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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung zum Verstellen
eines Stellglieds zwischen zwei Endstellungen, insbesondere zur
Steuerung einer Gasströmung bei einer Brennkraftmaschine.
Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einer solchen
Stelleinrichtung ausgestattete Ventileinrichtung. Ferner betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Stellvorrichtung.
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Bei
der sogenannten „Impulsaufladung” von Brennkraftmaschinen
können schnellschaltende Ventile zum Einsatz kommen. Ein
schnellschaltendes Ventil kann hierzu in einer einem einzelnen Zylinder der
Brennkraftmaschine Frischgas zuführenden Frischgasleitung
stromauf eines Einlassventils angeordnet sein. Durch die Ausnutzung
strömungsdynamischer Effekte lassen sich in der jeweiligen
Frischgasleitung Druckwellen erzeugen, mit deren Hilfe die Beladung
des jeweiligen Zylinders verbessert werden kann. Für derartige
schnellschaltende Ventile sind außerdem andere Anwendungsgebiete
bekannt. Beispielsweise lassen sie sich dazu verwenden, eine Abgasrückführrate
zu steuern. Hierzu kann das jeweilige schnellschaltende Ventil beispielsweise
in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet sein, und
zwar stromab einer Entnahmestelle für rückzuführendes
Abgas. Durch kurzzeitiges, getaktetes Schließen des Ventils
können Druckimpulse in der Abgasleitung dazu verwendet
werden, die Rückführung von Abgas zu begünstigen.
Hierzu sind extrem kurze Schaltzeiten für das Umschalten
von einer einem Schließzustand zugeordneten Endstellung und
einer einem Offenzustand zugeordneten Endstellung erforderlich.
Die Umschaltzeiten derartiger schnellschaltender Ventile liegen
im Bereich der Schaltzeiten von Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine.
Beispielsweise kann ein schnellschaltendes Ventil während
einer Öffnungsphase eines Einlassventils zumindest einmal öffnen
und schließen. Die Schaltzeiten können dabei kleiner
als 10 ms und insbesondere im Bereich zwischen 2 ms und 5 ms liegen.
Ebenso kann für die Steuerung der Abgasrückführrate
ein derartiges Ventil in einer gemeinsamen Frischgasleitung angeordnet
sein, von der aus das Frischgas auf mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine
aufgeteilt wird. Dabei kann das Ventil stromauf oder stromab einer
Einleitstelle für rückzuführendes Abgas
in dieser gemeinsamen Frischgasleitung angeordnet sein. Im Betrieb
der Brennkraftmaschine können im Frischgasstrom Druckwellen
entstehen, die mit Hilfe des frischgasseitig angeordneten, schnellschaltenden
Ventils verstärkt und sogar erzeugt werden können.
Hierdurch kann der Druck an der Einleitstelle beeinflusst werden,
was sich zur Steuerung der Abgasrückführrate nutzen
lässt.
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Ein
derartiges schnellschaltendes Ventil benötigt eine entsprechende,
schnellschaltende Stellvorrichtung (Stellantrieb) zur Betätigung
des Ventils oder allgemein zum Verstellen eines Stellglieds zwischen
zwei Endstellungen. Eine derartige Stellvorrichtung umfasst beispielsweise
einen Anker, der um eine Schwenkachse zwischen zwei Endstellungen
in einem Stator schwenkverstellbar gelagert ist und der drehfest
mit dem jeweiligen Stellglied, insbesondere mit dem Ventilglied,
verbunden oder verbindbar ist. Ferner umfasst die Stellvorrichtung
zumindest einen am oder im Stator angeordneten Elektromagneten, mit
dessen Hilfe elektromagnetische Anziehungskräfte gezielt
erzeugt werden können. Ferner ist zumindest eine erste
statorseitige Anlagefläche vorgesehen, an welcher eine
erste Kontaktfläche des Ankers in der ersten Endstellung
des Ankers anliegt. Außerdem ist zumindest eine zweite
statorseitige Anlagefläche vorgesehen, an welcher eine
zweite Kontaktfläche des Ankers in der zweiten Endstellung
des Ankers anliegt. Zweckmäßig kann außerdem
eine Rückstelleinrichtung vorgesehen sein, die den Anker in
eine zwischen den Endstellungen liegende Ruhestellung vorspannt,
zum Beispiel in Form einer Torsionsfeder. Eine derartige Stellvorrichtung
ist beispielsweise aus der
DE
101 40 706 A1 bekannt.
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Der
jeweilige Elektromagnet dient dazu, den Anker in den jeweiligen
Endstellungen an der jeweiligen Anlagefläche, die einen
die Endstellung definierenden Anschlag bildet, zu halten. Der Anker
kann über eine Welle mit dem jeweiligen Stellglied, insbesondere
mit einem Ventilglied eines schnellschaltenden Ventils antriebsgekoppelt
werden. Die Endstellungen des Ankers lassen sich daher dem Offenzustand
und dem Schließzustand des Ventilglieds zuordnen. Wenn
der jeweilige Elektromagnet den Anker in der einen Endstellung hält,
ist die Rückstelleinrichtung, bei der es sich bevorzugt
um eine Federeinrichtung, insbesondere eine Torsionsfeder, handelt,
gespannt. Beim Freigeben des Ankers aus der einen Endstellung treibt
die Rückstellkraft der Federeinrichtung den Anker in Richtung
der Ruhestellung an. Dabei wird die in der Federeinrichtung gespeicherte
potentielle Energie in kinetische Energie des Ankers umgewandelt.
Mit anderen Worten, der Anker wird beschleunigt. Beim Durchfahren
der Ruhestellung ist die potentielle Energie der Rückstelleinrichtung
vollständig in kinetische Energie des Ankers umgesetzt. Dementsprechend
bewegt sich der Anker weiter in Richtung der anderen Endstellung.
Hierbei wird die kinetische Energie des Ankers wieder in potentielle Energie
der Rückstelleinrichtung umgewandelt, wodurch der Anker
abgebremst wird. Um den Anker an dem der anderen Endstellung zugeordneten
Anschlag, also an der anderen Anlagefläche fangen zu können,
muss der jeweilige, der fangenden Anlagefläche zugeordnete
Elektromagnet rechtzeitig bestromt werden. Mit Hilfe des fangenden
Elektromagneten müssen zum einen die Energieumwandlungsverluste,
wie zum Beispiel Wärme, ausgeglichen werden. Zum anderen
muss mit Hilfe des fangenden Magneten sichergestellt werden, dass
der Anker an der fangenden Anlagefläche verbleibt. Ferner
soll der Anker am fangenden Anschlag nicht prellen. Außerdem
soll die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers am fangenden Anschlag
möglichst klein sein, um den Verschleiß und die
Geräuschentwicklung gering zu halten. Hierdurch gestaltet
sich die Steuerung bzw. Regelung des jeweiligen Elektromagneten
extrem komplex, da widersprüch liche Anforderungen realisiert
werden müssen. Des Weiteren sind die Zeiträume,
die für den Steuerungs- bzw. Regelungsvorgang zur Verfügung
stehen, extrem kurz, was besagte Vorgänge zusätzlich
erschwert. Hinzu kommt, dass sich die Randbedingungen der Stellvorrichtung
im Betrieb, insbesondere in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine,
verändern können. Beispielsweise kann sich die
Temperatur der Stellvorrichtung verändern. Die Rückstelleinrichtung
kann eine temperaturabhängige Kennlinie aufweisen, wodurch
sich von der temperaturabhängige Rückstellkräfte
und somit temperaturabhängige Ankergeschwindigkeiten ergeben.
