DE102011016895B4

DE102011016895B4 - Verfahren zur Bestimmung des Verschleißzustandes eines elektromagnetischen Aktors während dessen Betriebs

Info

Publication number: DE102011016895B4
Application number: DE102011016895.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Rekla
Original assignee: Kendrion (Donaueschingen/Engelswies) GmbH
Current assignee: Kendrion (Donaueschingen/Engelswies) GmbH
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2031-04-14
Also published as: DE102011016895A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Verschleißzustandes eines elektromagnetischen Aktors während dessen Betriebes, umfassend: – einen Magnetkreis mit einer Magnetspule, – einen gegen eine Rückstellkraft zwischen einer Anfangsstellung und einer Endstellung bewegbaren Anker, – einen Arbeitsluftspalt, der bei einer durch Bestromung der Magnetspule bewirkten Bewegung des Ankers verkleinert wird, und – eine Messvorrichtung zur Bestimmung des durch die Magnetspule fließenden Stromes und des Magnetfeldes des Magnetkreises, dadurch gekennzeichnet, dass a) vor Betriebsbeginn des Aktors in der Anfangsstellung, in der Endstellung oder in einer Zwischenstellung des Ankers der Zusammenhang zwischen einem mit der Magnetspule verketteten magnetischen Fluss des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule fließenden Spulenstrom als Werte einer Strom-Magnetfeld-Kennlinie ermittelt und gespeichert werden, b) während des Betriebes des Aktors in der Anfangsstellung, der Endstellung oder der Zwischenstellung des Ankers der durch die Magnetspule fließende Strom und der magnetische Fluss mittels der Messvorrichtung ermittelt wird, c) aus der Strom-Magnetfeld-Kennlinie mittels des gemessenen Spulenstromes der zugehörige magnetische Fluss ermittelt und mit den gemessenen Werten des magnetischen Fluss verglichen wird, und d) der Verschleißzustand aus der Differenz zwischen den ermittelten und den gemessenen Werten des magnetischen Fluss bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißzustandes eines elektromagnetischen Aktors während dessen Betriebs gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
Ein Verfahren zur Ansteuerung eines einen Elektromagneten aufweisenden Mehrwegeventils mit einer Verschleißzustandserkennung ist aus der DE 102 22 890 A1 bekannt, bei dem eine Schaltmechanik mittels einer Elektronikeinheit betätigbar ist, welcher eingangsseitig ein elektrisches Ansteuersignal und ein auf einen Ansteuerimpuls von einem im Mehrwegeventil integrierten Drucksensor erzeugtes Reaktionssignal zugeht, woraus die Elektronikeinheit durch Vergleich den zeitlichen Abstand zwischen beiden Signalen ermittelt, um hieraus die Schaltverzögerung als Maß des Verschleißzustandes der Schaltmechanik zu bestimmen.
Aus der DE 196 40 171 A1 ist eine Einrichtung zum Überprüfen der Funktion einzelner Magnete einer jeweils Steuerspulen aufweisenden Elektromagnetanordnung einer Steuermagnetanordnung für eine Mustervorrichtung an Strickmaschinen bekannt, bei der zur Diagnose der qualitativen Funktion Messwiderstände zur Bestimmung des durch die Steuerspulen fließenden Magnetisierungsstroms sowie der dadurch erzeugten Magnetisierungsspannung an den Steuerspulen eingesetzt werden. Die Funktionsfähigkeit der einzelnen Magnete ist dann gewährleistet, wenn innerhalb vorgegebener Zeitfenster bestimmte Zeitbereiche des Magnetisierungsstroms liegen, d. h. dass der Anstiegsstrom des Magnetisierungsstroms nach einer bestimmten Zeitdauer einen Schwellwert überschritten haben muss, also eine bestimmte Magnetisierungsstromanstiegszeit erforderlich ist.
Ferner ist aus der DE 10 2004 030 779 A1 ein Verfahren zur Diagnose der Funktionalität einer einen Aktuator aufweisenden Ventilhubverstellung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem der Aktor eine Magnetspule und einen zwischen einer Einschubstellung und einer Ausschubstellung verschiebbaren Dauermagneten mit einem Aktuatorstift aufweist. Im störungsfreien Betrieb wird der Dauermagnet ohne Strombeaufschlagung der Magnetspule von der Ausschubstellung in die Einschubstellung zurückverlagert, so dass in der Magnetspule eine Spannung induziert wird, deren Spannungsverlauf als Soll-Spannungsverlauf gespeichert wird. Bei der betriebspunktabhängigen Ventilhubsteuerung wird ein Ist-Spannungsverlauf in der Magnetspule mittels eines Spannungsmessmittels ermittelt und mit dem Soll-Spannungsverlauf verglichen, so dass bei einer Abweichung eine Fehlermeldung ausgegeben wird, die eine Fehlfunktionalität der Ventilhubstellung anzeigt. Weiterer Stand der Technik ist in DE 10 2008 054 877 A1 offenbart.
