DE102018102382A1

DE102018102382A1 - Beheizbares elektromagnetisches Stellsystem sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102018102382A1
Application number: DE102018102382.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Bölling; Markus Oczkowski
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2019-08-08

Abstract

Die Erfindung betrifft Elektromagnetisches Stellsystem (1), insbesondere Nockenwellen-Verstellvorrichtung, mit einer elektromagnetischen Stellvorrichtung (3) aufweisend in einem Stellmodusbetrieb relativ zu stationären, magnetisch flussleitenden Kernmitteln (4) als Reaktion auf eine Bestromung mit einem positiven Stellstrom von axial ausgerichteten, stationären Spulenmitteln (5) entlang der oder parallel zur Axialachse (A) in einem, insbesondere Öldampf aufweisenden, Ankerraum (8) bewegbaren Ankermitteln (6) zum kraftbeaufschlagten Verstellen einer Schieber- und/oder Stößeleinheit (7), insbesondere einer eine Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors bewirkende Stößeleinheit, von einer Ruheposition (9) entlang einer Stellrichtung (R) in wenigstens eine Stellposition (10), und mit für die Erzeugung des Stellstroms den stationären Spulenmitteln (5) vorgeschalteten elektronischen Ansteuermitteln (2). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektronischen Ansteuermittel (2) derart ausgebildet sind, dass durch Bestromung in einem Heizmodusbetrieb die stationären Spulenmittel (5) erwärmend auf die elektromagnetische Stellvorrichtung (3) einwirken, wobei die Schieber- bzw. Stößeleinheit (7) in der Ruheposition (9) verharrt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Stellsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems nach Anspruch 10.
Aus dem gattungsbildenden Stand der Technik sind in Form von gängigen und marktüblichen Vorrichtungen elektromagnetische Stellsysteme allgemein bekannt. So zeigt die DE 20 2010 010 371 der Anmelderin ein elektromagnetisches Stellsystem aufweisend eine elektromagnetische Stellvorrichtung sowie elektronische Ansteuermittel, wobei in einem Stellmodusbetrieb durch Bestromung von stationären Spulenmitteln eine auf axial bewegbare Ankermittel einwirkende Magnetkraft erzeugbar ist, um eine mit den bewegbaren Ankermitteln in Wirkverbindung stehende Schieber- und/oder Stößeleinheit von einer Ruheposition entlang einer Stellrichtung in wenigstens eine Stellposition zu verstellen. Hierfür umfassen die Ankermittel Permanentmagnetmittel, die derart angeordnet sind, dass bei Bestromung der stationären Spulenmittel eine Verstellbewegung in die (axiale) Stellrichtung bewirkbar ist. Ein bevorzugter Anwendungsfall wird durch eine Nockenwellenverstellung gebildet, bei dem in dem Stellmodusbetrieb die mit der bewegbaren Ankermitteln verbundene Schieber- bzw. Stößeleinheit auf eine Nockenwelle eines Verbrennungskraftmotors einwirkt, um eine gewünschte Verstellfunktionalität zu realisieren. Hierbei erfolgt dann bevorzugt das Zurückstellen der Schieber- und/oder Stößeleinheit samt Ankermitteln mechanisch, über eine Rückwurframpe auf der Nockenwelle, wobei eine Fixierung der bewegbaren Ankermittel in der Ruheposition mittels der Permanentmagnetmittel erfolgt. Ferner umfassen die stationären Spulenmittel auch Kernmittel, die für eine gezielte Führung der magnetischen Feldlinien sorgen.
Üblicherweise werden zur Realisierung einer hohen Lebensdauer eines gattungsgemäßen Stellsystems für die beweglichen Komponenten der elektromagnetischen Stellvorrichtung, insbesondere Öl oder Fette aufweisende, Schmiermittel eingesetzt, die für eine Verringerung des Verschleißes der Komponenten des elektromagnetischen Stellsystems sorgen. Jedoch besitzen die Schmiermittel von der Temperatur abhängige Schmiereigenschaften, weshalb gerade bei tiefen Temperaturen die Viskosität deutlich ansteigt. Dies hat zur Folge, dass trotz ausreichend Schmiermittel die Belastung auf das elektromagnetische Stellsystem, insbesondre nach einem Kaltstart in der bevorzugten Realisierungsform im Zusammenwirken mit einer Nockenwelle eines Verbrennungskraftmotors, steigt, was neben einem hohen Verschleiß auch zu einer Beschädigung der Komponenten führen kann. Ferner werden die Schaltzeiten durch die mit sinkender Umgebungstemperatur ansteigenden Viskosität der Schmiermittel erhöht, weshalb teilweise geforderte Schaltdynamiken nicht mehr eingehalten werden können. Als Gegenmaßnahme sind aus dem Stand der Technik kostenintensive konstruktive Maßnahmen bekannt, bei denen insbesondere durch eine Taillierung der beweglichen Ankermittel und/oder der mit den Ankermitteln in Wirkverbindung stehenden Schieber- und/oder Stößeleinheit die Schaltdynamik trotz hoher Viskosität verbessert werden soll.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes elektromagnetisches Stellsystem im Hinblick auf die Betriebseigenschaften, insbesondere die Schaltzeiten bei einer kalten Betriebsumgebung zu optimieren und sämtliche bewegliche Komponenten vor Beschädigung durch eine temperaturbedingte Überbelastung zu schützen. Insbesondere soll dabei auch die Stellfunktionalität von mit einer Schieber- bzw. Stößeleinheit in Wirkverbindung stehenden beweglichen Ankermitteln auf eine Nockenwelle eines Verbrennungskraftmotors nach einem Kaltstart gewährleistet werden.