Ferner kann abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine
der Strömungswiderstand, gegen den das jeweilige Ventilglied
mit Hilfe des Ankers bewegt werden muss, variieren. Somit müssen
von der Stellvorrichtung variierende Stellkräfte realisierbar
sein.
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Um
die elektrische Energieversorgung des jeweiligen Elektromagneten,
also die Stromzufuhr und Spannungsversorgung des jeweiligen Elektromagneten
möglichst genau steuern bzw. regeln zu können,
ist es von erhöhter Bedeutung, die Position des Ankers
innerhalb seiner Bewegungsbahn möglichst genau zu kennen.
Beispielsweise ist es wichtig, den jeweiligen Elektromagneten erst
dann zum Erzeugen anziehender Magnetkräfte anzusteuern, wenn
der Anker beim Wechseln der Endstellungen seine Ruhestellung überschritten
hat. Um die Position des Ankers zu ermitteln, ist es grundsätzlich
möglich, den Anker zum Beispiel über eine drehfest
mit dem Anker verbundene Welle mit einem Drehsensor zu koppeln.
Drehsensoren, die bei den hier erforderlichen kurzen Schaltzeiten
hinreichend genaue Messungen ermöglichen, sind jedoch vergleichsweise teuer.
Derartige Drehsensoren können außerdem durch die
starken Magnetfelder des Ankers gestört werden. Somit sind
sie für vorliegende Anwendung ungeeignet. Des Weiteren
ist es grundsätzlich möglich, bei einer Spule
des fangenden Elektromagneten die durch die Ankerbewegung induzierte
Spannung zu messen, um daraus auf die Position des Ankers zu schließen.
Die Ankerbewegung verändert das Magnetfeld des fangenden
Elektromagneten. Diese Magnetfeldänderung führt
zu einer Induktionsspannung an der Spule des fangenden Elektromagneten,
so dass daraus die Ankerposition herleitbar ist. Die Induktion erfolgt
jedoch stets mit einer gewissen Verzögerung oder Dämpfung,
so dass die exakte Ankerposition nur geschätzt werden kann.
Außerdem ist die Rechenleistung für eine derartige
Lagebestimmung anhand der Induktionsspannung vergleichsweise hoch,
so dass eine aufwändige, leistungsstarke und somit teure
Elektronik erforderlich ist.
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Des
Weiteren ist für die Stellvorrichtung die Kenntnis, welche
der beiden Endstellungen der Anker aktuell einnimmt, von erhöhter
Bedeutung, um die Steuerung bzw. Regelung des fangenden Elektromagneten
beim Wechseln der Endstellungen korrekt durchführen zu
können. Hierzu ist es möglich, mit Hilfe einer
entsprechenden Startprozedur ausgehend von der Ruhestellung den
Anker in eine vorbestimmte Endstellung zu bringen und von da aus
mit Hilfe eines Zählers jeden Schaltvorgang zu zählen,
so dass die aktuelle Endlage des Ankers stets bekannt ist, falls
die Schaltvorgänge immer ordnungsgemäß funktionieren.
Zum einen ist das ordnungsgemäße Umschalten nicht
immer gewährleistet. Beispielsweise kann bei ungünstigen
Strömungsverhältnissen der Fall eintreten, dass
der Anker die andere Endstellung nicht erreicht und aufgrund der
vorgespannten Rückstellfeder in die ursprüngliche
Endstellung zurückspringt und dort gehalten wird. Eine
derartige Fehlfunktion wird vom Zähler nicht erkannt. Zum
anderen benötigt auch ein derartiger Zähler Rechenleistung, was
die Elektronik belastet.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art bzw.
für eine damit ausgestattete Ventileinrichtung bzw. für
ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben,
die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie die Steuerung
bzw. Regelung der Energieversorgung des jeweiligen Elektromagneten ver einfacht,
indem sie insbesondere die Kenntnis der aktuellen Ankerposition
mit erhöhter Zuverlässigkeit bzw. genauer bereitstellt.
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Dieses
Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in die Stellvorrichtung
eine Sensorik zu integrieren, mit deren Hilfe zumindest ein Parameter eines
Magnetfelds während des Betriebs der Stellvorrichtung gemessen
werden kann, wobei dieses Magnetfeld vom wenigstens einen Elektromagneten der
Stellvorrichtung generiert wird und wobei von diesem Magnetfeld
zumindest ein solcher Parameter gemessen wird, der von der Ankerbewegung
bzw. von der Ankerposition abhängt. Mit anderen Worten, die
Stellvorrichtung wird mit einer zusätzlichen Sensorik ausgestattet,
die eine direkte Messung der Magnetfeldänderung aufgrund
der Ankerbewegung ermöglicht. Die Sensorik arbeitet somit
berührungslos. Da die separate Sensorik nicht auf die Induktionsspannung
der Spule des Elektromagneten zurückgreifen muss, reduziert
sich der Rechenaufwand und kann zu einer erhöhten Präzision
der Lagebestimmung für den Anker führen. Außerdem
kommt es zu keiner Überlagerung mit dem eingeprägten
Strom an den Elektromagneten.
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Mit
Hilfe der Sensorik kann eine Steuereinrichtung beispielsweise die
tatsächliche Endstellung des Ankers identifizieren, die
der Anker aktuell einnimmt bzw. in die der Anker aktuell einschwenkt. Hierdurch
kann auf einen Zähler verzichtet werden, wodurch Rechenleistung
eines Prozessors der Steuereinrichtung freigesetzt wird.
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Zusätzlich
oder alternativ kann eine solche, zur Betätigung des wenigstens
einen Elektromagneten vorgesehene Steuereinrichtung die mit Hilfe
der Sensorik ermittelten Messsignale so auswerten, dass damit die
gewünschte Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung
des wenigstens einen Elektromagneten durchführbar ist.
Da bei der hier vorgestellten Stellvorrichtung die Ankerposition
nicht aufwändig anhand der Induktionsspannung der Spule des
Elektromagneten ermittelt werden muss, steht auch hier dem Prozessor
der Steuereinrichtung mehr Rechenleistung zur Verfügung.
Gleichzeitig entfällt die Trägheit der Spule des
Elektromagneten, so dass die Position des Ankers mit erhöhter
Genauigkeit ermittelt werden kann. Die Regelung der Energieversorgung
des (fangenden) Elektromagneten kann dadurch genauer durchgeführt
werden. Die erhöhte Präzision der Regelung kann
zur Reduzierung des Stromverbrauchs der Stellvorrichtung sowie zur
Verbesserung der Akustik im Betrieb, insbesondere zur Reduzierung
von Störgeräuschen, genutzt werden.
