DE102005058349A1

DE102005058349A1 - Elektromagnetischer Stellantrieb

Info

Publication number: DE102005058349A1
Application number: DE102005058349A
Authority: DE
Inventors: Jens Baumbach; Nikolay P. Belyaev; Frank Beyer; Alfred Dr. Elsässer; Eberhard Prof. Dr. Kallenbach; Rainer Otto; Wolfgang Schilling; Jan Schmidt
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellantrieb (1) zum Verstellen eines Stellglieds zwischen wenigstens drei Stellungen, umfassend einen Anker (2), der mit dem Stellglied antriebsgekoppelt ist, um eine Drehachse (4) drehbar ist und mehrere Ankerflächen (5, 6) aufweist, mehrere Polelemente (7), die Polflächen (8, 9) aufweisen, an denen die Ankerflächen (5, 6) in zwei Endstellungen des Ankers (2) zur Anlage kommen, eine Rückstelleinrichtung (10), die den Anker (2) in eine Ausgangslage antreibt, und mehrere den Polelementen (7) zugeordnete Spulen (12), mit deren Hilfe der Anker (2) in seinen Endstellungen mittels elektromagnetischer Kräfte festlegbar ist. DOLLAR A Um in beiden Schaltrichtungen möglichst gleiche Schaltzeiten zu realisieren, ist der Stellantrieb (1) so ausgestaltet, dass sich die Ausgangsstellung mittig zwischen den Endstellungen befindet und dass sich die am Anker (2) angreifenden elektromagnetischen Kräfte bei in der Ausgangsstellung ruhendem Anker (2) aufheben, wenn alle Spulen (12) bestromt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellantrieb zum Verstellen eines Stellglieds zwischen wenigstens drei Stellungen.
Stellantriebe dieser Art können beispielsweise zur Betätigung eines Luftaktventils im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine verwendet werden, mit dessen Hilfe eine Impulsaufladung der Brennkraftmaschine erzielbar ist. Grundsätzlich sind auch andere Anwendungsformen möglich, bei denen ein Stellglied vorzugsweise innerhalb sehr kurzer Schaltzeiten zwischen zwei verschiedenen Schaltstellungen umgeschaltet werden muss. Beispielsweise ist eine Verwendung eines derartigen Stellantriebs zum Verstellen von Gaswechselventilen bei Kolbenmotoren denkbar.

Aus der DE 10 2004 037 360 A1 ist ein Stellantrieb bekannt, der mit einem weichmagnetischen Anker ausgestattet ist. Der Anker ist mit einem Stellglied antriebsgekoppelt und weist mehrere Ankerflächen auf. Desweiteren weist der Stellantrieb mehrere weichmagnetische Polelemente auf, die mehrere Polflächen aufweisen, an denen die Ankerflächen in zwei End stellungen des Ankers zur Anlage kommen. Außerdem ist eine Rückstelleinrichtung vorgesehen, die den Anker mittels Federkraft in eine zwischen den Endstellungen liegende Ausgangsstellung antreibt. Beim bekannten Stellantrieb ist sämtlichen Polelementen eine gemeinsame elektromagnetische Spule zugeordnet, mit deren Hilfe die zum Festlegen des Ankers in dessen Endstellungen erforderlichen elektromagnetischen Kräfte erzeugt werden können.

Aus der DE 10 2005 029 018.3 vom 21.06.2005 ist ein weiterer Stellantrieb bekannt, der sich vom vorgenannten Stellantrieb schon dadurch unterscheidet, dass eine gerade Anzahl von wenigstens zwei Polelementen vorgesehen ist, wobei jedem Polelement eine separate elektromagnetische Spule zugeordnet ist. Zum Festlegen des Ankers in den Endstellungen werden die Spulen so bestromt, dass die Polflächen benachbarter Polelemente gegensinnig gepolt sind.

