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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 20 2005 011 901 U1 der Anmelderin bekannt.
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Einsatzzweck der gattungsbildenden Technologie ist es, eine insbesondere zur Nockenwellenverstellung an einem Kraftfahrzeugmotor geeignete Stellvorrichtung zu schaffen, deren Anker-(Stößel)Position bzw. -Bewegung auf einfache Weise detektierbar ist. Bei der gattungsbildenden Technologie wird zu diesem Zweck die zum Antreiben der Ankermittel bestromte Spule zusätzlich in ihrem unbestromten Zustand genutzt, indem während dieses Zeitraums eine durch die Ankereinheit bzw. deren Bewegung in der Spule induzierte Spannung als Signal vom Spulenanschluss abgegriffen und geeignet nachfolgend durch die Erfassungsmittel ausgewertet wird. Vorteilhaft wird durch diese Maßnahme erreicht, dass für die Ankerdetektion keine zusätzlichen Sensoren oder Detektoreinheiten erforderlich sind, welche, neben entsprechendem Bauteileaufwand, auch weitergehende Anschluss- und Leitungs-Infrastruktur erfordern würden.
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Allerdings erweist sich die in der
DE 20 2005 011 901 U1 beschriebene Technologie in der praktischen Realisierung und insbesondere im Zusammenhang mit dynamisch weiterentwickelten, schnell schaltenden Aktuatoren als verbesserungsbedürftig. So bringen etwa schnell drehende Motoren entsprechend kurze Nockenwellen-Umlaufzeiten, was für in diese eingreifende elektromagnetische Stellvorrichtungen das Erfordernis zunehmend kürzerer Schaltzeiten bedeutet; insbesondere der Zeitraum zwischen dem Beginn der Bestromung der Spulenmittel und dem Ausfahren der Ankermittel (mit ihrem endseitigen Eingriffsstößel) in eine Hub-Endposition ist entsprechend kurz zu gestalten. Konstruktiv wird dies unter anderem dadurch gelöst, dass die mit der Bestromung zum Zweck der Ankerbewegung versehenen Spulenmittel zunehmen niederohmig sind (und auch relativ geringere Induktivitäten aufweisen), was durch entsprechende Drahtquerschnitte und Wicklungs- bzw. Windungszahlen des für die Spulenmittel verwendeten Wicklungsdrahts ermöglicht wird. Nachteilig bei derartigen niederohmigen Spulen ist jedoch, dass das im Nicht-Bestromungszustand erfasste bzw. erfassbare Signal („Rückwurfsignal”) deutlich kleiner und damit schwerer zu detektieren ist, als bei der herkömmlichen Technologie.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende elektromagnetische Stellvorrichtung, welche, etwa durch niederohmige, mit geringen Wicklungszahlen versehene Spulenmittel, in ihren Dynamikeigenschaften verbessert ist und verkürzte Schaltzeiten aufweist, so zu verbessern, dass gleichwohl im Zustand der Nicht-Bestromung eine zuverlässige Detektion der Bewegung oder Stellposition der Ankermittel aus einem an den Spulenmitteln anliegenden Detektionssignal erfassbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind die Spulenmittel in Form von zwei separaten, gleichwohl zum Erreichen eines Zweipols parallel zueinander geschalteten Spulenwicklungen realisiert, von denen eine erste in der vorbeschriebenen, dynamisch vorteilhaften Art zum Antreiben der Ankereinheit mit der Bestromung versehen werden kann und, relativ zu der zweiten Spulenwicklung, durch entsprechende Ausgestaltung des Spulendrahts und/oder eine reduzierte Wicklungszahl, niederohmig realisiert ist. Dagegen dient die zweite Spulenwicklung, relativ zur ersten Spulenwicklung durch entsprechende Ausgestaltung des Spulendrahts und/oder eine erhöhte Wicklungszahl hoch- bzw. höherohmig ausgebildet, als Sensor- bzw. Detektorwicklung und wird zum Erzeugen des Detektionssignals außerhalb der Bestromung (genauer: der Bestromungszeit) ausgewertet.
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Um gleichwohl einen Leitungs- und Beschaltungsaufwand für die so in Form von zwei Komponenten bzw. Baugruppen realisierten Spulenmittel nicht zu erhöhen, ist die erste und die zweite Spulenwicklung als Zweipol parallel verschaltet, dergestalt, dass jede der Spulenwicklungen einen Zweig ausbildet, die jeweiligen Zweigenden miteinander verbunden sind und an diesen Verbindungsstellen extern (mit der Stromquelle sowie den nachgeschalteten Erfassungsmitteln) verbunden sind. Der so geschaffene Zweipol ermöglicht es damit, eine auch schon für die gattungsbildende Technologie bekannte Anschluss- bzw. Stecker-Infrastruktur zu nutzen, ohne dass etwa zusätzliche Anschlüsse oder Leitungen erforderlich sind; gerade in einem Automobil-Umfeld mit entsprechenden Ressourcenbeschränkungen führt dies zu beachtlichen Vorteilen in der praktischen Realisierung.