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Optional
kann vorgesehen sein, die von den Messsignalen der Sensorik abhängige
Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens
einen Elektromagneten nach einer vorbestimmten Regelungszeit zu
beenden, um den wenigstens einen Elektromagneten anschließend
mit einer konstanten Spannung zu versorgen. Hierdurch ergeben sich
zusätzliche Möglichkeiten zur Optimierung der Schaltvorgänge.
Beispielsweise kann durch Überwachen der erzielbaren Auftreffgeschwindigkeit
die Regelungszeit adaptiert werden, um so das Schaltverhalten der
Stellvorrichtung hinsichtlich einer minimalen Geräuschentwicklung
zu optimieren.
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Die
jeweilige Sensorik kann zumindest einen Streuflusssensor aufweisen.
Ein derartiger Streuflusssensor lässt sich besonders einfach
und insbesondere ohne wesentliche konstruktive Änderung
der Anker-Stator-Konfiguration realisieren. Derartige Streuflusssensoren
lassen sich bevorzugt zur Identifizierung der jewei ligen Endposition
des Ankers nutzen, können jedoch grundsätzlich
auch zur Ermittlung der Ankerposition zwischen den Endstellungen und
somit zur Stromregelung des jeweiligen Elektromagneten verwendet
werden.
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Zusätzlich
oder alternativ kann die Sensorik zumindest einen Nutzflusssensor
aufweisen, der erheblich genauere Messwerte liefert, wodurch die
Ermittlung der aktuellen Ankerposition während der Ankerbewegung
mit einer erhöhten Genauigkeit durchführbar ist.
Gleichzeitig eignet sich ein derartiger Nutzflusssensor auch zur
Identifizierung der aktuellen Ankerendstellung.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Es
zeigen, jeweils schematisch
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Ventileinrichtung
mit einer Stellvorrichtung,
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2 eine
stark vereinfachte, perspektivische Ansicht einer Stellvorrichtung,
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3 Diagramme
zur Veranschaulichung einer Seitenerkennung bei der Stellvorrichtung
gemäß 2,
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4 Diagramme
zur Veranschaulichung einer Stromregelung bei der Stellvorrichtung
gemäß 2,
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5 eine
perspektivische Ansicht der Stellvorrichtung wie in 2,
jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
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6 Diagramme
zur Veranschaulichung einer Stromregelung und Seitenerkennung bei
der Stellvorrichtung gemäß 5,
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7 Diagramme
wie in 6, jedoch bei einer anderen Ausführungsform
der Stromregelung,
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8 Diagramme
wie in 4, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform
der Stromregelung.
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Entsprechend 1 umfasst
eine Ventileinrichtung 1, mit deren Hilfe eine Gasströmung 2 in
einem Gaspfad 3 beeinflusst werden kann, ein Ventilglied 4 und
eine Stellvorrichtung 5. Das Ventilglied 4 dient
zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts 6 des
Gaspfads 3 und ist hierzu um eine Schwenkachse 7 zwischen
zwei Endstellungen schwenkverstellbar angeordnet. Die Stellvorrichtung 5 dient
zum Verstellen des Ventilglieds 4 zwischen den Endstellungen.
Zum Betätigen der Stellvorrichtung 5 ist eine
Steuereinrichtung 8 vorgesehen, die über wenigstens
eine Steuerleitung 9 mit wenigstens einem Elektromagneten 10 der Stellvorrichtung 5 verbunden
ist. Ferner ist die Steuereinrichtung 8 über zumindest
eine Signalleitung 11 mit einer Sensorik 12 der
Stellvorrichtung 5 gekoppelt. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 8 die
Elektromagnete 10 in Abhängigkeit von Messsignalen
der Sensorik 12 ansteuern. Im Beispiel der 1 ist
außerdem wenigstens ein Klopfsensor 98 vorgesehen,
der auf geeignete Weise, insbesondere über eine weitere
Signalleitung 11 mit der Steuereinrichtung 8 verbunden
sein kann. Der jeweilige Klopfsensor 98 dient zur Detektion
von Klopfgeräuschen und kann hierzu insbesondere an der
Stellvorrichtung 5 angeordnet sein. Da sich die Klopfgeräusche
als Körperschall relativ weit ausbreiten, kann der Klopfsensor 98 auch
an einer anderen Stelle angeordnet sein. Insbesondere kann es sich
beim Klopfsensor 98 um einen solchen Klopfsensor 98 handeln,
der bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Dieselmotor,
ohnehin zur Überwachung der Verbrennungsvorgänge
vorhanden sein kann.
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Entsprechend
den 2 und 5 umfasst eine derartige Stellvorrichtung 5,
mit deren Hilfe ein Stellglied, zum Beispiel das Ventilglied 4,
zwischen zwei Endstellungen verschwenkbar ist, einen Anker 13,
der im jeweiligen Anwendungsfall drehfest mit dem jeweiligen Stellglied 4 verbunden
ist. Der Anker 13 ist um die Schwenkachse 7 zwischen
zwei Endstellungen in einem Stator 14 der Stellvorrichtung 5 schwenkverstellbar
gelagert. In den 2 und 5 ist dabei
jeweils ein Ruhezustand gezeigt, in dem der Anker 13 eine
Ruhestellung oder Neutralstellung einnimmt, die, insbesondere mittig,
zwischen den beiden Endstellungen liegt.
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Die
Stellvorrichtung 5 weist – wie bereits zu 1 erwähnt – zumindest
einen Elektromagneten 10 auf, mit dessen Hilfe elektromagnetische
Anziehungskräfte erzeugt werden können. Im gezeigten Beispiel
sind genau vier derartige Elektromagnete 10 vorgesehen,
die parallel wirken und z. B. bezüglich der Schwenkachse 7 in
Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet
sein können. Der jewei lige Elektromagnet 10 ist
im Stator 14 angeordnet und umfasst jeweils eine Arbeitsspule 15,
die einen Kern 16 umgreift. Der jeweilige Kern 16 ist
hier bereits ein Bestandteil des Stators 14. Der Stator 14 umfasst des
Weiteren ein Joch 17, das die einzelnen Kerne 16 miteinander
verbindet. Gleichzeitig bildet das Joch 17 einen Träger
für die Arbeitsspulen 15.
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Jedem
Elektromagnet 10 sind eine erste statorseitige Anlagefläche 18 und
eine zweite statorseitige Anlagefläche 19 zugeordnet.
Die beiden Anlageflächen 18, 19 sind
dabei am Kern 16 des jeweiligen Elektromagneten 10 ausgebildet,
also hier am Stator 14. Der Anker 13 weist für
jeden Elektromagneten 10 eine erste Kontaktfläche 20 und
eine zweite Kontaktfläche 21 auf. In der ersten
Endstellung des Ankers 13 liegt er mit seiner ersten Kontaktfläche 20 an
der ersten Anlagefläche 18 an. In der zweiten
Endstellung des Ankers 13 liegt er mit seiner zweiten Kontaktfläche 21 an
der zweiten Anlagefläche 19 an. Im Beispiel sind
entsprechend der hier vorgesehenen vier Elektromagnete 10 statorseitig
vier erste Anlageflächen 18 und vier zweite Anlageflächen 19 vorgesehen,
die mit ankerseitigen vier ersten Kontaktflächen 20 und
vier zweiten Kontaktflächen 21 zusammenwirken.
