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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern eines elektromagnetischen
Aktors, mit der eine Magnetspule des elektromagnetischen Aktors mit
einem Schaltstrom beaufschlagbar ist, der einen magnetischen Fluss
erzeugt, der einen Stellvorgang eines Magnetankers des elektromagnetischen
Aktors hervorruft.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen
Aktors.
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Elektromagnetische
Aktoren kommen unter anderem beim Betätigen von Einspritzventilen
zum Einsatz. Moderne Verbrennungsmotoren, die einen möglichst
geringen Verbrauch und eine möglichst niedrige
Emission aufweisen sollen, verlangen nach einer Kraftstoffzumessung
für einen
einzelnen Verbrennungsvorgang in mehreren Teilmengen mit sehr kurzer
zeitlicher Abfolge. Die Zeitabstände
zwischen den einzelnen Einspritzvorgängen liegen typischerweise
zwischen 200 μs
und 400 μs.
Dabei kommt es auf auch eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Dauer und
dem zeitlichen Abstand der Teilmengen an.
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Schnellwirkende
elektromagnetische Aktoren, die in der Hochdruck-Benzin-Direkteinspritzung zur
Anwendung kommen, verfügen über Magnetspulen
mit hoher Induktivität.
Die hohe Induktivität
der Magnetspulen bewirkt, dass der Auf- und Abbau des Magnetfelds
beim Öffnen
und Schließen
des Einspritzventils verhältnismäßig lang
verzögert
wird. Da die Magnetkraft dem Magnetfeld monoton folgt, zeigt der
Verlauf der Magnetkraft ebenfalls einen unerwünschten zeitlichen Versatz
gegenüber
dem Verlauf des Spulstroms durch die Magnetspule. Durch die Magnetkraft
wird aber das Ventilstellglied betätigt, so dass letztendlich
die den Dosiervorgang bestimmende Stellung des Ventilstellglieds
mit starker Verzögerung
dem Spulenstrom durch die Magnetspule folgt.
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Abgesehen
von möglichst
kleinen Verzögerungszeiten
sind auch möglichst
geringe Flugzeiten zwischen dem geschlossenen und dem offenen Ventilzustand
des Ventilstellglieds von Vorteil, da sich während der Flugphase des Ventilstellgliedes
kein reproduzierbares Dosierverhalten sowie kein definiertes Strahlbild
ergibt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur verbesserten Ansteuerung
eines elektromagnetischen Aktors zu schaffen.
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Diese
Aufgaben werden durch die Vorrichtung und das Verfahren mit den
Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
In davon abhängigen Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
der Vorrichtung und dem Verfahren wird die Magnetspule beim Abbau
des magnetischen Flusses durch eine Steuervorrichtung mit einem
der Richtung des Schaltstromes entgegengesetzten und den Abbau des
magnetischen Flusses beschleunigenden Umkehrstrom beaufschlagt.
Dadurch kann der magnetische Fluss in der Magnetspule wesentlich
rascher abgebaut werden als beim Stand der Technik. Dementsprechend
verkürzen
sich die Abfallzeiten beim Abbau des magnetischen Flusses durch die
Magnetspule. Folglich ergeben sich auch deutlich verkürzte Schaltzeiten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
hält die
Steuervorrichtung den Umkehrstrom so lange aufrecht, bis ein Minimum
der auf den Magnetanker wirkenden Magnetkraft erreicht ist. Dadurch
kann die Schaltzeit des Magnetankers minimiert werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der Umkehrstrom vor dem ersten Prellkontakt abgeschwächt. Dadurch wird
die auf den Magnetanker wirkende Anzugskraft verringert und die
Prellbewegung des Magnetankers gedämpft.
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Die
auf den Magnetanker wirkende Anzugskraft kann vor dem ersten Prellkontakt
auch dadurch verringert werden, dass vor dem ersten Prellkontakt ein
entsprechend dem Schaltstrom gerichteter Dämpfstrom an den Magnetanker
angelegt wird, durch den die Bewegung des Magnetankers abgebremst
wird. Dadurch kann die Prellbewegung weiter gedämpft werden.
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Da
die Verzugszeiten beim Abbau des magnetischen Flusses in der Magnetspule
von der Temperatur abhängig
sind, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Verlauf des
Umkehrstroms oder des Dämpfstroms
entsprechend der jeweils herrschenden Temperatur gesteuert.
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Vorzugsweise
werden die Vorrichtung und das Verfahren zur Ansteuerung von Einspritzventilen verwendet.
