3 auf einer Zwischenscheibe 5 ab. Im entspannten Zustand ist die Druckfeder kürzer als der Gesamthub bzw. maximale Verstellweg, wodurch der Läufer einen ersten Verstellweg bzw. Hub h1 nach unten durchlaufen muß, bevor der Federteller 4 mit der Druckfeder 3 in Kontakt kommt. Erst während des Resthubs wirkt die Druckfeder dem Antrieb 1 entgegen und die Bewegungsenergie wird in der Druckfeder 3 gespeichert.
Die 1b zeigt einen erfindungsgemäßen Segmentmotor mit Gehäuse 7, in dem der Stator 8 mit seinen Erregerspulen 9 eingebettet ist. Der Rotor bzw. Läufer 10 weist Permanentmagnete auf, die entlang der Mantelfläche des Rotationszylinders angeordnet sind. Der Läufer 10 überträgt die Drehbewegung über eine Rolle auf ein Kopplungsglied 11 auf die Ventilachse und das Ventil 2a. Der Läufer 10 ist auf der Welle 12 befestigt. Im Gegensatz zur Anordnung gemäß der 1a ist eine zweite Feder 3a parallel zur ersten Druckfeder 3 angeordnet, die während des gesamten Hubes wirkt und die gewünschte Rückstellung in die Hubanfangsstellung bewirkt. Die restlichen Elemente entsprechen 1a. Die Feder 3a dient somit als Rückstellfeder und weist in der Regel eine kleinere Federkonstante als die Druckfeder 3, welche zur Speicherung der Bewegungsenergie während des Resthubes dient, auf.
Die 1c zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren alternativen Anordnung, bei der ein Hebel 14 mit einem Drehstab 13 verbunden ist. Der Drehstab 13 mit seinem kleinen Trägheitsmoment kann in der Welle 12 gelagert sein. Ein zweiter Hebel 15 ist mit dem Rotor verbunden und trifft nach dem Hub h1 auf den Drehstabhebel 14. Zur Geräuschdämmung des Aufschlages ist ein Dämpferelement 16 mit Aufschlagplatte im Hebel 15 integriert.
Die 2a zeigt den Segmentmotor gemäß 1b, dessen Ventilplatte 4 mit einem Dämpfungselement 17 und der Aufschlagplatte 18 vorteilhaft durch Vulkanisierung verbunden ist. Damit wird der beim Aufprall entstehende Körperschall gedämpft in den Aktuator übertragen. Die Auflageplatte 5 der Feder ist ebenfalls mit einem Dämpferelement 19 ausgestattet und über das Dämpferelement 19 mit dem Federgehäuse 20 verbunden. Das Dämpferelement 19 dient zur Reduzierung des Körperschalls, welcher zum Zylinderkopf übertragen wird.
Die 2b zeigt eine alternative Anordnung des Federelements, bei der die Befestigung von Federspeicher 3 und Dämpfungselementen 17, 19 in einem Gehäuse 21 erfolgt, welches am Aktuatorgehäuse 1 (7) befestigt ist. Die einzelnen Elemente sind konstruktiv entsprechend der Einbaugeometrie angepasst. Nach dem Hub h1 nach unten trifft die Aufschlagplatte 18a auf die Druckfeder 3. Damit bei der Ventilöffnung möglichst wenig Energie des Linearmotors für die Endkraft der Feder 3 verwendet wird, kann hier ein Haftmagnet 22 eingesetzt werden, der mit dem Gehäuse 21 verbunden ist. Zur Verstellung des Hubes h1 kann das Gehäuse über einen nicht näher beschriebenen Antrieb 23 verschoben werden. Damit kann der Hub h1 verkleinert werden, so dass im ganzen Hubbereich die Federenergiespeicherung genutzt werden kann. Es ist auch möglich, diesen zusätzlichen Verstellmechanismus für den Haftmagneten 22 vorzusehen. Die Verstellung kann auch mit dem Haftmagneten kombiniert werden.