Bei Anwendungen eines derartigen Stellantriebs, bei denen extrem kurze Schaltzeiten zum Umschalten zwischen den beiden Endstellungen des Ankers gefordert werden, beispielsweise bei der Verwendung des Stellantriebs zur Betätigung eines Lufttaktventils, hat sich gezeigt, dass bekannte Stellantriebe in der einen Schaltrichtung eine kürzere Schaltzeit aufweisen als in der anderen Schaltrichtung. Um hochdynamische Vorgänge, wie sie beispielsweise bei der Impulsaufladung einer Brennkraftmaschine auftreten, besser beherrschen zu können, ist es wichtig, einen Stellantrieb verwenden zu können, der in beiden Schaltrichtungen weitgehend gleiche Schaltzeiten ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Stellantrieb der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch gleiche oder weitgehend gleiche Schaltzeiten in beiden Schaltrichtungen auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Stellantrieb im Hinblick auf die Ausgangsstellung des Ankers weitgehend symmetrisch auszugestalten. Hierzu wird vorgeschlagen, die die Verstellbewegung des Ankers beeinflussenden Komponenten des Stellantriebs, wie z.B. die Spulen, die Polflächen, die Ankerflächen, die Polelemente, der Anker und die Rückstelleinrichtung, so aufeinander abzustimmen, dass sich zum einen die Ausgangsstellung weitgehend mittig zwischen den Endstellungen befindet und dass sich zum anderen die am Anker angreifenden elektromagnetischen Kräfte weitgehend aufheben, wenn der Anker in der Ausgangsstellung ruht und wenn alle Spulen genau so wie in einem Haltebetrieb zum Festlegen des Ankers in den Endstellungen bestromt sind. Das bedeutet, dass sich der in der Ausgangsstellung ruhende Anker durch eine zum Festlegen des Ankers in den Endstellungen dienende Bestromung aller Spulen nicht oder nur unwesentlich aus der Ausgangsstellung auslenken lässt. Diese Bauweise hat zur Folge, dass die zum Verstellen des Ankers erzeugbaren elektromagnetischen Kräfte weitgehend symmetrisch wirken, wodurch sich bei gleichem Verstellweg für beide Schaltrichtungen weitgehend gleiche Schaltzeiten erzielen lassen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine Steuerung vorgesehen sein, mit deren Hilfe die Bestromung der Spulen steuerbar ist. Um den Stellantrieb in Betrieb nehmen zu können, ist es erforderlich, den in der Ausgangsstellung ruhenden Anker zunächst in eine seiner Endstellungen zu überführen. Hierzu muss er aus der Ausgangsstellung ausgelenkt werden, was jedoch mit der dem Haltebetrieb dienenden symmetrischen Bestromung der Spulen beim erfindungsgemäßen Stellantrieb nicht möglich ist. Dementsprechend schlägt die Erfindung bei einer Weiterbildung vor, die Steuerung so auszugestalten, dass sie in einem Startbetrieb zum Auslenken des ruhenden Ankers aus der Ausgangsstellung die Spulen asymmetrisch bestromt, derart, dass die am Anker angreifenden elektromagnetischen Kräfte in Richtung einer der Endstellungen überwiegen. Die Auslenkung des Ankers aus der Ausgangsstellung wird somit durch eine gezielte asymmetrische, vom Haltebetrieb abweichenden Bestromung der Spulen erreicht. Dabei können die wirksamen elektromagnetischen Kräfte grundsätzlich so groß sein, dass sie den Anker aus der Ausgangsstellung entgegen der Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung direkt in die jeweilige Endstellung überführen können. Falls die erzeugbaren elektromagnetischen Kräfte dazu nicht ausreichen, ist es zweckmäßig, die Bestromung der Spulen im Resonanzfrequenzbereich des durch den Anker und die damit gekoppelte Rückstelleinrichtung gebildeten Feder-Masse-Schwingers zu takten, um so die Schwingungsamplituden durch Aufschaukeln rasch auf ein ausreichendes Maß anwachsen zu lassen. Durch die asymmetrische Bestromung der Spulen lässt sich außerdem gezielt und sicher diejenige Endstellung voraussagen, in welcher der Anker am Ende des Startbetriebs an den Polelementen festgelegt ist. Die Betriebssicherheit des Stellantriebs wird dadurch erhöht, wobei gleichzeitig auf eine aufwändige Sensorik verzichtet werden kann.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Anker wenigstens eine bezüglich einer durch die Drehachse des Ankers verlaufende Symmetrieebene spiegelsymmetrische Kennlinienbeeinflussung aufweisen, die so ausgestaltet ist, dass bei aus der Ausgangslage ausgelenktem Anker die am Anker angreifenden elektromagnetischen Kräfte in Richtung derjenigen Endstellung verstärkt werden, in deren Richtung der Anker ausgelenkt ist. Diese Ausführungsform reduziert die zum Anziehen des Ankers aus der Ausgangsstellung in die jeweiligen Endstellung erforderlichen elektromagnetischen Kräfte, so dass es insbesondere vereinfacht ist, den in der Ausgangsstellung ruhenden Ankern direkt in die gewünschte Endstellung anzuziehen. Zumindest lässt sich die Anzahl der Schwingungsvorgänge bei einem Anschwingvorgang reduzieren.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1a bis 1e jeweils einen stark vereinfachten, prinzipiellen Querschnitt durch einen Stellantrieb bei unterschiedlichen Ankerstellungen,
2 und 3 Ansichten wie in 1, jedoch bei anderen Ausführungsformen des Stellantriebs.
Entsprechend den 1a bis 1e umfasst ein elektromagnetischer Stellantrieb 1 einen Anker 2, der auf nicht dargestellte Weise mit einem ebenfalls nicht gezeigten Stellglied antriebsgekoppelt ist bzw. damit antriebskoppelbar ist. Beispielsweise sitzt der Anker 2 hierzu drehfest auf einer Welle 3, die um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Die Welle 3 ist beispielsweise mit besagtem Stellglied drehfest verbunden, so dass über die Welle 3 der Anker 2 mit dem Stellglied antriebsgekoppelt ist.