Diesen bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass diese nicht allgemein für elektromagnetische Aktoren verwendbar sind, um die Funktionsfähigkeit bzw. den Verschleißzustand im laufenden Betrieb zu bestimmen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißzustandes eines elektromagnetischen Aktors während dessen Betriebs der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der Verschleißzustand mit hoher Sicherheit bestimmt werden kann, ohne dass hierzu aufwendige Mittel erforderlich sind, insbesondere die Standzeit eines solchen Aktors maximal verlängerbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Bei einem solchen Verfahren zur Bestimmung des Verschleißzustandes eines elektromagnetischen Aktors während dessen Betriebes, welcher einen Magnetkreis mit einer Magnetspule, einen gegen eine Rückstellkraft zwischen einer Anfangsstellung und einer Endstellung bewegbaren Anker, einen Arbeitsluftspalt, der bei einer durch Bestromung der Magnetspule bewirkten Bewegung des Ankers verkleinert wird, und eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Spulenstromes und des Magnetfeldes des Magnetkreises umfasst, ist bei der Lösung nach Anspruch 1 erfindungsgemäß vorgesehen, dass

a) vor Betriebsbeginn des Aktors in der Anfangsstellung, in der Endstellung oder in einer Zwischenstellung des Ankers der Zusammenhang zwischen einem mit der Magnetspule verketteten magnetischen Fluss des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule fließenden Spulenstrom als Werte einer Strom-Magnetfeld-Kennlinie ermittelt und gespeichert wird,
b) während des Betriebes des Aktors in der Anfangsstellung, der Endstellung oder der Zwischenstellung des Ankers der durch die Magnetspule fließende Strom und der magnetische Fluss mittels der Messvorrichtung ermittelt wird,
c) aus der Strom-Magnetfeld-Kennlinie mittels des gemessenen Spulenstromes der zugehörige magnetische Fluss ermittelt und mit den gemessenen Werten des magnetischen Fluss verglichen wird, und
d) der Verschleißzustand aus der Differenz zwischen den ermittelten und den gemessenen Werten des magnetischen Fluss bestimmt wird.

Die Rückstellkraft wird bei einem elektromechanischen Aktor bspw. durch ein Federelement realisiert.
Dieser erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aufgrund von Alterung die Kraft des Ankers in einer bestimmten Stellung, also Anfangsstellung, Endstellung oder einer Zwischenstellung kleiner wird. Das bedeutet, dass im Laufe des Alterungsprozesses bei gleichem Strom und gleicher Stellung des Ankers der magnetische Fluss kleiner wird, also die Differenz zu dem Wert vor Betriebsbeginn des Aktors zunimmt. Daher zeigt diese im Laufe der Zeit, also im Laufe des Alterungsprozesses zunehmende Differenz den Verschleißzustand an.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es weiterbildungsgemäß vorteilhaft, im Verfahrensschritt b), bei welchem sich der Anker in der ersten Stellung (z.B. der Anfangsstellung) befindet, den Strom auf einen Wert einzustellen, der kleiner ist als der zur Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung erforderliche Losbrechwert. Wird der Verfahrensschritt b) in einer zweiten Stellung (z.B. der Endstellung) des Ankers entsprechenden Stellung durchgeführt, weist der Strom einen Wert auf, der wenigstens dem Wert des für den Betrieb des Ankers vorgesehenen Nennstromes entspricht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß der erstgenannten Lösung wird der Verschleißzustand ermittelt, indem die Differenz zwischen dem ermittelten und dem gemessenen magnetischen Fluss mit einem Schwellwert verglichen wird. Damit kann nicht nur ein Zustand des Aktors bestimmt werden, der dessen Austausch erfordert, sondern auch aus dem zeitlichen Verlauf der Differenz der Austauschzeitpunkt bestimmt werden, also der Zeitpunkt, an dem der Aktor mit hoher Wahrscheinlichkeit ausfallen wird.