In 3a ist der Kraft-Weg-Verlauf einer verwendeten Feder bestehend aus 2 Federn mit unterschiedlicher Federsteifigkeit dargestellt. Dieser Kraft-Weg-Verlauf läßt sich z.B. mit dem in 1b dargestellten Aufbau realisieren. Innerhalb des Verstellbereichs h1 wirkt die Feder 3a mit der Federkraft F1. Die Feder 3a ist dadurch charakterisiert, dass ihre Federsteifigkeit im Vergleich zur Feder 3 deutlich geringer sowie die Anfangskraft F0 kleiner als 20% der Endkraft ist. Nach dem Verstellbereich h1 wirkt in Ergänzung zur Feder 3a die Feder 3 mit der Federkraft F2 bis zum maximalen Verstellweg h2. Das Verhältnis der Federsteifigkeiten der beiden Federn 3 und 3a ist größer als der Faktor 5, vorzugsweise größer als der Faktor 10. Die Summe der Federkräfte der Feder 3 und Feder 3a ergibt die Gesamtfederkraft F3.
Die 3b zeigt die Kraft-Weg-Charakteristik F4 einer einfachen Druckfeder gemäß dem Aufbau nach 1a als Funktion des Verstellweges. Die Feder wirkt ab dem Verstellweg h1, der vorzugsweise zwischen 30 und 80% des Verstellweges ist.
Die 3c zeigt eine typische Kraft-Weg-Charakteristik F5, die beim Einsatz von Dämpfungselementen gemäß den Anordnungen der 2a und 2b entsteht. Als Dämpfungselemente werden vorzugsweise Elastomere eingesetzt. Die Elastomere ermöglichen einen kontinuierlichen Übergang der Federkraft der Feder mit kleiner Federkonstante auf den steilen Kraftanstieg der Druckfeder und reduzieren damit den Körperschall beim Auftreffen der Ventilplatte 4 auf die Druckfeder. Die 4a zeigt eine Querschnittsdarstellung eines zweiteiligen Magnetkreises eines erfindungsgemäßen Linearantriebes bestehend aus dem feststehenden Außenstator 23 und dem ebenfalls feststehenden Innenstator 24, wobei der Außenstator die Erregerspulen 25 trägt. Es ist selbstverständlich möglich, dass auch der Innenstator Erregerspulen trägt. Zwischen dem Außen- und dem Innenstator sind Permanentmagnetelemente 26 relativ zum Stator am Läufer angeordnet. Aufeinanderfolgende Permanentmagnetelemente weisen eine entgegengesetzte Magnetisierung auf. Bei Erregung der Erregerspule 25 bildet sich ein Magnetkreis 27 aus, wobei sich an den Polen des Magnetkreises Nord- und Südpole entsprechend der Orientierung des Magnetkreises ausbilden. Ein Permanentmagnetelement mit entgegengesetzter Orientierung im Vergleich zur Flußrichtung des Magnetkreises wird von dem Polen angezogen, bei gleichgerichteter Orientierung wird das Permanentmagnetelement vom entsprechenden Pol abgestoßen, so dass der Läufer bei entsprechender Erregung der Erregerspulen nach links oder rechts bewegt wird.
Die Permanentmagnetelemente sind jeweils derart angeordnet, dass bei einem maximalen Verstellweg bzw. Hub h2 des Antriebs zwischen Anfangsstellung s1 und Endstellung s2 eines Permanentmagnetelementes jeweils nur ein Pol liegt.
Vorzugsweise ist die Länge der Permanentmagnetelemente um den Faktor 1,1 bis 1,9 mal breiter als die Breite der Magnetpole des Außenstators und befindet sich in Anfangsobere Darstellung) und Endstellung (untere Darstellung) jeweils zwischen Polen des Außen- und Innenstators, d.h. die Permanentmagnetelemente überdecken mit bis zu maximal der Hälfe ihrer Breite einen Pol. Der Abstand der Pole des Außen- und Innenstators ist entsprechend der Länge der Permanentmagnete anzupassen.
Eine derartige Anordnung ermöglicht eine hohe Kraftausbeute zu Beginn und Ende des Stellbereiches sowie einen annähernd asymmetrischen Kraftverlauf bezogen auf den Umkehrpunkt der Kraft.
Die 4b zeigt einen beispielhaften Kraftverlauf, der sich aus der Magnetanordnung gem. 4a ergibt. Dargestellt ist der Kraftverlauf ohne Erregerstrom 28, der Kraftverlauf bei positiven Strom 30 und der Kraftverlauf bei negativem Strom 29 über den gesamten Verstellweg bzw. Hub h2. Charakteristisch für den Kraftverlauf ist der asymmetrische Verlauf um den Umkehrpunkt. Außerdem ist die Anfangskraft in der Anfangsstellung s1 entgegengesetzt zur Kraft in der Endstellung s2 und durchläuft im Hubbereich h2 nur einen Umkehrpunkt.