Der Stellantrieb 1 zeichnet sich insbesondere durch extrem kurze Schaltzeiten aus. Beispielsweise kann das Stellglied ein Ventil oder eine Klappe oder ein beliebiges anderes Stellorgan sein, das sich mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit bzw. mit extrem kurzen Schaltzeiten zwischen wenigstens zwei Schaltstellungen oder Endstellungen umgeschaltet werden soll. Vorzugsweise handelt es sich beim Stellantrieb 1 um einen Hochgeschwindigkeitsstellantrieb zur Betätigung eines Lufttaktventils, das in einem Ansaugtrakt angeordnet ist und beispielsweise zur Erzeugung einer Impulsaufladung einer Brennkraftmaschine dient. Das genannte Anwendungsbeispiel ist rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit. Ein solcher Hochgeschwindigkeitsstellantrieb charakterisiert sich durch kurze Schaltzeiten, die erforderlich sind, um das Stellglied von der einen Endstellung in die andere Endstellung umzuschalten. Die erreichbaren Schaltzeiten liegen beispielsweise unterhalb 5ms, vorzugsweise unterhalb 3ms. Ein derartiger Hochgeschwindigkeitsstellantrieb ist beispielsweise aus der DE 101 40 706 A1 bekannt, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zur Offenbarung der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wird.
Der Anker 2 weist mehrere Ankerflächen 5, 6 auf. Im Beispiel der 1a bis 1e sind insgesamt acht Ankerflächen 5, 6 vorgesehen, nämlich vier erste Ankerflächen 5, die in der einen Drehrichtung vorausgehen und vier zweite Ankerflächen 6, die in der anderen Drehrichtung vorausgehen. Der Anker 2 besteht aus einem weichmagnetischen Werkstoff.
Desweiteren weist der Stellantrieb 1 mehrere Polelemente 7 auf, die ebenfalls aus einem weichmagnetischen Werkstoff bestehen. Die Polelemente 7 sind vorzugsweise bezüglich der Drehachse 4 gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Komplementär zu den Ankerflächen 5, 6 besitzen die Polelemente 7 eine entsprechende Anzahl an Polflächen 8, 9, nämlich vier erste Polflächen 8 und vier zweite Polflächen 9.
Der Stellantrieb 1 kann den Anker 2 und somit das damit verbundene Stellglied zwischen genau zwei Endstellungen verstellen. In der ersten Endstellung liegt der Anker 2 mit seinen ersten Ankerflächen 5 an den Polelementen 7 an deren ersten Polflächen 8 an. Die erste Endstellung ist in 1a wiedergegeben. 1c zeigt die zweite Endstellung, in welcher der Anker 2 mit seinen zweiten Ankerflächen 6 an den Polelementen 7 an deren zweiten Polflächen 9 anliegt.
Der Stellantrieb 1 ist außerdem mit einer Rückstelleinrichtung 10 ausgestattet, die so ausgestaltet ist, dass sie den Anker 2 mittels einer Rückstellkraft in eine Ausgangsstellung antreibt. Besagte Ausgangsstellung ist beispielsweise in 1c wiedergegeben und liegt zwischen den beiden Endstellungen. Erfindungsgemäß liegt die Ausgangsstellung mittig zwischen den beiden Endstellungen. Dabei ist klar, dass eine exakt mittige Anordnung ein Frage der Messgenauigkeit ist. Versucht wird, die mittige Anordnung möglichst genau zu erreichen, wobei dem Herstellungsprozess entsprechende, übliche Herstellungstolleranzen auftreten können. Die Rückstelleinrichtung 10 kann eine oder mehrere Federn umfassen und ist so ausgestaltet, dass sie eine Auslenkung des Ankers 2 aus der Ausgangsstellung in der einen Drehrichtung und in der anderen Drehrichtung jeweils federnde Rückstellkräfte, also insbesondere Federkräfte, entgegensetzt. Sofern am Anker 2 keine andere Kräfte angreifen, stellt sich somit die Ausgangsstellung von selbst ein, so dass diese auch als Neutralstellung des Ankers 2 bezeichnet werden kann. Vorzugsweise ist die Rückstelleinrichtung 10 durch eine Torsionsfeder gebildet, die beispielsweise koaxial im Inneren der Welle 3 angeordnet ist, wozu diese als Hohlwelle ausgebildet sein kann.
In seinen Endstellungen kann der Anker 2 entgegen der Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung 10 mit Hilfe von elektromagnetischen Kräften festgehalten bzw. festgelegt werden. Hierzu ist eine Steuerung 11 vorgesehen, die mit mehreren elektromagnetischen Spulen 12 zusammenwirkt. Die Steuerung 11 umfasst dabei eine nicht näher gezeigte Leistungselektronik zum Steuern bzw. Regeln der Spulen 12, also insbesondere zum gezielten Bestromen (Einschalten) und Entstromen (Ausschalten) der Spulen 12. Für jedes Polelement 7 ist eine separate Spule 12 vorgesehen. Dabei umschließt die jeweilige Spule 12 das zugehörige Polelement 7 koaxial. Da die Polelemente 7 bezüglich der Drehachse 4 radial ausgerichtet sind, verläuft eine Wickelachse der jeweiligen Spule 12 ebenfalls radial.