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Da die erfindungsgemäße Parallelschaltung das Problem erzeugen würde, dass im Nicht-Bestromungszustand ein von der (hochohmigen) zweiten Spulenwicklung erzeugtes Detektionssignal der Ankerbewegung durch die (niederohmige) erste Spulenwicklung kurzgeschlossen werden würde, sind erfindungsgemäß für den Zweipol elektronische Schalt- bzw. Sperrmittel vorgesehen, welche, insbesondere durch ein selektives Sperren bzw. Unterbrechen des der ersten Spulenwicklung zugehörigen Pfades, einen derartigen Kurzschlusseffekt verhindern. Tatsächlich erzeugt während der Bestromung auch die erste Spulenwicklung ein der Ankerbewegung entsprechendes Induktionssignal, dieses ist jedoch aufgrund der deutlich geringeren Windungszahlen kleiner als das Detektionssignal der zweiten Spulenwicklung, so dass entsprechende Ausgleichsströme fließen, welche dann an den Anschlüssen des Zweipols kein nutzbares Signal mehr entstehen lassen.
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Dagegen ist die Parallelschaltung der beiden Spulenwicklungen während der Bestromung deutlich weniger problematisch, da, durch die höherohmige Ausgestaltung, nur ein vernachlässigbarer Stromanteil des Bestromungssignals durch die zweite Spulenwicklung fließen würde.
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Während in der erfindungsgemäßen Weiterbildung die Sperrmittel nahezu beliebige (elektrische) Schaltermittel, insbesondere auch Halbleiter-basiert realisiert, aufweisen können, ist es gemäß einer bevorzugten Realisierungsform der Erfindung günstig, die weiterbildungsgemäßen Schalt- bzw. Sperrmittel als Diode zu realisieren, welche in den der ersten (niederohmigen) Spulenwicklung zugehörigen Zweig der Parallelschaltung eingeschleift ist. Wirksam wird diese Diode dann, wenn die zweite Spulenwicklung das Detektionssignal (also die Induktionsspannung) in einer Polarität erzeugt, welche der Polarität der Bestromung entgegengesetzt ist: Bei einer solchen Ausgestaltung der zweiten Spulenwicklung würde dann das darin erzeugte Detektionssignal durch die der ersten Spulenwicklung zugeordnete Diode gesperrt werden und kann somit durch die Erfassungsmittel am Zweipol abgegriffen und nachfolgend ausgewertet werden.
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Dabei ist es einerseits vorteilhaft, diese umgekehrte Polarität (entgegengesetzte Stromflussrichtung) dadurch zu realisieren, dass die erste und die zweite Spulenwicklung zueinander gegensinnig gewickelt sind. Alternativ kann, bei gleichsinniger Wicklung, auch eine entsprechend entgegengesetzte Kontaktierung der Wicklungen erfolgen.
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In der konstruktiven Realisierung der Erfindung ergeben sich weiterbildungsgemäß zahlreiche Möglichkeiten, die erste und die zweite Spulenwicklung – entgegengesetzt gewickelt oder kontaktiert – zu realisieren, wobei es bevorzugt ist, beide Spulenwicklung einander benachbart vorzusehen, weiter bevorzugt auf einem gemeinsamen Spulenträger. Wiederum weiterbildungsgemäß kann vorteilhaft dieser gemeinsame Spulenträger entlang einer axialen Richtung der Stellvorrichtung, d. h. parallel zu einer Bewegungsrichtung der Ankereinheit, zunächst mit einem die erste Spulenwicklung realisierenden Spulen- bzw. Wicklungsabschnitt, danach mit einem die zweite Spulenwicklung realisierenden Spulenabschnitt, gewickelt werden oder aber es kann die umgekehrte axiale Abfolge gewählt werden. Auch ist es (ergänzend oder alternativ) möglich, die Spulenwicklungen einander in radialer Richtung benachbart vorzusehen, wobei es hier insbesondere günstig ist, auf die insoweit die Antriebsspule realisierende erste Spulenwicklung geeignet mantelseitig die zweite Spulenwicklung aufzubringen; eine solche Konfiguration eignet sich insbesondere für radial-symmetrisch aufgebaute Realisierungsformen der elektromagnetischen Stellvorrichtung, bei welchen die Spulenmittel, weiter bevorzugt zylindrisch, die Ankereinheit und die Kerneinheit umschließen und durch ihre Mittelachse die Bewegungslängsachse der Ankereinheit definieren.