Die zweitgenannte Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass

a) vor Betriebsbeginn des Aktors in einer ersten Stellung des Ankers, vorzugsweise in dessen Anfangsstellung und in einer von der ersten Stellung sich unterscheidenden zweiten Stellung des Ankers, vorzugsweise in dessen Endstellung jeweils der Zusammenhang zwischen einem mit der Magnetspule verketteten magnetischen Fluss des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule fließenden Spulenstrom als Strom-Magnetfeld-Standardkurven ermittelt und gespeichert wird,
b) ein Standardflächenwert der Fläche zwischen den beiden Strom-Magnetfeld-Standardkurven berechnet und gespeichert wird,
c) während des Betriebes des Aktors in der der ersten Stellung des Ankers und der zweiten Stellung des Ankers der durch die Magnetspule fließende Strom und der magnetische Fluss mittels der Messvorrichtung ermittelt und hieraus jeweils eine Strom-Magnetfeld-Kennlinie erzeugt wird,
d) ein Flächenwert der Fläche zwischen den gemäß Verfahrensschritt c) bestimmten Strom-Magnetfeld-Kennlinien berechnet und gespeichert wird, und
e) der Verschleißzustand aus der Differenz zwischen dem Standardflächenwert und dem gemäß Verfahrensschritt d) bestimmten Flächenwert ermittelt wird.

Auch dieses erfindungsgemäße Verfahren geht von der Erkenntnis aus, dass die Fläche unter der Hub-Kraft-Kurve aufgrund eines Alterungsprozesses kleiner wird und sich entsprechend auch die Strom-Magnetfeld-Kennlinie ändert. Das bedeutet, dass im Laufe des Alterungsprozesses bei gleichem Strom und gleichem Hub des Ankers der magnetischen Fluss kleiner wird, sich also die Strom-Magnetfeld-Kennlinie verschiebt und damit auch der Flächenwert unter der Hub-Kraft-Kurve zwischen zwei Stellungen des Ankers verkleinert, wenn sich bspw. der Anker zwischen der Anfangs- und der Endstellung oder über einen Zwischenbereich bewegt. Damit ändert sich auch die entsprechende Fläche in dem Strom-Magnet-Kennfeld, die im Laufe des Alterungsprozesses ebenfalls abnimmt. Die Differenz dieser Fläche eines Aktors vor Betriebsbeginn und zu Zeitpunkten während des Betriebs nimmt zu und zeigt den Verschleißzustand des Aktors an.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist esvorteilhaft, im Verfahrensschritt c), bei welchem sich der Anker in der ersten Stellung (z.B. der Anfangsstellung) befindet, den Strom auf einen Wert einzustellen, der kleiner ist als der zur Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung erforderliche Losbrechwert. Wird der Verfahrensschritt c) in einer zweiten Stellung (z.B. der Endstellung) des Ankers entsprechenden Stellung durchgeführt, weist der Strom einen Wert auf, der wenigstens dem Wert des für den Betrieb des Ankers vorgesehenen Nennstromes entspricht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß der zweitgenannten Lösung wird der Verschleißzustand ermittelt, indem die Differenz zwischen dem Standardflächenwert und dem während des Betriebs des Aktors bestimmten Flächenwert ermittelt und mit einem Schwellwert verglichen wird. Damit kann in diesem Fall nicht nur ein Zustand des Aktors bestimmt werden, der dessen Austausch erfordert, sondern auch aus dem zeitlichen Verlauf der Differenz der Austauschzeitpunkt bestimmt werden, also der Zeitpunkt, an dem der Aktor mit hoher Wahrscheinlichkeit ausfallen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 ein ψ(δ, I)-Kennfeld sowie ein zugehöriges Hub-Kraft-Kennfeld,
2 ein Zeit-Strom Diagramm zur Darstellung des Spulenstroms während einer Ankerbewegung und zugehöriger Verlauf der Ableitung dI/dt, und
3 ein ψ(δ, I)-Kennfeld über die Bestromungsphase eines Aktors.
Zur Durchführung der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aus dem Stand der Technik bekannte elektromagnetische Aktoren, die beispielsweise für Hubmagneten oder Betätigungsmagnete eingesetzt werden, verwendbar. Solche elektromagnetische Aktoren weisen eine Magnetspule, die an einem Stator angeordnet ist, einen durch Bestromung der Magnetspule bewegbaren Anker sowie einen mit dem Anker verbundenen Stößel auf. Der Stößel dient dabei als Betätigungsvorrichtung und kann beispielsweise einen Schalter betätigen oder den Durchfluss eines Ventils freigeben oder sperren. Ferner weist ein solcher Aktor eine Messvorrichtung mit einem Stromsensor zur Messung des Spulenstromes und einen Magnetfeldsensor zur Messung des mit der Magnetspule verketteten magnetischen Flusses ψ auf. Der Magnetfeldsensor kann an dem Stator des elektromagnetischen Aktors bzw. außerhalb dessen Gehäuses angeordnet sein, so dass er sich dabei im Bereich des magnetischen Streufeldes des Aktors befindet.