Vorzugsweise ist die Steuerung 11 so ausgestaltet, dass sie für den Fall, dass der Anker 2 in einer seiner Endstellungen festgelegt werden soll, alle Spulen 12 so bestromt, dass die Polflächen 8, 9 benachbarter Polelemente 7 gegensinnig magnetisch gepolt sind. Bei den in Umfangsrichtung benachbarten Polelementen 7 wechseln sich somit Plus-Pol und Minus-Pol ab. Die in Umfangsrichtung abwechselnde Polung der Polelemente 7 begünstigt in den Endstellungen des Ankers 2 die Ausbildung eines magnetischen Schlusses oder Magnetkreises, der benachbarte Polelemente 7 über den Anker 2 miteinander verbindet. Die sich ausbildenden Magnetschlusskreise sind in den 1a, 1c, 1d und 1e durch mögliche Magnetfeldlinien angedeutet, die mit 13 bezeichnet sind. Mit Hilfe derartiger Magnetschlusskreise 13 können besonders hohe Haltekräfte erzeugt werden, wobei gleichzeitig der hierzu erforderliche Strombedarf sinkt. Zum Festlegen des Ankers 2 in seinen Endstellungen realisiert die Steuerung 11 einen Haltebetrieb, in dem sämtlichen Spulen 12 so bestromt sind, dass sich die erforderlichen elektromagnetischen Haltekräfte ausbilden können.
Um den magnetischen Schluss möglichst effektiv auszugestalten, sind die Ankerflächen 5, 6 und die Polflächen 8, 9 vergleichsweise groß ausgestaltet und insbesondere so aufeinander abgestimmt, dass sich in der jeweiligen Endstellung eine flächige Kontaktierung zwischen den Polflächen 8, 9 und den Ankerflächen 5, 6 ausbildet. Um die Ausbildung der Magnetflusskreise 13 zu unterstützen, umfasst der Stellantrieb 1 einen Jochkörper 18 aus weichmagnetischem Material, vorzugsweise in Schichtbauweise.
Beim erfindungsgemäßen Stellantrieb 1 sind die Spulen 12, die Polflächen 8, 9, die Ankerflächen 5, 6, die Poelemente 7, der Anker 2 und die Rückstelleinrichtung 10 so ausgestaltet bzw. so aufeinander abgestimmt, dass sich zum einen die Ausgangsstellung des Ankers 2 – wie oben erwähnt – mittig zwischen den beiden Endstellungen des Ankers 2 befindet und dass sich zum anderen die am Anker 2 angreifenden elektromagnetischen Kräfte gegenseitig aufheben, wenn der Anker 2 in seiner Ausgangsstellung ruht und wenn alle Spulen 12 wie im Haltebetrieb zum Festlegen des Ankers 2 in seinen Endstellungen bestromt sind.
Auch hier ist klar, dass das Maß der erreichbaren gegenseitigen Aufhebung der am Anker 2 angreifenden elektromagnetischen Kräfte von der jeweiligen Messgenauigkeit abhängt, so dass insbesondere eine exakte gegenseitige Aufhebung nicht oder nur zufällig erreichbar ist. Versucht wird jedoch eine möglichst weitgehende und möglichst genaue Aufhebung der am Anker 2 angreifenden elektromagnetischen Kräfte, wobei auch hier durch den jeweiligen Herstellungsprozess bedingte, entsprechende Herstellungstoleranzen auftreten. Die gegenseitige Aufhebung der elektromagnetischen Kräfte charakterisiert sich dadurch, dass der in seiner Ausgangsstellung ruhende Anker 2 durch die dem Haltebetrieb entsprechende Bestromung der Spulen 12 nicht oder nur unwesentlichen aus seiner Ausgangsstellung ausgelenkt werden kann. Diese Bauweise hat mitunter zur Folge, dass der bei Inbetriebnahme des Stellantriebs 1 zwangsläufig in seiner Ausgangsstellung ruhende Anker 2 nicht durch herkömmliche Maßnahmen in eine seiner Endstellungen überführt werden kann. Beispielsweise funktioniert eine getaktete Bestromung der Spulen 12 im Haltebetrieb-Modus mit der Resonanzfrequenz des aus Anker 2, Rückstelleinrichtung 10 und Stellglied gebildeten Feder-Masse-Schwingers nicht, da sich die elektromagnetischen Kräfte im Anker 2 stets aufheben, so dass in der Regel keine verstärkbare Schwingungsamplitude entsteht.
Mit der Formulierung „in der Ausgangsstellung ruhender Anker 2" ist der Betriebszustand gemeint, der sich bei entstromten Spulen 12 selbsttätig einstellt und der folglich bei Inbetriebnahme des Stellantriebs 1 zwangsläufig vorliegt. In diesem Ausgangszustand steht der Anker 2 in der Ausgangsstellung still.
Die erfindungsgemäße Bauweise hat jedoch außerdem zur Folge, dass die Schaltzeit zum Umschalten des Ankers 2 von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung gleich groß ist wie die Schaltzeit zum Zurückschalten von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung. Auch hier ist die Aussage „gleich groß" eine Frage der erzielbaren Messgenauigkeit, so dass exakt gleich große Schaltzeiten vermutlich nicht erreichbar sind. Erwünscht ist eine möglichst weitgehende Übereinstimmung der Schaltzeiten, wobei auch hier geringe Schaltzeitdifferenzen aufgrund von Herstellungstolleranzen auftreten können. Der erfindungsgemäße Stellantrieb 1 zeichnet sich somit durch (weitgehend) gleiche Schaltzeiten zum Hin- und Herschalten des Ankers 2 zwischen dessen Endstellungen aus. Hierdurch kann der Stellantrieb 1 eine besonders hohe Präzision für Schaltvorgänge des Stellglieds erzielen, was insbesondere bei hochdynamischen Anwendungen die erzielbare Genauigkeit erhöht. Insbesondere lässt sich mit Hilfe des Stellantriebs 1 die Funktion eines Lufttaktventils, das zur Impulsaufladung einer Brennkraftmaschine dient, optimieren.