Es ist klar, dass bei einer anderen Bauweise auch eine andere Anzahl
an Elektromagneten 10, Anlageflächen 18, 19 und
Kontaktflächen 20, 21 vorgesehen sein
kann.
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Des
Weiteren besitzt die jeweilige Stellvorrichtung 5 eine
hier nicht dargestellte Rückstelleinrichtung, die so ausgestaltet
ist, dass sie den Anker 13 aus jeder der beiden Endstellungen
in eine dazwischen liegende Neutralstellung bzw. Ruhestellung vorspannt.
Beispielsweise handelt es sich bei der Rückstelleinrichtung
um eine Federeinrichtung, die beim Bewegen des Ankers 13 aus
dessen Ruhelage heraus gespannt wird, um kinetische Energie zu speichern.
Insbesondere kann es sich hierbei um eine Torsionsfeder handeln,
die z. B. in einer in 1 dargestellten, als Hohlwelle
ausgestalteten Welle 50 verläuft, die den Anker 13 mit
dem Stellglied 4 verbindet.
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Wie
bereits mit Bezug auf 1 erläutert, umfasst
die Stellvorrichtung 5 außerdem eine Sensorik 12.
Die Sensorik 12 ist so ausgestaltet, dass damit wenigstens
ein Parameter eines vom jeweiligen Elektromagneten 10 erzeugten
Magnetfelds gemessen werden kann, und zwar während des
Betriebs der Stellvorrichtung 5. Die Sensorik 12 misst
dabei einen von der Bewegung bzw. von der Position des Ankers 13 abhängigen
Parameter. Beispielsweise wird der magnetische Fluss bzw. die magnetische
Flussänderung bzw. die Änderungsgeschwindigkeit
des magnetischen Flusses detektiert. Die Messsignale können
von der Steuereinrichtung 8 zur Identifizierung der tatsächlichen
Endstellung des Ankers 13 verwendet werden. Zusätzlich
oder alternativ können die Messsignale von der Steuereinrichtung 8 zur
Durchführung einer Regelung der Strom- bzw. Spannungsversorgung
des wenigstens einen Elektromagneten 10 verwendet werden.
Diese Anwendungsformen werden weiter unten mit Bezug auf die 3, 4 und 6, 7 näher
erläutert. Im Folgenden wird auf bevorzugte Ausführungsformen
der Stellvorrichtung 5 näher eingegangen.
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Entsprechend 2 kann
die Sensorik 12 zumindest einen Streuflusssensor 22 aufweisen.
Im gezeigten, bevorzugten Beispiel sind zwei derartige Streuflusssensoren 22 dargestellt.
Grundsätzlich kann auch ein einziger Streuflusssensor 22 ausreichen.
Der jeweilige Streuflusssensor 22 ist im Bereich einer
der Anlageflächen 18 oder 19 am Stator 14 angeordnet.
Im Beispiel ist der eine Streuflusssensor 22 bei einem
der Elektromagneten 10 im Bereich der ersten Anlagenfläche 18 angeordnet,
während der andere Streuflusssensor 22 im Bereich
der zweiten Anlagefläche 19 angeordnet ist. Der
jeweilige Streuflusssensor 22 ist dabei mit Bezug auf die Schwenkachse 7 des
Ankers 13 axial versetzt zur jeweiligen Anlagefläche 18 bzw. 19 positioniert.
Er misst somit nicht den Fluss, der durch die jewei lige Anlagefläche 18, 19 fließt,
sondern einen mit dem Durchfluss korrelierenden Streufluss, der
sich außerhalb der jeweiligen Anlagefläche 18, 19 erstreckt. Durch
die Verwendung eines einzelnen Streuflusssensors 22 ist
es möglich, eindeutig die vom Anker 13 eingenommene
Endstellung zu identifizieren, sogenannte Seitenerkennung. Werden
zwei Streuflusssensoren 22 verwendet, kann zusätzlich
oder alternativ die Ankerbewegung detektiert werden. Erfasst wird
dabei der jeweilige Magnetfeldparameter, der sich durch die Bewegung
des Ankers 13 verändert.
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Der
jeweilige Streuflusssensor 22 weist einen Jochkörper 23 sowie
eine Messspule 24 auf. Im Beispiel ist ein für
beide Streuflusssensoren 22 ein gemeinsamer Jochkörper 23 vorgesehen,
der im Wesentlichen E-förmig ausgestaltet ist. Grundsätzlich sind
auch zwei separate Streuflusssensoren 22 möglich,
die U-förmige Jochkörper 23 besitzen.
Der jeweilige Streuflusssensor 22 ist an einem Träger 25 angebracht.
Der Träger 25 ist am Stator 14 befestigt.
Der Träger 25 erstreckt sich dabei ebenfalls jochförmig um
den einen Elektromagneten 10 herum und ermöglicht
dadurch eine Positionierung der Sensorik 12 im Streufluss
der beiden Anlageflächen 18, 19, die am
Kern 16 dieses Elektromagneten 10 ausgebildet sind.
Ebenso ist es möglich, die Streuflusssensoren 22 in
den Elektromagneten 10 baulich zu integrieren. Insbesondere
können die Streuflusssensoren 22 in die Arbeitsspule 15 dieses
Elektromagneten 10 bzw. in ein Spulengehäuse 26 baulich
integriert sein, das auch die Arbeitsspule 15 trägt.
Zweckmäßig sind die beiden Streuflusssensoren 22 dem
gleichen Elektromagneten 10 zugeordnet. Es ist jedoch auch
eine Ausführungsform möglich, bei der die beiden Streuflusssensoren 22 verschiedenen
Elektromagneten 10 zugeordnet sind. Auch ist eine Ausführungsform
mit mehr als zwei Streuflusssensoren 22 denkbar. Die bauliche
Integration der Streuflusssensoren 22 ist konstruktiv vergleichsweise
einfach durchführbar, da insbesondere keine Veränderung des
Stators 14 durchgeführt werden muss.
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Entsprechend 5 kann
die Sensorik 12 zumindest einen Nutzflusssensor 27 aufweisen.
Im Beispiel sind zwei derartige Nutzflusssensoren 27 vorgesehen.
Der jeweilige Nutzflusssensor 27 ist dabei jeweils einer
der Anlageflächen 18, 19 zugeordnet und
dementsprechend im Bereich der jeweiligen Anlagefläche 18, 19 am
Stator 14 angeordnet. Dabei befindet sich der jeweilige
Nutzflusssensor 27 bezüglich der Schwenkachse 7 in
demselben Axialabschnitt wie die jeweilige Anlagefläche 18, 19.
Der jeweilige Nutzflusssensor 27 weist eine Messspule 28 auf,
welche die zugehörige Anlagefläche 18, 19 umschließt.
Im Beispiel sind zwei Nutzflusssensoren 27 vorgesehen,
deren Messspulen 28 jeweils eine der Anlageflächen 18, 19 umschließen.
Bei einer anderen Ausführungsform ist grundsätzlich
auch denkbar, dass der Nutzflusssensor 27 eine Messspule 28 aufweist,
die beide Anlageflächen 18, 19 und insbesondere
den Kern 16 umschließt.