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In der elektrotechnischen Realisierung ist es bevorzugt, die erste Spulenwicklung so auszugestalten, dass sich ein Ohm'scher Widerstand von < 20 Ohm ausbildet, weiter bevorzugt kann dieser 6 Ohm oder weniger betragen (bei Induktivitäten im Bereich zwischen ca. 25 mH für Spulen < 20 Ohm bis zu 4 mH und herab zu 0,8 mH für Spulen < 6 Ohm). Entsprechend sind gute Dynamikeigenschaften zu realisieren. Dagegen ist es weiterbildungsgemäß bevorzugt, die zweite Spulenwicklung mit einem Ohm'schen Widerstand oberhalb von 100 Ohm, bevorzugt ist insbesondere auch ein Widerstand oberhalb von 400 Ohm und < 1500 Ohm, auszugestalten, so dass ein gut auswertbares Detektionssignal erzeugbar ist und, im Zusammenwirken mit der ersten Spulenwicklung, keine signifikante Stromteilung während der Bestromung erfolgt. Hier liegen typische Induktivitäten zwischen ca. 1 H (400 Ohm Sensorspule) und ca. 7 H (500 Ohm).
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Einen zusätzlichen Vorteil bringt hier die zusätzlich weiterbildungsgemäß vorzusehende zweite Diode, eingeschleift in den der zweiten Spulenwicklung zugehörigen Zweig: durch der ersten Diode (im Zweig der ersten Spulenwicklung) entgegengesetzte Polarität verhindert diese zweite Diode (als Zenerdiode realisiert) jeglichen Stromfluss während der Bestromung, ermöglicht gleichzeitig, bei dem erfindungsgemäß entgegengesetzt ausgestatteten Wicklungssinn bzw. der entsprechenden Kontaktierung, einen Stromfluss des Detektionssignals zu den Anschlüssen des Zweipols.
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Im Ergebnis erreicht damit die vorliegende Erfindung eine signifikante Verbesserung der Bewegungs- bzw. Positionserfassung von Ankermitteln im Rahmen der gattungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung, wobei deutlich verbesserte Dynamikeigenschaften erreicht werden und die Vorrichtung nach wie vor lediglich zweipolig beschaltet wird, mit anderen Worten, etwa zur Verbindung mit vorgeschalteten Steuergeräten keine zusätzlichen Anschlüsse oder Leitungen erforderlich sind.
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Damit eignet sich die vorliegende Erfindung in herausragender Weise zur Verwendung als Betätigung für Nockenwellenverstellvorrichtungen, ist jedoch auf diesen bevorzugten Verwendungszweck nicht beschränkt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
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1(a), (b), ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Spulenmittel einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit lediglich einer, der ersten Spulenwicklung zugeordneten Diode, im Bestromungszustand (a) bzw. im Rückwurfzustand (b) bei induzierter Rückwurfspannung und unbestromter Hauptspule;
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2(a), (b) ein Ersatzschaltbild der Spulenmittel einer zweiten, alternativen Ausführungsform der Erfindung mit einer zusätzlichen zweiten Diode, zugeordnet der zweiten Spulenwicklung, im Bestromungszustand (a) bzw. im Rückwurfzustand (b) bei induzierter Rückwurfspannung und unbestromter Hauptspule;
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3 bis 5 schematische Längsschnittdarstellungen der elektromagnetischen Stellvorrichtung mit möglichen geometrisch-konstruktiven Realisierungsvarianten der ersten bzw. zweiten Spulenwicklung.