Damit sich die elektromagnetischen Kräfte im in der Ausgangsstellung ruhenden Anker 2 bei einer Bestromung entsprechend dem Haltebetrieb gegenseitig aufheben, sind die Spulen 12 und die Polelemente 7 ebenso wie deren Polflächen 8, 9 vorzugsweise identisch aufgebaut und bezüglich der Drehachse 4 symmetrisch verteilt angeordnet. Desweiteren ist auch der Anker 2 vorzugsweise bezüglich einer Symmetrieebene 14, in welcher die Drehachse 4 liegt, spiegelsymmetrisch ausgestaltet. Durch den gewählten symmetrischen Aufbau vereinfacht sich die Realisierung des Stellantriebs 1. Grundsätzlich sind jedoch auch asymmetrische Aufbauten möglich, wobei die jeweilige Asymmetrie mit geeigneten Gegenmaßnahmen verbunden ist, um am Ende wieder symmetrische magnetische Kräfte in der Ausgangsstellung realisieren zu können. Beispielsweise kann eines der Polelemente 7 kleiner ausgeführt werden, wobei als Gegenmaßnahme die zugehörige Spule 12 leistungsfähiger ausgestaltet ist.
Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist der Anker 2 zwar bezüglich der Spiegelebene 14 spiegelsymmetrisch ausgestaltet, jedoch ist er bezüglich einer senkrecht zur Spiegelebene 14 verlaufenden, ebenfalls die Drehachse 4 enthaltenden Ebene 15 asymmetrisch ausgestaltet. Diese Asymmetrie bezüglich der Ebene 15 entsteht durch die gezielte Anbringung von Kennlinienbeeinflussungen 16. Die Kennlinienbeeinflussungen 16 sind wieder bezüglich der Spiegelebene 14 spiegelsymmetrisch und bezüglich der Ebene 15 asymmetrisch angeordnet und dienen dazu, gezielt bestimmte Ankerflächen 5, 6 zu vergrößern. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kennlinienbeeinflussungen 16 schulterartige Kreisbogensegmente, die in der jeweiligen Endstellung mit radial innenliegenden Stirnseiten 17 der Polelemente 7 zusammenwirken. Die Stirnseiten 17 bilden dadurch Vergrößerungen der Polflächen 8, 9. Die Stirnseiten 17 können ebenfalls als Kreisbogensegmente ausgestaltet sein.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Inbetriebnahme des Stellantriebs 1 näher erläutert.
In 1c befindet sich der Stellantrieb 1 in einem Ausgangszustand, der sich bei ausgeschaltetem Stellantrieb 1 automatisch einstellt. In diesem Ausgangszustand befindet sich der Anker 2 in seiner Ausgangsstellung, also mittig zwischen den beiden Endstellungen. Um den Stellantrieb 1 betriebsbereit zu machen, muss der Anker 2 in eine seiner Endstellungen überführt werden. Vorzugsweise muss der Anker 2 bei seiner Inbetriebnahme sogar in eine bestimmte Endstellung, z.B. die zweite Endstellung, überführt werden.
Um den Anker 2 aus der Ausgangsstellung in die gewünschte Endstellung, hier in die zweite Endstellung auslenken zu können, ist die Steuerung 11 beim erfindungsgemäßen Stellantrieb 1 so ausgestaltet, dass sie die Spulen 12 asymmetrisch bestromen kann. Durch die asymmetrische Bestromung der Spulen 12 werden die am Anker 2 angreifenden elektromagnetischen Kräfte asymmetrisch, also ungleich und können sich in der Folge nicht mehr gegenseitig aufheben, so dass die elektromagnetischen Kräfte in einer der Drehrichtungen überwiegen. Beispielsweise kann die asymmetrische Bestromung der Spulen 12 dadurch erreicht, dass nicht alle Spulen 12 gleich bestromt werden, sondern dass wenigstens eine der Spulen 12 gar nicht bestromt wird oder zumindest weniger bestromt wird als im Haltebetrieb. Im Beispiel gemäß 1c werden beispielsweise nur die obere und die rechte Spule 12 bestromt, während die linke und die untere Spule 12 unbestromt bleiben. In der Folge bildet sich nur ein Magnetflusskreis 13 aus, der in 1c angedeutet ist. Da der Anker 2 durch die gezielte Anbringung der Kennlinienbeeinflussungen 16 bezüglich der Ebene 15 asymmetrisch ist, können die bestromten Spulen 12 elektromagnetische Kräfte in den Anker 2 einleiten, die im Anker 12 ein Drehmoment erzeugen. Die den bestromten Spulen 12 zugewandten zweiten Ankerflächen 6 sind durch die Kennlinienbeeinflussungen 16 vergrößert und dadurch größer als die den bestromten Spulen 12 zugewandten ersten Ankerflächen 5. In der Folge überwiegt die Anzie hungskraft zwischen den zweiten Ankerflächen 6 und den Kennlinienbeeinflussungen 16 einerseits und den zweiten Polflächen 9 und den Stirnseiten 17 andererseits. Der Anker 2 kann in der Folge im Uhrzeigersinn aus seiner Ausgangsstellung ausgelenkt werden.