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Mit
Hilfe einer einzigen Messspule 28, die beide Anlageflächen 18, 19 umschließt
oder die eine der Anlageflächen 18, 19 umschließt,
kann die Änderung detektiert werden, die sich im magnetischen Fluss
durch die jeweilige Anlagefläche 18, 19 aufgrund
der Ankerbewegung ergibt. Sofern die Messspule 28 nur einer
der Anlageflächen 18, 19 zugeordnet ist,
kann die Endposition identifiziert werden, in welcher sich der Anker
befindet. Bevorzugt werden jedoch zwei Nutzflusssensoren 27,
mit deren Hilfe sowohl die Ankerbewegung als auch die Ankerendlagen
detektierbar sind.
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Der
jeweilige Nutzflusssensor 27 ist hier in den Kern 16 des
Elektromagneten 10 baulich integriert, wodurch er bei der
hier vorgestellten Bauweise des Stators 14 gleichzeitig
in den Stator 14 baulich integriert ist. Des Weiteren ist
es grundsätzlich möglich, den Nutzflusssensor 27 bzw.
dessen Messspule 28 in die Arbeitsspule 10 baulich
zu integrieren. Ebenso ist allgemein eine Integration in den jeweiligen
Elektromagneten 10 denkbar. Beispielsweise kann der Spulenträger 26 einen
komplementär zur freien Kernspitze ausgestalteten Ansatz
aufweisen, der die jeweilige Messspule 28 aufnimmt. Durch
die Montage des Elektromagneten 10 bzw. des Spulenkörpers 26 werden
dann automatisch die Arbeitsspule 15 und der jeweilige
Nutzflusssensor 27 positioniert.
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Die
in den 2 und 5 vorgestellten unterschiedlichen
Bauweisen können alternativ realisiert werden. Ebenso ist
eine kumulative Realisierung denkbar. Insbesondere kann mit Hilfe
des wenigstens einen Nutzflusssensors 27 die Stromregelung
für die Elektromagnete 10 realisiert werden, während
mit Hilfe des wenigstens einen Streuflusssensors 22 die
Endlagenerkennung oder Seitenerkennung des Ankers 13 durchgeführt
wird. Dabei können die unterschiedlichen Sensoren 22, 27 an verschiedenen
Elektromagneten 10 angeordnet sein. Ebenso ist eine parallele
Anordnung an mehreren Kernen 16 möglich, z. B.
zur Verbesserung der Messung durch Mittelwertbildung und/oder zur
Schaffung einer Redundanz.
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In
den hier gezeigten Beispielen ist der Anker 13 asymmetrisch
ausgestaltet, um ihn aus der neutralen Ruhelage heraus durch eine
Bestromung der Elektromagnete 10 in eine vorbestimmte Drehrichtung
anziehen zu können. Diese Asymmetrie wird hier beispielsweise
mittels einer Feldlinienbeeinflussung 96 realisiert, die
hier jeweils der ersten Kontaktfläche 20 zugeordnet
ist. Durch eine spezielle Anschwingprozedur wird erreicht, dass
der Anker 13 aus der Ruhelage heraus in die vorbestimmte
Endstellung gelangt. Gemäß 5 ist der
der ersten Anlagefläche 18 zugeordnete Nutzflusssensor 27 so
positioniert, dass er diese Asymmetrie berücksichtigt. Eine
entsprechende Berücksichtigung kann auch bei den Streuflusssensoren 22 erfolgen.
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Vorzugsweise
ist die Stellvorrichtung 5 bei bevorzugten Ausführungsformen
als Hochgeschwindigkeitsstellvorrichtung 5 ausgestaltet,
die sich dadurch auszeichnet, dass sie zum Verschwenken des Ankers 13 zwischen
den beiden Endstel lungen eine Schaltzeit von weniger als 10 ms oder
vorzugsweise von weniger als 5 ms benötigt.
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Mit
Bezug auf 3 wird im Folgenden die Seitenerkennung
der Ankerposition mit Hilfe der Streuflusssensoren in Verbindung
mit einer herkömmlichen Stromregelung für die
Elektromagnete 10 näher beschrieben:
Im oberen
Diagramm sind zwei zeitliche Verläufe für die
an den Messspulen 24 der beiden Streuflusssensoren 22 messbaren
Induktionsspannungen US aufgetragen, nämlich
zum einen ein Verlauf 29 für die fangende oder
anlegende Seite und ein Verlauf 30 für die abgebende
oder lösende Seite. Im unteren Diagramm finden sich ein
zeitlicher Verlauf 31 für die Drehlage des Ankers 13 (angegeben
ist dabei der Drehwinkel φ), ein zeitlicher Verlauf 32 der
an den Spulen 15 der Elektromagnete 10 anliegenden
Spannung U sowie ein zeitlicher Verlauf 33 des durch die Spulen 15 der
Elektromagnete 10 fließenden Stroms i.
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Während
einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte
Klammer angedeuteten Phase 34 wird ein Haltestrom gechoppert, um
den Anker 13 in einer seiner Endstellungen zu halten. Zu
Beginn einer Phase 35 erfolgt der Befehl zum Umschalten
des Ankers 13. Der Strom i wird abgeschaltet. Um ein Kleben
des Ankers 13 an der lösenden Seite zu vermeiden,
wird in einer Phase 36 eine negative Bestromung 15 der
Elektromagnete 10 durchgeführt. Während
einer Phase 37 wird gewartet, bis sich der Anker 13 bewegt.
Während dieser Phase 37 wird ein Maximum der Induktionsspannung U
erwartet. Falls der Anker 13 zu diesem Zeitpunkt abgerissen
war, also anstelle seiner Endlage seine Neutrallage oder Ruhelage
eingenommen hat, kann dieses Maximum nicht detektiert werden. In
der Phase 38 erfolgt keine Bestromung. Es liegt eine reine Flugphase
vor, in welcher der Anker 13 durch die Rückstellkraft
einer entsprechenden Rückstelleinrichtung angetrieben ist.
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In
einer Phase 39 erfolgt eine Bestromung auf einem erhöhten
Spannungsniveau, um dem Elektromagneten 10 in möglichst
kurzer Zeit möglichst viel Energie zuzuführen.
Die erhöhte Spannung ist erforderlich, um die Trägheit
der Spulen 15 schneller zu überwinden. In einer
Phase 40 wird ein Fangstrom gechoppert, und zwar bei einem
reduzierten Spannungsniveau. Hierbei wird der Strom überwacht.
Die Einspeisung des Fangstroms wird abgebrochen, wenn der Stromregler
das Niveau nicht halten kann und der Stromanstieg unter einen bestimmten
Wert absinkt. Erkennbar ist dieses Abbruchskriterium im unteren
Diagramm im Stromverlauf 33 dadurch, dass der Strom am
Ende eines geradlinigen, im Wesentlichen konstanten Bereichs relativ
stark abfällt. In einer Phase 41 sind die Arbeitsspulen 15 auf
Freilauf geschaltet und der Anker 13 schlägt an.
Das bedeutet, dass die ersten oder zweiten Kontaktflächen 20, 21 an
den ersten oder zweiten Anlageflächen 18, 19 zur Anlage
kommen. In einer Phase 42 wird vorübergehend ein
erhöhtes Stromniveau eingeprägt, um ein Prellen
des Ankers 13 zu vermeiden. Anschließend liegt
wieder die Phase 34 vor, in welcher der Haltestrom gechoppert
wird, nur dass sich der Anker nun in der anderen Endlage befindet.