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So zeigen die 3 bis 5 jeweils als hälftiger Längsschnitt durch eine radial-symmetrisch realisierte elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform drei Varianten, wie die erste bzw. zweite Spulenwicklung einander benachbart vorgesehen sein können: Eine aus einem langgestrecken Ankerstößel 10, einem scheibenförmigen, axial-magnetisierten Permanentmagneten 12 sowie einem Paar beidseits der Permanentmagnetscheibe 12 vorgesehenen Flussleitscheiben 14, 16 gebildete Ankereinheit ist entlang einer axialen Richtung 18 (insoweit entsprechend der Symmetrieachse der 3 bis 5) und relativ zu einer stationären Kerneinheit 20 bewegbar geführt. Die Ankereinheit wirkt zusammen mit einem eingriffsseitigen Stößel 22, der durch die permanentmagnetische Haftkraft des Permanentmagneten 12 an einem stirnseitigen Ende des Ankerstößels 12 lösbar haftend gehalten ist. Am dem Permanentmagneten 12 gegenüberliegenden Eingriffsende 24 ist der Eingriffsstößel zum Zusammenwirken mit einem (nicht gezeigten) Stellpartner, insbesondere einer Stellnocke einer Nockenwellenverstellung für einen Verbrennungsmotor, ausgebildet und tritt zu diesem Zweck aus einer stirnseitigen Gehäusefläche 26 eines die Einheit zylindrisch umgebenden Gehäuses 28 heraus. Eine Bodenscheibe 30 bzw. ein stirnseitiges Flussleitelement 32 schließen magnetische Kreise über das Gehäuse, wobei in der gezeigten Anordnung (und in ansonsten bekannter Weise) als Reaktion auf die Bestromung einer ersten Spulenwicklung 34 eine abstoßende Kraft zwischen der Kerneinheit 20 und der Permanentmagnet-Baugruppe 14, 12, 16 entsteht, welche die Ankereinheit und mithin den ansetzenden Ankerstößel 22 aus ihrer in den 3 bis 5 gezeigten Ruheposition in eine Eingriffsstellung (in der Figurenrichtung abwärts) treibt, so dass das Eingriffsende 24 mit der Stellnut zusammenwirken kann.
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Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist, der ersten Spulenwicklung 34 benachbart, eine zweite Spulenwicklung 36 auf, welche bei der Realisierungsform der 3 der Spulenwicklung 34 in Richtung auf die Permanentmagneteinheit axial benachbart ist. Eine derartige Realisierungsform bringt die als Detektorspule (Sensor) für die Ankerbewegung im unbestromten Zustand wirkende zweite Spulenwicklung 36 relativ nah an die Permanentmagneteinheit 14, 12, 16, so dass hohe Detektionsqualität sichergestellt ist.
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Als Variante zur geometrischen Konfiguration der 3 zeigt die 4 (bei für identische bzw. äquivalente Bauelemente und Funktionsgruppen gleichen Bezugszeichen) eine alternative Anordnung der zweiten Spulenwicklung benachbart zur ersten Spulenwicklung; hier liegt die zweite Spulenwicklung 36, wiederum axial benachbart, am der Permanentmagneteinheit gegenüberliegenden Ende der ersten Spuleneinheit 36; diese Variante ist besonders einfach kontaktierbar.
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Die Variante der 5, wiederum bei ansonsten identischer bzw. äquivalenter Realisierung der übrigen Komponenten bzw. Baugruppen, sieht die zweite Spulenwicklung 40 radial außen liegend und aufgewickelt auf der ersten Spulenwicklung 34 vor und ermöglicht so vorteilhaft zusätzlichen axialen Bauraum.
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Allen gezeigten Realisierungsformen der 3 bis 5 ist gemeinsam, dass ein (nicht gezeigter) Spulenhalter, typischerweise realisiert aus einem geeigneten, magnetisch nicht leitenden Kunststoff-Spritzgussmaterial, beide Spulenwicklungen in den jeweils gezeigten Konfigurationen trägt.
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Die 1 und 2 verdeutlichen als zueinander alternative Ausführungsformen die Beschaltung und Konfiguration der jeweiligen Spulenwicklungen. So zeigt, als erstes Ausführungsbeispiel zur Realisierung der Erfindung, die 1 im Schaltbild, wie die erste Spulenwicklung (ersatzhalber dargestellt durch ihren Spulenwiderstand RHaupt sowie ihre Induktivität LHaupt) einen ersten Zweig eines Zweipols ausbildet, dem eine erste Diode D1 zugeordnet ist: Die zur Bestromung mit dem Zweck des Antriebs der Ankereinheit vorgesehene erste Wicklung 34 wird mit einer Polarität bestromt, dass die abfallende Spannung UHaupt entlang der Flussrichtung der Diode D1 verläuft, mit anderen Worten, während der Bestromung leitet D1.
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Das erste Ausführungsbeispiel der 1 verdeutlicht ferner einen zweiten, der zweiten Spulenwicklung 36 (bzw. 40) entsprechenden Zweig im dargestellten Ersatzschaltbild, wobei diese zweite Spulenwicklung ersatzhaft dargestellt ist durch ihren Ohm'schen Spulenwiderstand RSensor bzw. ihre Induktivität LSensor. Der Wicklungssinn dieser Spulenwicklung ist so eingerichtet, dass eine der Bestromungsspannung UHaupt entgegengesetzte Induktions- bzw. Detektorspannung USensor (induziert durch die Ankerbewegung im Nicht-Bestromungszustand) entsteht, entsprechend den Pfeilrichtungen in der 1. Zugegriffen wird auf den Zweipol durch die zwei Anschlüsse A1, A2, insoweit vergleichbar einem herkömmlichen zweipoligen Anschluss an ein Steuergerät. Der Stromfluss durch den der Spulenwicklung 36 entsprechenden Zweig erfolgt entlang Pfeilrichtung ISensor.