1d zeigt eine in Richtung der zweiten Endstellung erfolgte Auslenkung des Ankers 2 aus seiner Ausgangstellung. Bei dieser Drehlage können die Kennlinienbeeinflussungen 16 bereits intensiv mit den Stirnseiten 17 der aktiven Polelemente 7 zusammenwirken. Bei ausgelenktem Anker 2 werden nun auch die anderen Spulen 12 bestromt. Da sich der Anker 2 nicht mehr in seiner Ausgangsstellung befindet, können auch die zugeschalteten Spulen 12 ein zusätzliches Drehmoment im Uhrzeigersinn in den Anker 2 einleiten. Die Bestromung der Spulen 12 ist hierbei wieder symmetrisch wie im Haltebetrieb. Bei Erreichen der zweiten Endstellung bleibt der Anker 2 entsprechend 1e an den Polelementen 7 haften.
Durch die Kennlinienbeeinflussungen 16 wird bei der Ausführungsform gemäß 1a bis 1e zum einen die Auslenkung des Ankers 2 aus dessen Ausgangsstellung ermöglicht. Zum anderen gewährleisten die Kennlinienbeeinflussungen 16, dass sich der Anker 2 im Startbetrieb, also bei asymmetrischer Bestromung der Spulen 12 in einer vorbestimmten Drehrichtung aus seiner Ausgangsstellung herausbewegt. Durch die Kennlinienbeeinflussungen 16 kann außerdem sicher gestellt werden, dass der Anker 2 am Ende des Startbetriebs in der jeweils vorbestimmten Endstellung von den Polelementen 7 festgehal ten wird. Dabei kann auf eine entsprechende Sensorik zur Ermittlung der jeweiligen Endstellung des Ankers 2 verzichtet werden.
Grundsätzlich ist es möglich, den Stellantrieb 1 so auszugestalten, dass die im Startbetrieb erzeugbaren elektromagnetischen Kräfte ausreichen, den Anker 2 direkt aus der Ausgangsstellung in die gewünschte Endstellung zu ziehen. Alternativ kann auch eine mit der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems getaktete asymmetrische Bestromung zielführend sein, wenn die erzeugbaren elektromagnetischen Anziehungskräfte für ein direktes anziehen aus der Ausgangsstellung nicht ausreichen.
Im folgenden wird noch ein Verfahren zum Umschalten des Ankers 2 von der einen Endstellung in die andere Endstellung näher erläutert.
In 1a befindet sich der Anker 2 in seiner ersten Endstellung. Die Steuerung 11 betreibt die Spulen 12 im Haltebetrieb und bestromt diese dabei symmetrischen, also mit gleichen Strömen zur Erzeugung gleicher bzw. symmetrischer elektromagnetischer Haltekräfte.
Um den Anker 2 von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung überführen zu können, betreibt die Steuerung 11 die Spulen 12 in einem Umschaltbetrieb. Im Umschaltbetrieb schaltet die Steuerung 11 alle Spulen 12 aus. Die Polelemente 7 sind deaktiviert und die Rückstellkraft der Rückstel lenrichtung 10 beschleunigt den Anker 2 in Richtung der zweiten Endstellung. 1b zeigt den Anker 2 unmittelbar nach dem Abheben aus seiner ersten Endstellung.
Entsprechend 1c schwingt der Anker 2 durch die Ausgangsstellung hindurch. In der Ausgangsstellung hat der Anker 2 seine größte Drehgeschwindigkeit. Seine kinetische Energie reicht – abgesehen von Reibungseffekten – aus, den Anker 2 bis in die zweite Endstellung zu überführen, wobei jedoch die Rückstelleinrichtung 10 die Bewegung des Ankers 2 ab der Ausgangsstellung zunehmend abbremst.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuerung 11 nun so ausgestaltet sein, dass sie wie im Startbetrieb bei Erreichen der Ausgangsstellung die Spulen 12 asymmetrisch bestromt. Im gezeigten Beispiel werden wieder nur die obere und die rechte Spule 12 bestromt, während die linke und die untere Spule 12 ausgeschaltet bleiben. Wie im Startbetrieb unterstützen die resultierenden elektromagnetischen Kräfte die Drehbewegung des Ankers 2, und zwar aufgrund der Kennliniebeeinflussungen 16 in der gewünschten Drehrichtung.
In 1d erreicht der Anker 2 eine zwischen seiner Ausgangsstellung und seiner zweiten Endstellung liegende Drehlage, in welcher nun auch die beiden anderen, bisher ausgeschalteten Spulen 12 zugeschaltet, also bestromt werden. Aufgrund der Auslenkung aus der Ausgangsstellung unterstützen die zusätzlichen elektromagnetischen Kräfte die Drehbewegung des Ankers 2 in der richtigen Drehrichtung.