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Während
den Phasen 40 und 41 werden die Messspannungen
der beiden Streuflusssensoren 22 beobachtet. Erwartet wird
innerhalb dieser Beobachtungszeit, dass die Spannung an der anliegenden Seite
beim Anlegen des Ankers 13 stark ansteigt, während
an der lösenden Seite ein umgekehrter Spannungsverlauf
erwartet wird. Als Entscheidungskriterium für die Identifikation
der tatsächlich vorliegenden Endstellung kann beispielsweise
der Anstieg beider Spannungskurven in einem vorgegebenen Zeitfenster 43 dienen.
Zusätzlich oder alternativ kann als Identifikationskriterium
ein Abstand 44 verwendet werden, den die beiden Verläufe 29, 30 maximal
voneinander aufweisen. Hierdurch kann die vom Anker 13 erreichte
Endposition eindeutig identifiziert werden, ohne dass hierzu ein
Zähler mitlaufen muss. In 3 ist außerdem
eine feste Zeitdauer 45 eingetragen, die für die
Phase 38 eine vorbestimmte Zeitspanne definiert. Diese
feste Pausenzeit 45 kann auf Erfahrungswerten beruhen und
kann insbesondere bei einer adaptiven Regelung variieren.
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Anhand
von 4 wird im Folgenden eine Möglichkeit
erörtert, mit Hilfe der Streuflusssensoren 22 die
Bestromung der Elektromagneten 10 zu regeln. 4 zeigt
dabei im oberen Diagramm einen Verlauf 46 einer induzierten
Spannung US auf der anlegenden oder fangenden
Seite, während ein Verlauf 47 die induzierte Spannung
US an der abgebenden oder lösenden
Seite wiedergibt. An einer Position 48 kommen sich die
beiden Verläufe 46 und 47 so nahe, dass
ein vorbestimmter Spannungsabstand unterschritten wird. An einer
Stelle 49 liegt zumindest beim Verlauf 46 der
fangenden Seite ein Maximum vor. Bei 51 erreicht der Verlauf 47 der
lösenden Seite ein Minimum.
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In
dem in 4 unten gezeigten Diagramm sind ein Verlauf 52 für
die Ankerbewegung (angegeben ist dabei der Drehwinkel φ)
und ein Verlauf 53 für den Strom i zur Versorgung
der Elektromagnete 10 bzw. deren Arbeitsspulen 15 aufgetragen.
Mit 54 ist dabei eine Position des Stromverlaufs 53 markiert, bei
welcher zum Starten eines Umschaltvorgangs die Bestromung der Elektromagnete 10 ausgeschaltet wird.
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Während
einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte
Klammer angedeuteten Phase 55 wird der Haltestrom gechoppert, so
dass der Anker 13 in einer der beiden Endstellungen gehalten
wird. Zu Beginn einer Phase 56 wird gemäß der
Position 54 die Stromzuführung zu den Arbeitsspulen 15 abgeschaltet.
Der Umschaltvorgang beginnt. Um ein Kleben des Ankers 13 an
der lösenden Seite zu vermeiden, wird während
einer Phase 57 eine negative Bestromung der Arbeitsspulen 15 durchgeführt.
Darauf folgt eine Phase 58, während der keine
Bestromung der Elektromagnete 10 erfolgt. Es handelt sich
hier wieder um eine Flugphase für den Anker 13.
Diese Phase 58 endet an der Stelle 48, also wenn
der Abstand zwischen den beiden Sensorspannungen 46, 47 einen
vorbestimmten Wert unterschreitet. Sobald dieses Abbruchkriterium
vorliegt, wird die Phase 58 beendet und die Phase 59 beginnt, in
der dem System vergleichsweise viel Energie zugeführt wird.
Hierzu wird bei einem erhöhten Spannungsniveau vergleichsweise
viel Strom zugeführt. Dementsprechend besitzt der Stromverlauf 53 in
der Phase 59 einen relativ steilen Anstieg. Auch diese Phase 59 wird
mit den Streuflusssensoren 22 überwacht. Sobald
bei einem der Sensoren 22, in der Regel zeitgleich bei
beiden Sensoren 22, der Verlauf 46, 47 der
Sensorspannungen sein Maximum erreicht, was an der Position 49 der
Fall ist, wird die Phase 59 beendet und eine Phase 60 beginnt.
Während dieser Phase 60 wird auf einem reduzierten
Spannungsniveau für die Bestromung der Arbeitsspulen 15 eine konstante
Sensorspannung für den Verlauf 46 des Streuflusssensors 22 der
anlegenden Seite eingeregelt. Im Beispiel wird hier der Wert der
Abszissenachse eingeregelt, der beim Wert Null liegen kann. Diese Phase 60 wird
abgebrochen, wenn die gemessene Spannung im Verlauf 47 der
lösenden Seite das Minimum 51 erreicht. Dieses
Minimum 51 liegt dann vor, wenn der Anker 13 die
andere Endstellung erreicht. In der darauffolgenden Phase 61 wird
wieder das erhöhte Stromniveau eingeprägt, mit
dessen Hilfe ein Prellen des Ankers 13 vermieden werden
kann. Anschließend erfolgt wieder die Einspeisung des Haltestroms,
so dass erneut die Phase 55 vorliegt. Erkennbar kann somit
die gesamte Bestromung der Elektromagnete 10 in Abhängigkeit
der Verläufe 46, 47 der induzierten Spannung
US an den beiden Streuflusssensoren 22 geregelt
werden. Aus diesen Verläufen 46, 47 können
die Schaltzeitpunkte herausgelesen werden, zu denen die Phasen 58, 59 und 60 enden bzw.
die Phasen 59, 60 und 61 beginnen.
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Im
Folgenden wird anhand von 6 für
die mit Bezug auf 5 erläuterte Stellvorrichtung 5 eine erste
Variante für eine Regelung der Bestromung der Elektromagnete 10 mit
Hilfe der Nutzflusssensoren 27 näher erläutert:
In 6 zeigt
das obere Diagramm wieder mehrere zeitliche Verläufe. Im
Einzelnen finden sich ein Verlauf 62 für den Nutzflusssensor 27 der
anlegenden Seite zu Beginn eines Umschaltvorgangs, ein Verlauf 63 der
Spannung des Nutzflusssensors 27 an der anlegenden Seite
in einem späteren Bereich eines Umschaltvorgangs, einen
Verlauf 64 für den Nutzflusssensor 27 der
abgebenden Seite zu Beginn des Umschaltvorgangs und einen Verlauf 65 der
lösenden Seite gegen Ende des Umschaltvorgangs. Markante Stellen
sind eine Position 66, bei welcher ein mit dem Nutzflusssensor 27 der
fangenden Seite ermittelter Parameter, einen vorbestimmten Schwellwert
erreicht. Ferner ist eine Position 67 markiert, die ein
Minimum im Verlauf 65 der abgebenden Seite repräsentiert.