Da zur Motorsteuerung ebenfalls unterschiedliche temperaturabhängige Einspritzprofile verwendet
werden, können
die temperaturabhängigen
Stromprofile des Umkehrstroms und des Dämpfungsstroms bei der Gestaltung
der Einspritzprofile berücksichtigt
werden.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch einen elektromagnetischen Aktor zusammen mit einer
Steuerung;
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2 bis 7 den
zeitlichen Verlauf der Spannung, des Stromes, des Nadelhubs, der
Magnetkraft, des magnetischen Flusses sowie der Wirbelstromverluste
und der ohmschen Spulenverluste eines elektromagnetischen Aktors
von der in 1 dargestellten Art;
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8 bis 11 die
Ergebnisse einer Simulationsrechnung, insbesondere den eingeprägten Strom,
den magnetischen Fluss, die Magnetkraft und den Nadelhub bei lang
andauerndem Umkehrstrom;
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12 bis 15 die
Ergebnisse einer Simulationsrechnung, insbesondere den eingeprägten Strom,
den magnetischen Fluss, die Magnetkraft und den Nadelhub bei Umkehrstrompulsen
mit unterschiedlichen Amplituden;
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16 bis 19 die
Ergebnisse von Simulationsrechnungen, insbesondere den eingeprägten Strom,
den magnetischen Fluss, die Magnetkraft und den Nadelhub bei Umkehrstrompulsen
unterschiedlicher Dauer;
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20 ein
Diagramm, in dem die Verzugszeit in Abhängigkeit von der Umkehrpulsdauer
dargestellt ist;
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21 einen
Nadelhub und ein Stromprofil mit Dämpfungsstrom;
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22 bis 24 die
Ergebnisse von Simulationsrechnungen, insbesondere die Verlustleistung, die
Magnetkraft und der Nadelhub bei unterschiedlichen Temperaturen;
und
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25 die
radiale Verteilung der axialen Komponente des Magnetfelds im Magnetanker.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch ein elektromagnetisches Schaltventil 1,
mit dem sich Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einspritzen
lässt.
Das Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum erfolgt dabei durch
einen Ventilsitz 2, der eine zentrale Ventilöffnung 3 aufweist.
Die Ventilöffnung 3 kann
mit einer Ventilnadel 4 passgenau ge schlossen werden. Die
Ventilnadel 4 ist an einem Magnetanker 5 angebracht,
der zusammen mit einem Ventilkern 6 und einem Gehäusejoch 7 einen
magnetischen Kreis bildet, in dem der von einer Magnetspule 8 erzeugte
magnetische Fluss fließen
kann.
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Der
Magnetanker 5 wird in Ruhestellung von einer im Inneren
des Magnetankers 5 und des Ventilkerns 6 angeordneten
Rückstellfeder 9 gegen
den Ventilsitz 2 gedrückt.
Dabei liegt zwischen dem Ventilkern 6 und dem Magnetanker 5 ein
Zwischenraum 10 mit einer typischen Breite von etwa 25 μm vor. Dementsprechend
kurz ist der Stellweg der Ventilnadel 4 und des Magnetankers 5.
Insofern kann auch von einem Kurzhub-Schaltventil gesprochen werden.
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Der
Zwischenraum 10 ist nach außen hin durch einen Dichtmanschette 11 abgedichtet,
die von einer Dichthülse 12 gehalten
ist, die im Bereich der Ventilnadel 4 ein Nadelrohr 13 hält.
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Die
Rückstellfeder 9,
die im Inneren des Ventilkerns 6 angeordnet ist, liegt
mit der Außenseite
an der Innenwand einer Kraftstoffleitung 14 an und ist von
einem Einsatzrohr 15 abgestützt.
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Der
Ventilkern 6 verfügt
schließlich über einen
Kraftstoffeinlass 16, in den ein Kraftstofffilter 17 eingesetzt
ist. Vom Kraftstoffeinlass 16 gelangt der Kraftstoff durch
die Kraftstoffleitung 14 in den Bereich des Magnetankers 5,
wo er in den Außenraum
eintreten kann und an der Ventilnadel 4 vorbei zu der Ventilöffnung 3 gelangt.
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Das
Schaltventil 1 wird von einer Steuerung 18 in
Abhängigkeit
von Motorparametern 19 und vorgegebenen Steuerprofilen 20 gesteuert.
Beispielsweise können
die Einspritzzeit und die Einspritzmenge von der Motortemperatur
abhängen.