In 1e erreicht der Anker 2 seine zweite Endstellung. Der Umschaltvorgang ist beendet. Die Steuerung 11 kann vom Umschaltbetrieb in den Haltebetrieb umschalten. Die Bestromung der Spulen 12 ist somit wieder symmetrisch und erfolgt im Haltebetrieb.
Dabei ist klar, dass unmittelbar vor der Kontaktierung zwischen Anker 2 und Polelementen 7 die Bestromung der Spulen 12 ausgeschaltet oder reduziert werden kann, um die Kollisionsgeschwindigkeit zwischen Anker 2 und Polelementen 7 zu verkleinern, was Verschleiß und Geräuschentwicklung reduziert. Ebenso ist es möglich, im Haltebetrieb die Bestromung der Spulen 12 symmetrisch zu reduzieren, da die Haltekräfte aufgrund der voll ausgebildeten Magnetflusskreise 13 in den Endstellung kleiner sein können als die Kräfte, die zum Anziehen des Ankers 2 in die jeweilige Endstellung benötigt werden.
Bemerkenswert ist außerdem, dass die Steuerung 11 vorzugsweise auch so ausgestaltet ist, das sie die Spulen 12 in beiden Endstellungen mit gleichbleibender Polung bestromt. Beim Umschaltbetrieb werden somit die Spulen 12 lediglich ausgeschaltet und mit gleicher Polung wieder eingeschaltet, was eine erhebliche Vereinfachung für die Leistungselektronik mit sich bringt. Vergleiche hierzu die eingangs genannte DE 10 2005 029 018 A1 , deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zur Offenbarung der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wird.
Entsprechend 2 kann der Stellantrieb bei einer anderen Ausführungsform genau drei Polelemente 7 aufweisen, die jeweils mit einer eigenen Spule 12 ausgestattet sind. Der Anker 2 besitzt dementsprechend drei Paare von ersten und zweiten Ankerflächen 5, 6, die mit entsprechenden ersten und zweiten Polflächen 8, 9 zusammenwirken. Gezeigt ist die Ausgangsstellung. Wenn alle Spulen 12 so bestromt werden, wie sie auch in der jeweiligen Endstellung bestromt werden, insbesondere wenn alle drei Spulen 12 gleich bestromt werden, heben sich auch die am Anker 2 angreifenden elektromagnetischen Kräfte gegenseitig auf, so dass der Anker 2 in seiner Ausgangsstellung verbleibt. Um den Anker 2 hier in die im Uhrzeigersinn liegende Endstellung auszulenken, werden nur die obere und die rechte Spule 12 eingeschaltet, während die links gezeigte Spule 12 ausgeschaltet bleibt. In der Folge bildet sich der eingezeichnete Magnetflusskreis 13 aus, der im Anker 2 ein im Uhrzeigersinn orientiertes Moment erzeugt. Grundsätzlich läuft der Startbetrieb bei dem in 2 gezeigten Stellantrieb 1 gleich ab wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform. Darüber hinaus kann auch der Umschaltbetrieb bei der in 2 gezeigten Ausführungsform grundsätzlich gleich ablaufen wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform. Bei der in 2 gezeigten Variante besteht jedoch zusätzlich die Möglichkeit, die beim Durchschwingen der Ausgangsstellung nicht bestromte Spule 12 auch anschließend nicht zu bestromen und auch im Haltebetrieb nur zwei der drei Spulen 12 zu bestromen. Die mit den drei Spulen 12 ausgestaltete Ausführungsform des Stellan triebs 1 charakterisiert sich dann dadurch, dass in den Endstellungen jeweils nur zwei der drei Spulen 12 bestromt sind. Dabei ist eine der Spulen 12 in jeder Endstellung bestromt, während die beiden anderen Spulen 12 in den beiden Endstellung wechselweise bestromt sind. Zum Umschalten zwischen den Endstellungen wird somit die eine Spule ausgeschaltet und beim Durchfahren der Ausgangsstellung wieder eingeschaltet, während von den beiden anderen Spulen 12 die eine ausgeschaltet wird und die andere beim Durchfahren der Ausgangsstellung eingeschaltet wird.
Entsprechend 3 kann der Stellantrieb 1 bei einer weiteren Ausführungsform grundsätzlich auch mit nur zwei Polelementen 7 und dementsprechend mit nur zwei Spulen 12 auskommen. Auch bei dieser Ausführungsform lassen sich Spulen 12, Polflächen 8, 9, Ankerflächen 5, 6, Polelemente 7, Anker 2 und Rückstelleinrichtung 10 so aufeinander abstimmen, dass sich die Ausgangsstellung des Ankers 2 mittig zischen den Endstellungen befindet und dass sich die auf den in der Ausgangsstellung ruhenden Anker 2 einwirkenden elektromagnetischen Kräfte gegenseitig aufheben, wenn beide Spulen 12 wie in der jeweiligen Endstellung bestromt sind. Zur Auslenkung des Ankers 2 aus der Ausgangsstellung reicht es, nur eine der Spulen 12 zu bestromen, beispielsweise die rechts dargestellte Spule 12. In der Folge kann sich wieder ein Magnetflusskreis 13 ausbilden. Auch bei dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, dass in der jeweiligen Endstellung beide Spulen 12 bestromt sind. Die in 3 gezeigte Ausführungsform charakterisiert sich somit beim Umschalten durch ein wechselweises Ein- bzw. Ausschalten der beiden Spulen 12.