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Im
unteren Diagramm der 6 sind wieder ein Verlauf 68 für
die Ankerposition und ein Verlauf 69 für den den
Arbeitsspulen 15 der Elektromagnete 10 zugeführten
Strom i wiedergegeben. Während einer an der Abszisse des
unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Phase 70 wird ein
Haltestrom gechoppert. Der Anker 13 ist in einer der Endstellungen
festgehalten. Die Phase 71 beginnt mit dem Umschaltbefehl.
Hierzu wird der Versorgungsstrom i abgeschaltet. Während
der Phase 72 werden die Arbeitsspulen 15 negativ
bestromt, um ein Kleben des Ankers 13 an den Anlageflächen 18, 19 zu
vermeiden bzw. aufzuheben. Anschließend wird während
einer Phase 73 die Bestromung komplett ausgeschaltet. Der
Anker 13 befindet sich in seiner Flugphase. Die Phasen 71, 72, 73 sind
hinsichtlich ihrer Länge fest vorgegeben, was in 6 durch eine
Zeitspanne 74 angedeutet ist. Diese Zeitspanne 74 ist
beispielsweise anhand von Versuchen ermittelt worden. Sie kann jedoch
auch während des Betriebs der Stellvorrichtung 5 adaptiert
werden. Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne 74 endet
somit die Phase 73 und die Phase 75 beginnt. Zu
Beginn der Phase 75 erfolgt eine starke Bestromung der
Arbeitsspulen 15 auf einem erhöhten Spannungsniveau. Gleichzeitig
beginnt mit dieser Phase 75 eine Integration der Sensorsignale
zumindest auf der fangenden Seite. Durch die Integration der Spannungswerte kann
der magnetische Fluss bestimmt werden. Die Phase 75 endet,
wenn die Stelle 66 erreicht wird, also wenn ein vorbestimmter
Flusswert (Schwellwert) erreicht wird. Anschließend können
während einer Phase 76 bei einer reduzierten Spannung
die Elektromagnete 10 so bestromt werden, dass z. B. eine konstante
Flussänderung auf der fangenden Seite eingeregelt wird.
Im Beispiel der 6 ist im oberen Diagramm im
Verlauf 63 nach der Stelle 66 ein geradliniger
Abschnitt mit geringer Steigung erkennbar. Dies entspricht einer
konstanten Flussänderung. Alternativ zur konstanten Flussänderung
kann bei anderen Ausführungsformen auch eine linear abnehmende
oder linear zunehmende Flussänderung eingeregelt werden;
ebenso ist ein parabolischer oder exponentieller Verlauf für
die Flussänderung denkbar. Gleichzeitig wird während
dieser Phase 76 der Verlauf des Flusses, nämlich
die induzierte Spannung US an der abgebenden
Seite gemäß dem Verlauf 65 beobachtet.
Das Ende dieser Phase 76 liegt beim Auftreffen des Ankers 13 auf
die Anlageflächen 18 bzw. 19 vor. Erkannt
wird dies im Beispiel dadurch, dass der Spannungsverlauf 65 am
abgebenden Nutzflusssensor 27 bei 67 sein Minimum
erreicht. Sobald dieses Minimum 67 vorliegt, wird die Phase 76 beendet
und eine Phase 77 begonnen, in welcher ein erhöhtes
Stromniveau eingeprägt wird, um ein Prellen des Ankers 13 zu
vermeiden. Anschließend liegt wieder die Phase 70 vor,
in welcher der Haltestrom gechoppert wird. Der Anker 13 befindet
sich nun in der anderen Endstellung.
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Zu
Beginn des Umschaltvorgangs kann durch Beobachten der Spannungsverläufe
an den beiden Nutzflusssensoren 27 identifiziert werden, von
welcher Endstellung sich der Anker 13 jetzt löst bzw.
in Richtung welcher Endstellung der Anker 13 in Bewegung
gesetzt wird. Hierzu werden die Minima der Verläufe 62 und 64 beobachtet.
Das Spannungsminimum ist beim lösenden Nutzflusssensor 27 kleiner
als beim anlegenden Nutzflusssensor 27. Dabei kann ein
Spannungsabstand 78 beobachtet werden, der einen Mindestwert
aufweisen muss. Die hier vorgestellte Vorgehensweise ermöglicht
somit eine Bestromung ausschließlich in Abhängigkeit
der mit Hilfe der Nutzflusssensoren 27 ermittelten Messsignale. Gleichzeitig
kann mit Hilfe dieser Messsignale auch eindeutig die Position des
Ankers 13 identifiziert werden (Seitenerkennung).
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Im
Folgenden wird anhand von 7 eine zweite
Alternative zum Regeln der Bestromung der Elektromagnete 10 bei
der in 5 gezeigten Ausführungsform der Stellvorrichtung 5 mit
Hilfe der Nutzflusssensoren 27 näher erläutert:
In 7 sind
im oberen Diagramm wieder mehrere zeitliche Verläufe eingetragen,
nämlich ein Verlauf 79 der vom fangenden Nutzflusssensor 27 gemessenen Spannung
zu Beginn eines Umschaltvorgangs. Ein Verlauf 80 zeigt
die zu Beginn eines Umschaltvorgangs am abgebenden Nutzflusssensor 27 gemessene
Spannung. Ein Verlauf 81 gibt die am fangenden Nutzflusssensor 27 gemessene
Spannung gegen Ende des Umschaltvorgangs wieder. Ein Verlauf 82 gibt
für den Endbereich des Umschaltvorgangs den Spannungsverlauf
am abgebenden Nutzflusssensor 27 wieder. Bei Position 83 wird
ein vorbestimmter Flusswert an der annehmenden Seite erreicht. An
der Position 84 liegt ein Minimum im Spannungsverlauf 82 der
abgebenden Seite vor.
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Im
unteren Diagramm befindet sich ein zeitlicher Verlauf 85 für
die Bewegungsbahn (angegeben ist dabei der Drehwinkel φ)
des Ankers 13 und ein zeitlicher Verlauf 86 für
den Strom i zur Versorgung der Elektromagnete 10. In einer
an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten
Phase 87 wird ein Haltestrom gechoppert, um den Anker 13 in
der einen Endstel lung festzuhalten. Zu Beginn einer Phase 88 erfolgt
der Befehl zum Umschalten des Ankers 13 von der einen Endstellung
in die andere Endstellung. Hierzu wird die Bestromung der Arbeitsspulen 15 abgeschaltet.
In der Phase 89 erfolgt wieder eine negative Bestromung
der Arbeitsspulen 15, um ein Kleben des Ankers 13 zu
vermeiden bzw. gegen eine solche Anhaftung den Anker 13 von
den Anlageflächen 18 bzw. 19 zu lösen.
Anschließend folgt eine freie Flugphase 90, in
der keine Bestromung der Elektromagnete 10 erfolgt. Auch
hier ist wieder für die Phasen 88, 89 und 90 eine
feste Zeitspanne 91 vorgegeben, die aus Versuchen ermittelt
werden kann und die insbesondere während des Betriebs der
Stellvorrichtung 5 adaptierbar ist. Am Ende dieser vorgegebenen
Pausenzeit 91 endet die Phase 90 und die Phase 92 beginnt.