Die 5 zeigt eine beispielhafte Ansteuerstrategie bei einem dynamischen Betrieb mit maximalem Stellbereich h_max. Im oberen Teil der Figur ist der Hubverlauf 31 sowie der Geschwindigkeitsverlauf 32 als Funktion der Zeit dargestellt, nach deren Charakteristik ein Linearmotor ideal geregelt werden kann. Der Geschwindigkeitsverlauf ist dadurch gekennzeichnet, dass er anfangs in der Beschleunigungsphase durch einen Polynomverlauf 2. Ordnung charak terisiert ist, welcher in einen Bereich mit konstanter Geschwindigkeit (mittlere Phase) übergeht. Nach der Phase konstanter Geschwindigkeit, d.h. ca. nach 60% des Stellweges wird die Geschwindigkeit wiederum mit einem Polynom 2. Ordnung verzögert (Verzögerungsphase).
Dieses Geschwindigkeits- und Positionsprofil kann durch die im unteren Bild dargestellte Bestromung 33 erreicht werden. Zu Beginn der Bewegungsphase wird der Antrieb stark beschleunigt und die Bestromung erreicht ein Maximalstromniveau (linkes Trapez). Der Stromverlauf kann durch ein Trapez (dargestellt) oder durch ein Dreieck charakterisiert sein. Andere Stromverläufe sind selbstverständlich möglich. In der mittleren Phase des Stellbereichs wird der Strom auf einem Niveau <30% des Maximalstromes, vorzugsweise <5% des Maximalstrom reduziert, um in Folge wieder stark erhöht zu werden (rechtes Trapez).
Der mit 34 dargestellte Stromverlauf ergibt sich beim Einsatz einer nichtlinearen Rückstellfeder. Da die Feder einen Teil der kinetischen Energie speichert, ist ein signifikant niedrigeres Stromniveau zur Verzögerung der Bewegung erforderlich.
In 6 sind verschiedene Bewegungsverläufe dargestellt, die sich im Zusammenhang mit dem Einsatz einer nichtlinearen Rückstellfeder als vorteilhaft erweisen. In einem ersten Bewegungsverlauf 35 erreicht der Stellantrieb nur kurzzeitig einen großen Stellbereich bzw. Hub s_max. In diesem Fall wird der Antrieb bis in den Bereich des starken Anstieges der nichtlinearen Feder ausgesteuert. Dadurch kann die kinetische Energie durch die Feder aufgenommen und in der Rückbewegung wieder rückgeführt werden.
Im Bewegungsverlauf 36 wird ein größerer Stellbereich für eine größere Zeitdauer angesteuert. Der Antrieb wird daher bis zu einem Bereich in der Nähe des starken Federkraftanstieges ausgesteuert, d.h. der Stellantrieb erreicht nicht seinen maximalen Stellweg. Da in diesem Bereich die Federkraft nicht so groß ist, kann der Stellantrieb mit einer geringeren Leistung stationär betrieben werden, als im Bereich des maximalen Stellbereiches, da eine geringere Kraft zur Kompensation der Federkraft notwendig ist und somit der Strombedarf und die Verlustleistung sich reduzieren.
Der Bewegungsverlauf 37 stellt einen Zwischenbetrieb zwischen Bewegungsverlauf 35 und 36 dar. In diesem Fall ist im Vergleich zum Bewegungsverlauf 36 eine höhere Öffnungsdynamik gefordert. Der Stellantrieb wird dabei bis zum Bereich der hohen Federrückstellkraftwirkung ausgesteuert, damit die energetisch sinnvolle Federwirkung ausgenutzt werden kann. Danach wird der Stellhub zurückgeführt auf eine Stellposition, bei der die Federsteifigkeit deutlich geringer ist (z.B. beim Übergang der Federsteifigkeiten). Damit kann der Antrieb energetisch günstig stationär betrieben werden.