Bei Bestromung der Magnetspule wird durch das erzeugte Magnetfeld eine auf den Anker wirkende Kraft erzeugt, die den Anker aus seiner Anfangsstellung in seine Endstellung bewegt. Ein entsprechendes Hub-Kraft-Diagramm zeigt 1a mit einer Kennlinie 1, die insbesondere den Kraftverlauf zwischen der Anfangsstellung bei einem maximalen Luftspalt δ = max, also bei einem Hub Null und der Endstellung bei einem Luftspalt δ = 0, also bei maximalen Hub zeigt.
Im Laufe des Betriebs des Aktors treten Verschleißerscheinungen auf, die eine Verschiebung der Kennlinie 1 des Hub-Kraft-Diagramms nach 1b bewirken, dargestellt als Kennlinie 2.
Die zu diesen Kennlinien 1 und 2 zugehörigen ψ(δ, I)-Kennlinien zeigt schematisch 1a. In Abhängigkeit des Spulenstromes I entsteht eine Kurvenschar, dargestellt als durchgezogene Linien, die sich durch den Wert des Luftspalts δ als Parameter, also durch den Hub unterscheiden. Die Kennlinie 1 zeigt den magnetischen Flussverlauf bei δ = 0, also in der Endstellung des Ankers, während die Kennlinie 3 den magnetischen Flussverlauf bei δ = max, also in der Anfangsstellung des Ankers angibt. Bei einem bestimmten Stromwert I₀ des Spulenstroms I nimmt der Wert des magnetischen Flusses ψ mit zunehmendem Luftspalt δ ab.
Die im Zusammenhang mit 1b beschriebenen Verschleißerscheinungen des Aktors zeigen sich ebenso durch eine Verschiebung der Kennlinien des ψ(δ, I)-Kennfeldes nach 1a. Wie in dieser 1a dargestellt, verschiebt sich die Kennlinie 1 in die Kennlinie 2 und die Kennlinie 3 in die Kennlinie 4. Damit verbunden ist eine Verringerung des Wertes des magnetischen Flusses von ψ_E nach ψ_E‘ bzw. von ψ_A nach ψ_A‘ bei einem Stromwert I₀.
Vor einem Betriebsbeginn eines elektromagnetischen Aktors wird in der Anfangsstellung des Ankers, in der Endstellung des Ankers oder in einer Zwischenstellung des Ankers der Zusammenhang zwischen einem mit der Magnetspule verketteten magnetischen Fluss des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule fließenden Spulenstrom als Strom-Magnetfeld-Kennlinie ermittelt und in einem Steuergerät gespeichert.
Wird die Anfangsstellung des Ankers gewählt, weist der Strom einen Wert auf, der kleiner ist als der zur Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung erforderliche Losbrechwert. In der Endstellung des Ankers weist der Strom dagegen einen Wert auf, der wenigstens dem Wert des für den Betrieb des Ankers vorgesehenen Nennstromes entspricht.
Während des Betriebs des Aktors werden entsprechend der vor dem Betrieb ermittelten Strom-Magnetfeld-Kennlinie in der Anfangsstellung, der Endstellung oder in der Zwischenstellung des Ankers ein durch die Magnetspule fließende Strom I₁ und der zugehörige magnetische Fluss ψ₁ mittels der Messvorrichtung gemessen.
Wird die Anfangsstellung des Ankers gewählt, weist der Strom einen Wert auf, der kleiner ist als der zur Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung erforderliche Losbrechwert. In der Endstellung des Ankers weist der Strom dagegen einen Wert auf, der wenigstens dem Wert des für den Betrieb des Ankers vorgesehenen Nennstromes entspricht.
Mit dem Stromwert I₁ des gemessenen Stromes I wird aus der vor dem Betrieb des Aktors ermittelten Strom-Magnetfeld-Kennlinie der zugehörige magnetische Fluss ψ₂ bestimmt. Dieser Wert ψ₂ wird mit dem gemessenen magnetischen Fluss ψ₁ verglichen und ein Differenzwert Δψ bestimmt, der den Verschleißzustand des Aktors anzeigt. Mit zunehmenden Wert dieser Differenz Δψ nimmt der Verschleiß zu, so dass aus dem zeitlichen Verlauf dieser Differenz Δψ der Zeitpunkt ermittelbar ist, an dem der Aktor nicht mehr funktionsfähig ist bzw. einen Zustand aufweist, der mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Ausfall führen wird. Hierzu kann ein Schwellwert bestimmt werden, der bei einer Überschreitung durch den Differenzwert Δψ rechtzeitig einen Austausch des Aktors anzeigt.