Während dieser Phase 92 wird die Bestromung der
Arbeitsspulen 15 so geregelt, dass sich am fangenden Nutzflusssensor 27 ein
konstanter Verlauf 81 einstellt. Um die Flussänderung
zu erhöhen, erfolgt die Bestromung der Arbeitsspulen 15 auf
einem erhöhten Spannungsniveau. Um die Flussänderung
wieder etwas zu reduzieren, erfolgt die Bestromung der Arbeitsspulen 15 auf
einem reduzierten Spannungsniveau. Auf diese Weise kann der konstante
Verlauf der Flussänderung eingeregelt werden. Während dieser
Phase 92 wird der Fluss integriert bis ein vorbestimmter
Maximalwert erreicht wird. Dieser Schwellwert ist bei der Stelle 83 erreicht.
Sie beendet die Bestromung durch Wechseln zwischen unterschiedlich
hohen Spannungsniveaus. Es beginnt mit der Phase 93 eine
Bestromung, bei der zum Erhöhen der Flussänderung
eine Bestromung auf dem niedrigeren Spannungsniveau durchgeführt
wird und bei der zum Reduzieren der Flussänderung die Bestromung
ausgeschaltet wird, d. h. die Spannung wird auf Null reduziert.
Es erfolgt somit immer noch eine Regelung im Hinblick auf eine konstante
Flussänderung. Gleichzeitig wird nunmehr der Flussverlauf
an der abgebenden Seite beobachtet. Die Phase 93 wird beendet,
sobald der Fluss auf der lösenden Seite wieder ansteigt,
das heißt, sobald der Verlauf 82 sein Minimum 84 erreicht.
Dies ist dann der Fall, wenn der Anker 13 an der anderen
Endstellung gegen den Anschlag läuft. In der darauffolgenden
Phase 94 wird wieder ein Stromniveau in die Arbeitsspulen 15 der Elektromagnete 10 eingeprägt,
das ein Prellen des Ankers 13 vermeidet. Anschließend
wird wieder der Haltestrom angelegt, so dass wieder die Phase 87 vorliegt.
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Die
in den hier besprochenen Diagrammen der 3, 4 und 6, 7 genannten
Spannungsniveaus liegen beispielsweise bei 12 V für das niedrigere
Spannungsniveau und bei 45 V für das höhere Spannungsniveau.
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Die
Erkennung bzw. Identifizierung der tatsächlich vorliegenden
Endstellung erfolgt auch hier zu Beginn des Umschaltvorgangs durch
Vergleichen der beiden Spannungsverläufe 79, 80 an
den beiden Nutzflusssensoren 27. Die Spannung am abgebenden
Nutzflusssensor 27 fällt stärker ab als
am fangenden Nutzflusssensor 27. Beobachtet wird hierbei ein
Abstand 95 zwischen den Minima der beiden Verläufe 79, 80,
der einen Mindestwert aufweisen muss.
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Entsprechend 8 soll
für eine bevorzugte Ausführungsform ein weiteres
mögliches Betriebsverfahren für die Stellvorrichtung 5 näher
erläutert werden. Bei dieser Ausführungsform wird
die Regelung der Spannung bzw. des Stroms am jeweiligen Elektromagneten 10 nicht über
die gesamte Zeitdauer des jeweiligen Schaltvorgangs in Abhängigkeit
der mit Hilfe der Sensorik 12 gemessenen Messsignale durchgeführt.
Die Regelung der Spannungs- und/oder Stromversorgung des jeweiligen
Elektromagneten 10 erfolgt nur während einer vorbestimmten
Regelungszeit 97. Diese Regelungszeit 97 beginnt
zu einem Zeitpunkt, bei dem der Anker 13 von der lösenden
Endstellung abhebt, zu dem also seine Drehbewegung beginnt. Ermittelt
wird dieser Zeitpunkt mit Hilfe der Sensorik 12. Durch
Beobachten eines Verlaufs 99 der Sensorspannung an der
lösenden Seite kann ein Minimum 100 detektiert
werden, das den Zeitpunkt definiert, zu dem sich der Anker 13 löst.
Während der Regelungszeit 97 findet die Spannungs-Stromregelung des
wenigstens einen Elektromagneten 10 in Abhängigkeit
der mit Hilfe der Sensorik 12 ermittelten Messsignale statt.
Insoweit kann insbesondere auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen
werden. Mit Ablauf der Regelungszeit 97 wird diese Regelung
der Spannungs- und/oder Stromversorgung des wenigstens einen Elektromagneten 10 beendet
und es wird eine konstante Spannung am jeweiligen Elektromagneten 10 angelegt. Die
Regelungszeit 97 ist dabei so bemessen, dass der Anker 13 am
Ende der Regelungszeit 97 noch nicht die andere, also die
fangende Endlage erreicht hat, sich ihr jedoch schon relativ weit
genähert hat. Die am jeweiligen Elektromagneten 10 angelegte konstante
Spannung ist so gewählt, dass sie zum sicheren Auffangen
des Ankers 13 ausreicht. Durch Beobachten eines Spannungsverlaufs 101 der
Sensorik 12 auf der fangenden Seite kann beispielsweise der
Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem der Anker 13 die fangende
Endlage erreicht. Beim Anlegen des Ankers 13 in der fangenden
Endlage zeigt der Spannungsverlauf 101 der fangende Seite
ein Maximum 102.
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Um
eine möglichst geringe Geräuschentwicklung während
der Schaltvorgänge realisieren zu können, ist
eine möglichst niedrige Auftreffgeschwindigkeit für
den Anker 13 beim Anlegen an der jeweiligen Anlagefläche 18, 19 erwünscht.
Um die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13 zu ermitteln,
gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann die Steuereinrichtung 8 Messsignale
des Klopfsensors 98 auswerten. Die Intensität
der damit ermittelten Klopfsignale korreliert mit der Auftreffgeschwindigkeit
des Ankers 13. Alternativ können auch die Messsignale
der Sensorik 12 auf der fangenden Seite ausgewertet werden.
Im Verlauf 101 der Sensorspannung der fangenden Seite korreliert
der Spannungsanstieg am Ende der Regelungszeit 97 bis zum
Maximum 102 mit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13.
Je steiler der Spannungsanstieg, desto höher ist die Auftreffgeschwindigkeit.
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Die
Steuereinrichtung 8 kann nun die Regelungszeit 97 in
Abhängigkeit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13 adaptieren.
Das bedeutet, dass die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13,
die für den aktuellen Schaltvorgang ermittelt worden ist, dazu
verwendet wird, die Regelungszeit 97 für den nächsten
Schaltvorgang zu adaptieren. Liegt die ermittelte Auftreffgeschwindigkeit
unterhalb eines Toleranzbereichs zulässiger Auftreffgeschwindigkeiten, wird
die Regelungszeit 97 um einen vorbestimmten Wert, der insbesondere
vom Abstand der ermittelten Auftreffgeschwindigkeit vom Toleranzbereich
abhängen kann, vergrößert, während
sie um einen vorbestimmten Wert, der insbesondere vom Abstand der ermittelten
Auftreffgeschwindigkeit vom Toleranzbereich abhängen kann,
verkleinert wird, wenn die ermittelte Auftreffgeschwindigkeit oberhalb
des Toleranzbereichs liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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