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Die 1(a) zeigt den Bestromungszustand der Hauptspule 34 (etwa bei einer konstruktiven Realisierung nach einer der Varianten der 3 bis 5); es leitet die Diode D1. Da zudem die Wicklungen 34 und 36 relativ zueinander so ausgestaltet sind, dass ein Ohm'scher Widerstand der Wicklung 36 (mit etwa 400 bis 1500 Ohm) deutlich größer als ein Ohm'scher Widerstand der ersten Wicklung 34 (mit etwa 0,1 bis 6 Ohm) ist, ist der Stromfluss im Zweig 36 während der Bestromung vernachlässigbar. Dagegen führt, nach Beendigung der Bestromung durch USchalten gemäß 1(b) und während des Rückwurf- bzw. Detektionsbetriebs (bei Bewegung der Ankereinheit) die Diode D1 durch ihre Polarität dazu, dass das Detektionssignal USensor über den Anschlüssen des Zweipols A1, A2 abgegriffen und weiterverarbeitet werden kann und nicht durch den Zweig der ersten Spulenwicklung 34 fließt, da insoweit die Diode D1 sperrt. Dies symbolisiert die 1(b) dadurch, dass der Stromfluss IHaupt durch den Zweig 34 gesperrt ist; das Rückwurfsignal wird dabei nicht über der Hauptspule abgebaut.
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Das zweite Ausführungsbeispiel der 2, insoweit als Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels (wiederum mit identischen Bezugszeichen für identische bzw. äquivalente Einheiten) ordnet dem Zweig der zweiten Spulenwicklung 36 eine zweite Diode D2 zu, welche während des Bestromungsbetriebs (Stromfluss durch die erste Spulenwicklung) sperrt, so dass kein Stromfluss durch die als Sensorspule dienende zweite Spulenwicklung erfolgt. Während des Detektorbetriebs öffnet D2, so dass insoweit das Detektionssignal (mit gesperrter D1) fließen und wiederum über A1, A2 abgegriffen werden kann. Die zweite Diode D2 ist als Zenerdiode realisiert und so ausgelegt, dass sie bei der Bestromungs- bzw. Schaltspannung USchalten sperrt, jedoch eine Durchbruchspannung aufweist, die geringer ist als die induzierte Spannung USensor. Damit wird, wie 2(a) symbolisiert, im Bestromungsbetrieb ISensor gesperrt, so dass kein Gegenfeld durch den Spulenzweig 36 entstehen kann. Gleichermaßen verhindert die Diode D1, analog zum ersten Ausführungsbeispiel der 1, dass das Rückwurfsignal USensor über die Hauptspule 34 abgebaut wird; der induzierte Rückwurfstrom der Hauptspule wird gesperrt.
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Typische Realisierungsvarianten der Wicklungen bei einem Stellhub von 3 mm bis 6 mm, einer typischen Stellkraft im Bereich von 3 N bis 15 N und einem typischen Außendurchmesser der Gehäuseschale von ca. 20 mm liegen zwischen 50 und 500 Windungen für die erste Spulenwicklung und zwischen ca. 800 und ca. 8000 Wicklungen für die zweite Wicklung, was zu typischen Induktivitäten von 0,8 mH bis 25 mH bzw. 1 H bis 70 H führt.
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Die geometrisch-konstruktiven Realisierungsformen der 3 bis 5 zeigen eine bistabile Vorrichtung; es zeigt sich, dass in einem ausgefahrenen (Eingriffs)-Zustand der Ankereinheit die Permanentmagneteinheit 14, 12, 16 am stirnseitigen Gehäuseende 26, 32 (durch Permanentmagnetkraft) festhält, auch in einem unbestromten Zustand der Spulenmittel. Eine typische Rückstellung erfolgt dann in für die Nockenwellenverstellung üblicher Weise durch Wirkung der mit dem Eingriffstößel 22 zusammenwirkenden Stellnut. Gerade auch eine solche weiterbildungsgemäß bevorzugte Bistabilität realisiert die Vorteile der vorliegenden Erfindung, zuverlässig mittels der zweiten Spulenwicklung das Bewegungs- bzw. Stellverhalten der Ankereinheit detektieren zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005011901 U1 [0001, 0003]