Damit kann der Austausch eines Aktors individuell in Abhängigkeit von dessen tatsächlichen Verschleißzustand gemacht werden, wodurch dessen Lebensdauer optimal genutzt also die Standzeit maximale verlängert wird und dadurch gegenüber einem zeitlich regelmäßig vorgesehenen Austausch Wartungskosten reduziert werden können.
Der Verschleißzustand kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel auch folgendermaßen ermittelt werden.
Zuerst wird vor Betriebsbeginn des Aktors in einer ersten Stellung des Ankers, bspw. in dessen Anfangsstellung und in einer von der ersten Stellung sich unterscheidenden zweiten Stellung des Ankers, bspw. in dessen Endstellung jeweils der Zusammenhang zwischen einem mit der Magnetspule verketteten magnetischen Fluss ψ des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule fließenden Spulenstrom I als Strom-Magnetfeld-Standardkurven ermittelt und in einer Steuereinheit gespeichert. Diese beiden Standardkurven können bspw. den Kurven 1 und 3 der 1a entsprechen, die in I-Richtung von dem Stromwert I₀ begrenzt werden. Mit diesen beiden Strom-Magnetfeld-Standard-Kurven wird ein Standardflächenwert der Fläche zwischen den beiden Strom-Magnetfeld-Standardkurven berechnet und ebenfalls gespeichert.
Während des Betriebes des Aktors wird in der ersten Stellung des Ankers, also der Anfangsstellung und der zweiten Stellung des Ankers, also der Endstellung der durch die Magnetspule fließende Strom I und der magnetische Fluss ψ mittels der Messvorrichtung ermittelt und hieraus jeweils eine Strom-Magnetfeld-Kennlinie erzeugt, die den Kennlinien 2 und 4 der 1a entsprechen, die aufgrund von Verschleißerscheinungen gegenüber den Kennlinie 1 und 3 verschoben sind und in I-Richtung ebenso von dem Stromwert I₀ begrenzt werden. Mittels dieser beiden Kennlinien wird ebenfalls ein Flächenwert der von ihnen eingeschlossenen Fläche berechnet und in der Steuereinheit gespeichert.
Schließlich wird der Verschleißzustand aus der Differenz zwischen dem Standardflächenwert und dem während des Betriebs des Aktors bestimmten Flächenwert ermittelt. Dieser Differenzwert, der mit der Zeit abnimmt, zeigt den mit der Zeit zunehmenden Verschleiß des Aktors an, so dass aus dem zeitlichen Verlauf dieses Differenzwertes der Zeitpunkt ermittelbar ist, an dem der Aktor nicht mehr funktionsfähig ist bzw. einen Zustand aufweist, der mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Ausfall führt. Hierzu kann ein Schwellwert bestimmt werden, der bei einer Überschreitung durch den Differenzwert rechtzeitig einen Austausch des Aktors anzeigt.
Bei der Ermittlung der zur Bestimmung der Differenz der Flächenwerte erforderlichen Kennlinien erreicht der Spulenstrom in der Anfangsstellung des Ankers einen Wert, der kleiner ist als der zur Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung erforderliche Losbrechwert, während in der Endstellung des Ankers der Strom einen Wert erreicht, der wenigstens dem Wert des für den Betrieb des Ankers vorgesehenen Nennstromes entspricht.
Die beiden bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele zur Bestimmung des Verschleißzustandes eines elektromagentischen Aktors stellen ein statisches Verfahren dar.
Ein dynamisches Verfahren wird mit den folgenden Ausführungsbeispielen beschrieben.
Bei dem zunächst beschriebenen Ausführungsbeipiel wird der zeitliche Verlauf des Spulenstromes bei der Bewegung des Ankers des Aktors aus der Anfangsstellung in seine Endstellung ausgewertet.