Die 7 bis 9 zeigen verschiedene beispielhafte Anordnungen von Permanentmagnetreihen und dazwischen gelagerten Flußleitstücken. Die benachbarten Permanentmagnete jeder Reihe R₁ und R₂ weisen jeweils entgegengesetzte Polarisation auf und sind in einem Abstand zueinander angeordnet, der auf den Abstand der die beiden Luftspalte L₁ und L₂ bildenden Pole der Statorteile 41, 41a angepaßt ist. Mit 41 und 41a sind die beidem am Gehäuse fest angeordneten Statorteile bezeichnet, welche die Erregerspulen 46 und 46a tragen, deren magnetischer Fluß 47 über die Luftspalte L₁ und L₂ die Permanentmagnete 44 und 44a und das Flußleitstück 45 durchsetzt. Dieses Flußleitstück 45 ist ebenfalls gehäusefest angeordnet. Die Permanentmagnete 44 und 44a sind in einem nicht dargestellten Gehäuse eingebracht, dessen Ausgang auf ein Stellglied wie z.B. ein Ventil wirkt. Die Magnete 44, 44a können mit unterschiedlicher Breite, Polung, Abstand und Anzahl eingesetzt werden. Mit einer entsprechenden Ansteuerung der Erregerspulen läßt sich die gewünschte Kraft darstellen. In diesem Zusammenhang wird auf den Offenbarungsgehalt der DE102004003730 sowie der DE 102004062340 des gleichen Anmelders vollinhaltlich bezug genommen. Anstelle von einem Flußleitstück 45 zwischen zwei Magneten zwischen zwei gegenüberstehenden Polen der Statorteile 41 und 41a sind auch zwei oder mehr Flußleitstücke mit drei oder mehr Permanentmagneten in Reihe denkbar, wie es in den 9 und 10 dargestellt ist.
Die 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der drei parallele Permanentmagnetreihen alternierend mit jeweiligen Flußleitstücken angeordnet sind. Durch das Vorsehen von mehreren in Reihe geschalteten Permanentmagneten in einem Magnetkreis wird die erzielbare Kraft bzw. das erzielbare Drehmoment des Antriebs bei gleichzeitig kleinem Platzbedarf gesteigert.
Die 9 zeigt beispielhaft, dass ein Flußleitstück eine Erregerspule aufweisen kann, mittels derer die die Permanentmagnete und die Luftspalte durchsetzende magnetische Flußdichte weiter erhöht werden kann.

Claims

Elektromagnetischer Antrieb zur Erzeugung einer Hubbewegung eines Stellgliedes, mit einem feststehenden Stator und einem beweglich gelagerten Läufer, wobei der Läufer mindestens zwei Permanentmagnete aufweist, wobei der Stator zumindest einen von zumindest einer elektrischen Erregerspule (E, 46) erregten Magnetkreis mit mindestens einem Luftspalten (L₁, L₂) aufweist, wobei der Stator mindestens ein Statorteil (23, 24; 41, 41a) aufweist, und der die Permanentmagnete (26; 44, 44a) aufweisende Teil des Läufers zwischen dem mindestens einen Luftspalt (L₁, L₂) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Federanordnung (3, 3a, 13) auf das Stellglied (2, 2a) und/oder den Läufer (10, 15) wirkt, wobei die Federanordnung über die gesamte Hubbewegung eine nichtlineare Kraft-Weg-Charakteristik aufweist und/oder nur über einen Teil der Hubbewegung auf das Stellglied und/oder den Läufer wirkt.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nur für einen Teil der Hubbewegung wirkende Federanordnung eine nichtlineare Kraft-Weg-Charakteristik aufweist.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, in dem die Federanordnung auf das Stellglied oder den Läufer wirkt, mittels mindestens einer Einstellvorrichtung einstellbar ist.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Federn (3, 3a) in Reihe oder parallel zueinander geschaltet bzw. angeordnet sind und die Federanordnung bilden.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung eine Feder (3a) aufweist, welche als Rückstellfeder wirkt, wobei sie das Stellglied (2a) bei nicht bestromtem Antrieb in eine definierte Position verstellt.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Halteglied (22), welches insbesondere als Permanent- oder Elektromagnet ausgebildet ist, das Stellglied und/oder den Läufer in einer bestimmten Position hält.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (22) das Stellglied oder den Rotor bei nicht oder nur wenig bestromtem Antrieb hält.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Hub bzw. Verstellweg (h_max) des Antriebs in mehrere Stellbereiche (h_i) unterteilt ist, wobei die Federanordnung in mindestens zwei Stellbereichen eine voneinander verschiedene Kraft-Weg-Charakteristik bzw. Federkonstante aufweist.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Feder aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Feder aus einer Kombination von metallischen Werkstoffen und Elastomeren gebildet ist.