Claims

Elektromagnetischer Stellantrieb zum Verstellen eines Stellglieds zwischen wenigstens drei Stellungen, insbesondere zum Verstellen einer Schaltklappe in einem Frischgastrakt einer Brennkraftmaschine, – mit einem weichmagnetischen Anker (2), der mit dem Stellglied antriebsgekoppelt oder antriebskoppelbar ist, der um eine Drehachse (4) drehverstellbar angeordnet ist und der mehrere Ankerflächen (5, 6) aufweist, – mit mehreren weichmagnetischen Polelementen (7), die mehrere Polflächen (8, 9) aufweisen, an denen die Ankerflächen (5, 6) in zwei Endstellungen des Ankers (2) zur Anlage kommen, – mit einer Rückstelleinrichtung (10), die den Anker (2) mittels Rückstellkraft in eine zwischen den Endstellungen liegende Ausgangsstellung antreibt, – mit mehreren, den Polelementen (7) zugeordneten elektromagnetischen Spulen (12), mit deren Hilfe der Anker (2) in seinen Endstellungen mittels elektromagnetischer Kräfte festlegbar ist, – wobei die Spulen (12), die Polflächen (8, 9), die Ankerflächen (5, 6), die Polelemente (7), der Anker (2) und die Rückstelleinrichtung (10) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich die Ausgangsstellung mittig zwischen den End stellungen befindet und dass sich die am Anker (2) angreifenden elektromagnetischen Kräfte bei in der Ausgangsstellung ruhendem Anker (2) aufheben, wenn alle Spulen (12) wie in einem Haltebetrieb zum Festlegen des Ankers (2) in der jeweiligen Endstellung bestromt sind.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestromen der Spulen (12) eine Steuerung (11) vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass sie die Spulen (12) zum Festlegen des Ankers (2) in beiden Endstellungen jeweils mit gleichbleibender Polung bestromt.
Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestromen der Spulen (12) eine Steuerung (11) vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass sie in einem Startbetrieb zum Auslenken des ruhenden Ankers (2) aus der Ausgangsstellung die Spulen (12) asymmetrisch bestromt, derart, dass die am Anker (2) angreifenden elektromagnetischen Kräfte in Richtung einer der Endstellungen überwiegen.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestromen der Spulen (12) eine Steuerung (11) vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass sie in einem Umschaltbetrieb zum Verstellen des Ankers (2) von der einen Endstellung in die andere Endstellung zunächst den Haltebetrieb beendet und die Bestromung der dem Anker (2) in der einen Endstellung festlegenden Spulen (12) ausschaltet, dann bei Erreichen der Ausgangsstellung die Spulen (12) asymmetrisch bestromt, derart, dass die am Anker (2) angreifenden elektromagnetischen Kräfte in Richtung der anderen Endstellung überwiegen, und anschließend den Haltebetrieb wieder beginnt und die Spulen (12) wieder zum Festlegen des Ankers (2) in der anderen Endstellung symmetrisch bestromt.
Stellantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) so ausgestaltet ist, dass sie beim asymmetrischen Bestromen der Spulen (12) zumindest eine der Spulen (12) nicht bestromt oder weniger bestromt als im Haltebetrieb.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – dass der Anker (2) spiegelsymmetrisch bezüglich einer die Drehachse (4) enthaltenden Symmetrieebene (14) ausgestaltet ist, und/oder – dass der Anker (2) bezüglich einer die Drehachse (4) enthaltenden, senkrecht zur Symmetrieebene (14) verlaufenden Ebene (15) asymmetrisch ausgestaltet ist.
Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (2) wenigstens eine bezüglich der Symmetrieebene (14) spiegelsymmetrische Kennlinienbeeinflussung (16) aufweist, die so ausgestaltet ist, dass sie bei aus der Aus gangsstellung ausgelenktem Anker (2) die am Anker (2) angreifenden elektromagnetischen Kräfte in Richtung derjenigen Endstellung verstärkt, in deren Richtung der Anker (2) ausgelenkt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – bei dem in einem Startbetrieb zum Auslenken des ruhenden Ankers (2) aus der Ausgangsstellung die Spulen (12) asymmetrisch bestromt werden, so dass die am Anker (2) angreifenden elektromagnetischen Kräfte in Richtung einer der Endstellungen überwiegen, und/oder – bei dem in einem Umschaltbetrieb zum Verstellen des Ankers (2) von der einen Endstellung in die andere Endstellung zunächst der Haltebetrieb beendet wird, indem die Bestromung der den Anker (2) in der einen Endstellung festlegenden Spulen (12) ausgeschaltet wird, dann bei Erreichen der Ausgangsstellung die Spulen (12) asymmetrisch bestromt werden, derart, dass die am Anker (2) angreifenden elektromagnetischen Kräfte in Richtung der anderen Endstellung überwiegen, und anschließend der Haltebetrieb wieder begonnen wird, indem die Spule (12) wieder zum Festlegen des Ankers (2) in der anderen Endstellung symmetrisch bestromt werden.