Ein solcher Verlauf ist schematisch mit dem t-I-Diagramm nach 2a dargestellt. Hiernach steigt der Strom I bis zu einem ersten Wert I₁ zum Zeitpunkt t₁ an, um danach zum Zeitpunkt t₂ auf einen Wert I₂ abzunehmen, um danach annähernd exponentiell wieder anzusteigen. Dieser Zeitpunkt t₂ stellt eine Unstetigkeit im Verlauf des Stromes I dar. Zum Zeitpunkt t₁ hat der Strom I den Losbrechwert I₁ erreicht, d. h. zu diesem Zeitpunkt t₁ beginnt die Bewegung des Ankers des Aktors, so dass aufgrund der Bewegung des Ankers erzeugten Induktionsspannung der Strom I abnimmt. Im Zeitpunkt t₂ hat der Anker seine Endstellung erreicht, bei dem der Spulenstrom I auf den niedrigen Wert I₂ abgesunken ist, da der Anker kurz vor Erreichen seiner Endstellung die höchste Geschwindigkeit aufweist und daher auch die größte Induktionsspannung erzeugt wird, die gegen den Spulenstrom I gerichtet ist.
Im Laufe des Betriebes des Ankers verschieben sich diese beiden Zeitpunkte t₁ und t₂ aufgrund von Verschleißerscheinungen des Ankers hin zu größeren Werten. Mit einer Auswertung dieser Zeitpunkte t₁ und t₂ kann daher ebenso der Verschleißzustand bestimmt werden.
Zunächst wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, welches zur Bestimmung des Verschleißzustandes die Unstetigkeitsstelle t₂ ermittelt und auswertet.
Hierzu wird vor Betriebsbeginn des Aktors der zeitliche Verlauf des Spulenstromes I während der Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung in die Endstellung erfasst und aus dem zeitlichen Verlauf des Spulenstroms ein Bezugszeitpunkt t₀₂ ermittelt, der dem Zeitpunkt der im Verlauf des Spulenstroms I auftretenden Unstetigkeit entspricht und das Ende der Bewegung des Ankers anzeigt. Während des Betriebs des Aktors wird der Zeitpunkt t₂ der Unstetigkeit im zeitlichen Verlauf des Spulenstromes I während der Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung in die Endstellung erfasst und mit dem Bezugszeitpunkt t₀₂ verglichen, indem die Zeitdifferenz t₂ – t₀₂ bestimmt wird, die den Verschleißzustand des Aktors angibt.
Die Bestimmung des Bezugszeitpunktes t₀₂ bzw. des Zeitpunktes t₂ kann durch Auswertung des in 2a dargestellten Verlaufs der zeitlichen mathematischen Ableitung dI/dt des Spulenstroms I erfolgen.
Diese Zeitdifferenz t₂ – t₀₂, die mit der Zeit zunimmt, zeigt den mit der Zeit zunehmenden Verschleiß des Aktors an, so dass aus dem zeitlichen Verlauf dieser Zeitdifferenz t₂ – t₀₂ der Zeitpunkt ermittelbar ist, an dem der Aktor nicht mehr funktionsfähig ist bzw. einen Zustand aufweist, der mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Ausfall führen wird. Hierzu kann ein Schwellwert bestimmt werden, der bei einer Überschreitung durch die Zeitdifferenz t₂ – t₀₂ rechtzeitig einen Austausch des Aktors anzeigt.
Das nächste Ausführungsbeispiel wertet zur Bestimmung des Verschleißzustandes den Zeitpunkt t₁ des Beginns der Ankerbewegung aus.
Im Unterschied zum zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel wird aus dem zeitlichen Verlauf der zeitlichen mathematischen Ableitung des vor Betriebsbeginn erfassten Spulenstroms ein Bezugszeitpunkt t₀₁ bestimmt, der gemäß 2b dem Nulldurchgang der zeitlichen Ableitung dI/dt des Spulenstroms I entspricht.
Ebenso wird während des Betriebs des Aktors der Zeitpunkt t₁ des Nulldurchgangs im Verlauf der zeitlichen mathematischen Ableitung dI/dt des Spulenstroms I während der Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung in die Endstellung erfasst und mit dem Bezugszeitpunkt t₀₁ verglichen, indem die Zeitdifferenz t₁ – t₀₁ bestimmt wird, die den Verschleißzustand angibt.
Diese Zeitdifferenz t₁ – t₀₁, die mit der Zeit zunimmt, zeigt den mit der Zeit zunehmenden Verschleiß des Aktors an, so dass aus dem zeitlichen Verlauf dieser Zeitdifferenz t₁ – t₀₁ der Zeitpunkt ermittelbar ist, an dem der Aktor nicht mehr funktionsfähig ist bzw. einen Zustand aufweist, der mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Ausfall führt. Hierzu kann ein Schwellwert bestimmt werden, der bei einer Überschreitung durch die Zeitdifferenz t₁ – t₀₁ rechtzeitig einen erforderlichen Austausch des Aktors anzeigt.