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder eine Spiral oder eine Drehstabfeder ist.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator einen Außen- und einen Innenstator aufweist, wobei zumindest der Außenstator eine Erregerspule trägt.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Permanentmagnetelemente um den Faktor 1,1 bis 1,9 mal breiter als die Breite der Magnetpole des Stators sind.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus Polmittenabstand zweier benachbarter Pole eines Magnetkreises und maximalem Hub bzw. Verstellweg (h_max) einen Wert im Bereich 0,75 bis 1,25, insbesondere 0,95 bis 1,05 hat.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Permanentmagnet zu Beginn des Hubes nur im Bereich eines Luftspaltes einliegt und am Ende des Hubes nur im Bereich des benachbarten Luftspaltes einliegt oder nur weinig aus diesem herausgetreten ist.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Permanentmagnet e) derart angeordnet sind, dass der bzw. die Permanentmagnet e) zwischen Anfangs- und Endstellung des Stellbereiches nur einen Pol des Stators überquert(n).
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetelemente mit bis zu maximal der Hälfe ihrer Breite einen Pol des Stators überdecken.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Permanentmagnetelemente eine entgegengesetzte Magnetisierung aufweisen.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Luftspalt (L₁, L₂) mindestens zwei Permanentmagnete (44, 44a; 44') zugeordnet sind, die in Richtung des magnetischen Hauptflusses (47) hintereinander und voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen diesen Permanentmagneten (44, 44a; 44') jeweils mindestens ein Flußleitstück (45; 45') angeordnet ist, welches feststehend am Stator angeordnet ist, und dass zwischen den Polen des bzw. der Fluß leitstücke und den Permanentmagneten jeweils ein Luftspalt ist.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein Flußleitstück zwischen den die Luftspalte bildenden Polen der Statorteile angeordnet ist.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Flußleitstück (35') eine zusätzliche Erregerwicklung (46') trägt, deren Fluß die feststehenden Ständerteile (41, 41a), alle Permanentmagnete (44') sowie alle Luftspalte des Magnetkreises (47) durchsetzt.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Antrieb ein Gehäuse aufweist, in dem der mindestens eine Magnetkreis angeordnet ist, wobei der Läufer drehbar oder verschieblich im Gehäuse gelagert ist, und mindestens ein Koppelelement zur Übertragung der Antriebskräfte durch das Gehäuse nach außen hin durchgreift.
Elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied ein Ventil eines Verbrennungsmotors antreibt.
Verfahren zur Bestromung der mindestens einen Erregerspule eines elektromagnetischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hubbewegung in eine Beschleunigungs-, Mittel- und Verzögerungsphase unterteilt ist, wobei die Ansteuerelektronik die mindestens ei ne Erregerspule des Antriebs zumindest in der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase der Hubbewegung bestromt.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschleunigungsphase und in der Verzögerungsphase jeder Hubbewegung der Strom das gleiche Vorzeichen hat.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromverlauf in der Beschleunigungs- und/oder Verzögerungsphase trapezförmig oder dreiecksförmig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschleunigungsphase der Strom einen Maximalwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass in der mittleren Phase der Hubbewegung die mindestens eine Erregerspule mit einem Strom kleiner als 30% des Maximalstroms, insbesondere kleiner als 10% des Maximalstroms, bestromt wird.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass während der Verzögerungsphase der Erregerstrom auf einen Wert insbesondere kleiner als 30% des Maximalstroms begrenzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erregerspule derart bestromt wird, dass sich ein Geschwindigkeitsverlauf einstellt, bei dem die Beschleunigungsphase durch einen Polynomverlauf 2. Ordnung charakterisiert ist, welcher in einen Bereich mit konstanter Geschwindigkeit (mittlere Pha se) übergeht und anschließend in der Verzögerungsphase wiederum mit einem Polynom 2. Ordnung charakterisiert ist.