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Schaltventile 1 von
der in 1 dargestellten Art weisen Magnetspulen 8 mit
großer
Induktivität auf.
In 2 ist ein typischer Spannungsverlauf 21 eines
Schaltzyklus 22 dar gestellt, während in 3 ein
typischer Stromverlauf 23 dargestellt ist.
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Es
sei angemerkt, dass die Spannung an die Magnetspule 8 in
gepulster Form angelegt wird.
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Der
Schaltzyklus 22 beginnt, wie in 3 dargestellt,
mit einem Vormagnetisieren 24. Daran schließt sich
ein Öffnen 25 und
ein Halten 26 an, bis der Schaltzyklus 22 mit
einem Schließen 27 beendet wird.
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Während des
Vormagnetisierens 24 wird zunächst eine Dauerspannung 28 angelegt,
während der
der Stromverlauf 23 entsprechend der zunehmenden Magnetisierung
des Magnetkreises langsam ansteigt. An die Dauerspannung 28 schließt sich
eine Pulsfolge 29 an, durch die die Vormagnetisierung auf konstantem
Niveau gehalten wird.
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Während des Öffnens 25 wird
ein Spannungspuls 30 an die Magnetspule 8 angelegt,
dessen Amplitude aufgrund der sich beim Öffnen 25 verringernden
Induktivität
der Magnetspule 8 langsam abfällt. Durch einen Gegenpuls 31 wird
schließlich
Energie aus der Magnetspule 8 zurückgewonnen. Während des
Haltens 26 liegt wiederum eine Pulsfolge 32 an
der Magnetspule 8 an, der beim Schließen 27 ein Umkehrpuls 33 folgt,
durch den die in der Magnetspule 8 erzeugte induzierte
Spannung kompensiert wird.
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Gemäß 3 steigt
der Stromverlauf 23 während
des Vormagnetisierens zunächst
langsam an, um schließlich
während
des Öffnens 25 steil
anzusteigen. Damit kann beispielsweise eine Übermagnetisierung des Magnetkreises
erreicht werden, durch die das Öffnen 25 beschleunigt
wird. Nach dem Ende des Spannungspulses 30 fällt der
Stromverlauf 23 erneut ab und kehrt nach dem Gegenpuls 31 auf ein
mittleres Niveau zurück,
bis zu Beginn des Schließens 27 der
Stromverlauf 23 auf Null abfällt.
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In 4 ist
ein zugehöriger
Nadelhub 34 dargestellt. 5 zeigt
einen Magnetkraftverlauf 35, der im Wesentlichen dem in 6 dargestellten
Verlauf 36 des magnetischen Flusses durch den Magnetkreis
folgt. 7 zeigt schließlich eine Verteilung 37 der
Wirbelstromverluste und eine Verteilung 38 der ohmschen
Spulenverluste über
den Schaltzyklus 22 hinweg.
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Da
die Bewegung der Ventilnadel 4 erst dann einsetzt, wenn
die in 5 dargestellte Magnetkraft größer als die Federkraft der
Rückstellfeder 9 ist, setzt
sich die Ventilnadel 4 beim Öffnen 25 mit einem Verzug 39 in
Bewegung. Auch beim Schließen 27 des
Schaltventils 1 tritt ein Verzug 40 auf, da die
Bewegung der Ventilnadel 4 erst dann einsetzt, wenn die
Magnetkraft kleiner als die Federkraft ist. Ferner sei auf Prellvorgänge 41 und 42 hingewiesen,
die sich an die Flugphase der Ventilnadel 4 anschließen. Insbesondere
der Prellvorgang 42 nach einem ersten Prellkontakt 43 ist
besonders ausgeprägt.
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Der
Verzug 39 und der Verzug 40 betragen typischerweise
jeweils etwa 100 μs.
Auch die Prellsprünge
können
100 μs dauern.
Andererseits muss bei Brennverfahren, die zugleich einen möglichst
geringen Verbrauch und eine möglichst
niedrige Emission aufweisen sollen, die Kraftstoffzumessung für einen
einzelnen Verbrennungsvorgang in mehreren Teilmengen mit sehr kurzer
zeitlicher Abfolge mit Pulsabständen
von 200 μs
bis etwa 400 μs
erfolgen. Der Verzug 39 und der Verzug 40 beschränken daher den
möglichen
minimalen Pulsabstand.