Das letzte Ausführungsbeispiel wertet zur Bestimmung des Verschleißzustandes des Aktors das in 3 dargestellte ψ(δ, I)-Kennfeld aus.
Hierzu wird vor Betriebsbeginn des Aktors während der Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung in die Endstellung der Zusammenhang zwischen einem mit der Magnetspule verketteten magnetischen Fluss des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule fließenden Spulenstrom als Strom-Magnetfeld-Kennlinie ermittelt und in einer Steuereinrichtung gespeichert. Eine derartige Kennlinie stellt bspw. die Kennlinie 1 gemäß 3 dar.
Diese Kennlinie 1 weist einen markanten Verlauf auf. In einem ersten Abschnitt I steigt der magnetische Fluss ψ entsprechend einer Magnetisierungskurve mit dem Strom I bis auf einen Wert ψ₀ bei einem Stromwert I₁ an. Da mit diesem Stromwert I₁ die Bewegung des Ankers des Aktors beginnt, geht die Kennlinie I unter Bildung eines Wendepunktes (I₁, ψ₀) im mathematischen Sinne in einen Abschnitt II über, der bei einem Strom I mit dem Wert I₁₁ in eine Magnetisierungskurve übergeht, die der Endstellung des Ankers entspricht. Auf dieser Magnetisierungskurve endet die Kennlinie 1 mit einem Abschnitt III bei einem Stromwert I₄.
Im Laufe des Betriebs des Aktors verschiebt sich die Kennlinie 1 aufgrund von Verschleiß nach rechts, wie dies mit den Kennlinien 2 und 3 dargestellt ist. Das bedeutet, dass der Start der Ankerbewegung erst mit höheren Stromwerten I₂ und I₃ beginnt. Dies bedeutet, dass sich auch die Stromwerte I₂₂ und I₃₃ entsprechend zu höheren Werten verschieben. Die Verschiebung der Wendepunkte (I₁, ψ₀), (I₂, ψ₀) und (I₃, ψ₀) wird zur Bestimmung des Verschleißzustandes eines elektromagnetischen Aktors gemäß folgendem Ausführungsbeispiel ausgewertet.
Nach der Bestimmung der Strom-Magnetfeld-Kennlinie 1 vor Betriebsbeginn des Aktors wird diese Strom-Magnetfeld-Kennlinie 1 nach dem Spulenstrom I mathematisch abgeleitet und aus dem Verlauf dieser mathematischen Ableitung des magnetischen Flusses nach dem Spulenstrom I ein dem Wendepunkt (I₁, ψ₀) der Strom-Magnetfeld-Kennlinie 1 entsprechender Bezugsstromwert I₁ ermittelt, der den Beginn der Bewegung des Ankers anzeigt. Während des Betriebs des Aktors wird in vorbestimmten Zeitabständen jeweils eine solche Strom-Magnetfeld-Kennlinie ermittelt, wie dies bspw. mit den Kennlinien 2 und 3 gemäß 3 dargestellt ist. Aus der mathematischen Ableitung des magnetischen Flusses ψ nach dem Strom I dieser Kennlinien 2 und 3 wird der dem Wendepunkt im Verlauf dieser Kennlinien 2 und 3 entsprechende Stromwert I₂ und I₃ ermittelt und mit dem Bezugsstromwert I₁ verglichen.
Der Verschleißzustand ergibt sich aus der Differenz I₂ – I₁ bzw. I₃ – I₁ zwischen dem Bezugsstromwert I₁ und dem ermittelten Stromwert I₂ bzw. I₃. Der Wert dieser Differenz nimmt, wie aus 3 ersichtlich ist, mit der Zeit zu, ebenso der Verschleiß des Aktors.
Damit kann aus dem zeitlichen Verlauf dieser Differenz I₂ – I₁, I₃ – I₁ usw. der Zeitpunkt ermittelt werden, an dem der Aktor nicht mehr funktionsfähig ist bzw. einen Zustand aufweist, der mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Ausfall führt. Hierzu kann ein Schwellwert bestimmt werden, der bei einer Überschreitung durch die Differenz rechtzeitig einen erforderlichen Austausch des Aktors anzeigt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Verschleißzustandes eines elektromagnetischen Aktors während dessen Betriebes, umfassend: – einen Magnetkreis mit einer Magnetspule, – einen gegen eine Rückstellkraft zwischen einer Anfangsstellung und einer Endstellung bewegbaren Anker, – einen Arbeitsluftspalt, der bei einer durch Bestromung der Magnetspule bewirkten Bewegung des Ankers verkleinert wird, und – eine Messvorrichtung zur Bestimmung des durch die Magnetspule fließenden Stromes und des Magnetfeldes des Magnetkreises, dadurch gekennzeichnet, dass a) vor Betriebsbeginn des Aktors in der Anfangsstellung, in der Endstellung oder in einer Zwischenstellung des Ankers der Zusammenhang zwischen einem mit der Magnetspule verketteten magnetischen Fluss des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule fließenden Spulenstrom als Werte einer Strom-Magnetfeld-Kennlinie ermittelt und gespeichert werden, b) während des Betriebes des Aktors in der Anfangsstellung, der Endstellung oder der Zwischenstellung des Ankers der durch die Magnetspule fließende Strom und der magnetische Fluss mittels der Messvorrichtung ermittelt wird, c) aus der Strom-Magnetfeld-Kennlinie mittels des gemessenen Spulenstromes der zugehörige magnetische Fluss ermittelt und mit den gemessenen Werten des magnetischen Fluss verglichen wird, und d) der Verschleißzustand aus der Differenz zwischen den ermittelten und den gemessenen Werten des magnetischen Fluss bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrensschrittes b) in der Anfangsstellung des Ankers der Spulenstrom einen Wert aufweist, der kleiner ist als der zur Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung erforderliche Losbrechwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrensschrittes b) in der Endstellung des Ankers der Spulensstrom einen Wert aufweist, der wenigstens dem Wert des für den Betrieb des Ankers vorgesehenen Nennstromes entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleißzustand ermittelt wird, indem die Differenz zwischen dem ermittelten und dem gemessenen magnetischen Fluss mit einem Schwellwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitlichen Verlauf der Differenz zwischen dem ermittelten und dem gemessenen magnetischen Fluss der Zeitpunkt des Ausfalls des Aktors bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung des Verschleißzustandes eines elektromagnetischen Aktors während dessen Betriebes, umfassend: – einen Magnetkreis mit einer Magnetspule, – einen gegen eine Rückstellkraft zwischen einer Anfangsstellung und einer Endstellung bewegbaren Anker, – einen Arbeitsluftspalt, der bei einer durch Bestromung der Magnetspule bewirkten Bewegung des Ankers verkleinert wird, und – eine Messvorrichtung zur Bestimmung des durch die Magnetspule fließenden Spulenstromes und des Magnetfeldes des Magnetkreises, dadurch gekennzeichnet, dass a) vor Betriebsbeginn des Aktors in einer ersten Stellung des Ankers und in einer von der ersten Stellung sich unterscheidenden zweiten Stellung des Ankers jeweils der Zusammenhang zwischen einem mit der Magnetspule verketteten magnetischen Fluss des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule fließenden Spulenstrom als Strom-Magnetfeld-Standardkurven ermittelt und gespeichert wird, b) ein Standardflächenwert der Fläche zwischen den beiden Strom-Magnetfeld-Standardkurven berechnet und gespeichert wird, c) während des Betriebes des Aktors in der der ersten Stellung des Ankers und der zweiten Stellung des Ankers der durch die Magnetspule fließende Strom und der magnetische Fluss mittels der Messvorrichtung ermittelt und hieraus jeweils eine Strom-Magnetfeld-Kennlinie erzeugt wird, d) ein Flächenwert der Fläche zwischen den gemäß Verfahrensschritt c) bestimmten Strom-Magnetfeld-Kennlinien berechnet und gespeichert wird, und e) der Verschleißzustand aus der Differenz zwischen dem Standardflächenwert und dem gemäß Verfahrensschritt d) bestimmten Flächenwert ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrensschrittes c) in der ersten Stellung des Ankers der Strom einen Wert aufweist, der kleiner ist als der zur Bewegung des Ankers aus der Anfangsstellung erforderliche Losbrechwert.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrensschrittes c) in der zweiten Stellung des Ankers der Spulenstrom einen Wert aufweist, der wenigstens dem Wert des für den Betrieb des Ankers vorgesehenen Nennstromes entspricht.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleißzustand ermittelt wird, indem die Differenz zwischen dem Standardflächenwert und dem gemäß Verfahrensschritt c) bestimmten Flächenwert mit einem Schwellwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitlichen Verlauf der Differenz zwischen dem Standardflächenwert und dem gemäß Verfahrensschritt d) bestimmten Flächenwert der Zeitpunkt des Ausfalls des Aktors bestimmt wird.