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Hinzu
kommt, dass insbesondere der Prellvorgang 42 ein unkontrolliertes Öffnen des
Schaltventils 1 mit sich bringt. Dieses Öffnen kann
den Dosiervorgang erheblich verfälschen.
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Das
dynamische Verhalten von Schaltventilen 1 wurde daher mit
Hilfe dynamischer Finite-Elemente-Simulationen analysiert. Dabei
wurde sowohl die Dynamik des elektromagnetischen Feldes als auch
das mechanische Verhalten des Schaltventils 1 wäh rend des
Schließens 27 untersucht.
Insbesondere wurde auch ein Modell für den Prellvorgang 42 entwickelt.
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Die
durchgeführten
Simulationen haben gezeigt, dass die Schließzeit ΔT des Schaltventils 1 erheblich
verkürzt
werden kann, wenn die Steuerung 18 die Magnetspule 8 mit
einem Umkehrstrom begrenzter Dauer beaufschlagt. Unter Schließzeit soll dabei
die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Strom durch die
Magnetspule 8 den Wert Null annimmt, und dem Zeitpunkt
des ersten Prellkontakts 43 verstanden werden.
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Dies
soll nunmehr anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert werden.
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In
den 8 bis 11 sind jeweils Stromverläufe 44,
Magnetflussverläufe 45 sowie
Magnetkraftverläufe 46 und
Nadelhübe 47 eingezeichnet.
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Die
Stromverläufe 44 zeichnen
sich dadurch aus, dass nach dem Nulldurchgang Umkehrströme 48 unterschiedlicher
Stärke
an die Magnetspule 8 angelegt werden. Die Stärke der
Umkehrströme
wurde mit der Maßzahl
0, x0,5, x1 und x2 bezeichnet. In 10, in
der der Verlauf der Magnetkraft dargestellt ist, zeigt eine waagrechte
Linie schließlich
das Niveau der Federvorspannung 49 an.
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Bereits
anhand der 8 bis 11 ist
erkennbar, dass die Umkehrströme 48 eine
Verkürzung der
Schließzeiten ΔT bewirken.
Allerdings führt
ein permanenter Umkehrstrom 48 dazu, dass sich im Magnetkreis
erneut ein magnetischer Fluss aufbaut, der zum Anzug des Magnetankers 5 führt. Dementsprechend
wird das Ventil unter Umständen
erneut geöffnet.
Beim Umkehrstrom 48 mit der Maßzahl x2 kommt es beispielsweise
gar nicht zu einem vollständigen
Schließen
des Schaltventils 1. Bei den Umkehrströmen 48 mit den Maßzahlen
x1 und x0,5 dagegen ist das Schaltventil 1 wenigstens zeitweise
geschlossen.
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Dieses
Verhalten kann bei dicht aufeinander folgenden Schließvorgängen ausgenutzt
werden, indem aufeinander folgende Schließvorgänge jeweils mit entgegen gerichteten
Schaltströmen 50 ausgeführt werden,
wobei die Umkehrströme 48 zwischen den
Schaltströmen 50 jeweils
zum Verkürzen
der Schließzeiten ΔT und zum
Vormagnetisieren für
den nachfolgenden Schaltzyklus dienen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
mit Umkehrströmen
zu arbeiten, ist in den 12 bis 15 dargestellt,
in denen jeweils entsprechend den 8 bis 11 Stromverläufe 51,
Magnetflussverläufe 52, Magnetkraftverläufe 53 sowie
Ventilhübe 54 dargestellt
sind.
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Die
Stromverläufe 51 unterscheiden
sich jeweils hinsichtlich der Amplitude und der Dauer von Umkehrpulsen 55.
In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Flankensteilheit
der Umkehrpulse 55 nicht beliebig steil gewählt werden
kann, da die Steuerelektronik der Steuerung 18 nicht beliebig
steile Stromtransienten liefern kann. Außerdem ist die Diffusionsgeschwindigkeit
des magnetischen Feldes im magnetischen Kreis begrenzt. Dies hat
zur Folge, dass auch bei einer idealen sprunghaften Stromumkehr
aufgrund der induzierten Wirbelströme und deren Diffusionen der
Abfall des magnetischen Flusses allmählich erfolgt.
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15 lässt sich
jedenfalls entnehmen, dass die Schließzeit ΔT umso kleiner ist, je größer die Amplitude
und die Dauer des Umkehrpulses 55 ist.
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In
den 16 bis 19 sind
schließlich Stromverläufe 56,
Magnetflussverläufe 57,
Magnetkraftverläufe 58 und
Nadelhübe 59 dargestellt.
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Bei
den Stromverläufen 56 werden
jeweils Umkehrpulse 60 mit gleicher Amplitude aber unterschiedlicher
Dauer an die Magnetspule 8 angelegt. Aus 19 geht
hervor, dass durch Um kehrpulse 60 längerer Dauer eine Verkürzung der
Schließzeit ΔT erreicht
wird.
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Es
sei angemerkt, dass in 17 nicht der Betrag des magnetischen
Flusses, sondern ein Vorzeichen behafteter magnetischer Fluss eingetragen ist.
Anhand 17 wird deutlich, dass mit zunehmender
Dauer der Umkehrpulse 60 der Betrag des magnetischen Flusses
erneut zunimmt. Dementsprechend steigt auch die Magnetkraft nach
dem ersten Prellkontakt erneut an. Bei ungünstiger Wahl der Länge der
Umkehrpulse 60 können
dadurch sogar Prellsprünge
vergrößert werden.
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Um
eine geeignete Pulsdauer für
die Umkehrpulse 60 zu ermitteln, kann beispielsweise die
ermittelten Schließzeiten ΔT gegen die
Dauer Δt
der Umkehrpulse aufgetragen wird. 20 zeigt
ein entsprechendes Diagramm. Ein Datenpunkt 61 gibt die Schließzeit ΔT ohne Umkehrstrom
an. Ein weiterer Datenpunkt 62 entspricht einer Schließzeit ΔTmin bei einer Dauer Δtmin eines
Umkehrpulses 60. Der Datenpunkt 62 stellt ein
Minimum für
die Schließzeit ΔT dar. Dadurch
ergibt sich gegenüber
dem Datenpunkt 61 eine Verkürzung 63 der Schließzeit ΔT.
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In 21 ist
schließlich
ein Stromverlauf 64 dargestellt, bei dem zwar zunächst ein
Umkehrpuls 65 angelegt wird, dem aber noch vor dem ersten Prellkontakt 43 ein
Dämpfstrompuls 66 folgt.
Durch den Dämpfstrompuls 66 wird
die Bewegung des Magnetankers 5 vor Erreichen des ersten
Prellkontakts abgebremst, so dass der Prellvorgang 42 gedämpft wird.
Allerdings müssen
in diesem Fall der Zeitpunkt und die Zeitdauer des Dämpfstrompulses 66 in
Abhängigkeit
von der Temperatur des Schaltventils gewählt werden, da ein Dämpfstrompuls 66 zum
falschen Zeitpunkt den Prellvorgang 42 verstärken kann.
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In
den 22 bis 24 sind
Wirbelstromverluste 67 sowie Magnetkraftverläufe 68 und
Nadelhübe 69 in
Abhängigkeit
von der Zeit für
verschiedene Temperaturen dargestellt. Anhand der in 24 dargestellten,
für unterschiedliche
Tempera turen berechneten Nadelhübe 69 wird
deutlich, dass der Verzug 40 temperaturabhängig ist.
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Das
Anlegen eines Umkehrstroms führt
in der Regel unabhängig
von der Temperatur zu einer Verkürzung
des Verzugs 40. Wenn jedoch ein mit dem Schaltstrom gleichgerichteter
Dämpfstrom
angelegt wird, kommt es auf den Zeitpunkt des Dämpfstrompulses 66 an.
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In 25 ist
eine radiale Magnetfeldverteilung 70 der axialen Komponente
des Magnetfelds und eine Wirbelstromverteilung 71 dargestellt.
Anhand von 25 ist erkennbar, dass beim
Schließen 27 im
Magnetanker Wirbelströme
angeworfen werden, die zunächst
ein inneres Magnetfeld 72 aufrechterhalten. Durch die Wirbelströme wird
allerdings auch ein äußeres Magnetfeld 73 erzeugt,
das dem inneren Magnetfeld 72 entgegengesetzt ist. Das äußere Magnetfeld 73 dringt
während
des Schließens 27 langsam
vom äußeren Rand
des Magnetankers 5 in das Innere des Magnetankers 5 vor.
Wenn der vom inneren Magnetfeld 72 erzeugte innere magnetische Fluss
gleich dem vom äußeren Magnetfeld 73 erzeugten äußeren magnetischen
Fluss ist, erreicht die Magnetkraft ihr Minimum. Dieser Vorgang
kann durch das Anlegen eines Umkehrstroms, der das äußere Magnetfeld 73 verstärkt, beschleunigt
werden.