Die Aufgabe wird durch das elektromagnetische Stellsystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Schutz im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird gleichermaßen beansprucht für ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ermöglicht das erfindungsgemäße elektromagnetische Stellsystem die Realisierung eines Heizmodusbetriebs, indem die elektronischen Ansteuermittel die stationären Spulenmittel derart bestromen, dass die elektromagnetische Stellvorrichtung durch die in den stationären Spulenmitteln entstehenden ohmschen Verluste erwärmt wird und dabei die Schieber- bzw. Stößeleinheit nicht verstellt wird sondern in der Ruheposition verharrt. Mit anderen Worten wird die zur Realisierung der Stellfunktionalität vorgesehenen stationären Spulenmittel derart angesteuert, dass über die ohmsche Verlustleistung der stationären Spulenmittel die elektromagnetische Stellvorrichtung erwärmt werden kann, ohne dass dabei die beweglichen Ankermittel oder die mit den Ankermitteln in Wirkverbindung stehende Schieber- bzw. Stößeleinheit aus der Ruheposition entlang der Stellrichtung in wenigstens eine Verstellposition verstellt wird/werden. Dies ermöglicht es auf vorteilhaft einfache Weise die Viskosität des Schmiermittels, insbesondere des Öldampf-Gemisches, bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu verringern und somit die Schmiereigenschaften zu verbessern, wodurch insbesondere auch bei einem Verbrennungskraftmotor nach einem Kaltstart die Ventilfunktionalität vollumfänglich gewährleistet werden kann und geforderte Schaltzeiten eingehaltet werden. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, dass durch die Doppelnutzung der stationären Spulenmittel sowie der elektromagnetischen Ansteuermittel zur Einbringung der Heizleistung keine zusätzlichen Bauteilkomponenten zur Realisierung des Heizmodusbetriebs eingesetzt werden müssen. Lediglich die elektronischen Ansteuermittel müssen dazu ausgebildet sein, dass sie neben der Erzeugung der für den Stellmodusbetrieb nötigen Steuerspannung zur Bestromung der stationären Spulenmittel auch eine entsprechende Heizspannung erzeugen können, um den Heizstrom für den Heizmodusbetriebs zu erzeugen.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher der erfindungsgemäße Heizmodusbetrieb in der Form eines ersten Heizmodusbetriebs ausgebildet ist, wobei die stationären Spulenmittel derart mit einem negativen Heizstrom bestromt werden, dass die stationären Spulenmittel erwärmend auf die elektromagnetische Stellvorrichtung einwirken, wobei die Bestromung der stationären Spulenmittel eine auf die bewegbaren Ankermittel wirkende Kraftbeaufschlagung auslöst, die entgegen der Stellrichtung wirkt, wodurch sichergestellt werden kann, dass kein Stellvorgang ausgelöst wird. Diese vorteilhafte Maßnahme kann durch Invertierung der Steuerspannung realisiert werden, wodurch die stationären Spulenmittel mit einem negativen Heizstrom angesteuert werden. Die Flussrichtung des durch die stationären Spulenmittel fließenden negativen Heizstroms ist dabei entgegengesetzt zur Flussrichtung des zur Realisierung der Verstellfunktionalität fließenden positiven Steuerstroms. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass die Heizleistung über die Variation der Stromstärke des negativen Heizstroms beeinflussbar ist (quadratisches Verhältnis zwischen Stromstärke und Verlustleistung), wodurch sich nahezu beliebige Heizleistungen realisieren lassen. Dies ermöglicht eine dynamische, insbesondere an die Umgebungstemperatur anpassbare Heizleistungsvariation, wobei sich bei tiefen Umgebungstemperaturen eine größere Heizleistung in den stationären Spulenmitteln erzeugen lässt als bei höheren Umgebungstemperaturen. In diesem Zusammenhang ist es bei der bevorzugten Realisierungsform des elektromagnetischen Stellsystems im Zusammenwirken mit einer Nockenwelle vorteilhaft möglich, beim Öffnen des Kraftfahrzeugs oder der Fahrzeugtür den Heizmodusbetrieb zu aktivieren und somit die Viskosität des Schmiermittels zu optimieren. Damit können dann geforderte Schaltzeiten beim Starten des Verbrennungskraftmotors eingehalten werden, ohne dass dabei konstruktive Maßnahmen, etwa in Form einer schon beschriebenen Taillierung, vorgesehen sein müssen.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Heizmodusbetrieb des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems einen zweiten Heizmodusbetrieb, indem zur Erwärmung des elektromagnetischen Stellsystems eine Bestromung der stationären Spulenmittel mit einem positiven Heizstrom erfolgt. Der positive Heizstrom besitzt die gleiche Polung bzw. Flussrichtung wie der zur Verstellung der bewegbaren Ankermittel erzeugbare positive Stellstrom, ist jedoch betragsmäßig kleiner, um sicherzustellen, dass die bewegbaren Ankermittel und die damit in Wirkverbindung stehende Schieber- und/oder Stößeleinheit nicht aus der Ruheposition entlang der Stellrichtung verstellt wird/werden. Hierbei wird sich zu Nutze gemacht, dass zum Verstellen der bewegbaren Ankermittel durch die Bestromung der stationären Spulenmittel zunächst eine eine Schaltschwelle überwindende (Mindest-) Magnetkraft erzeugt werden muss, da die bewegbaren Ankermittel, insbesondere über die Permanentmagnetmittel, in der Ruheposition mechanisch fixiert sind. Erst nachdem diese Schaltschwelle überwunden wird, erfolgt eine Verstellung der bewegbaren Ankermittel entlang der Stellrichtung aus der Ruheposition in die wenigstens eine Stellposition. Wird diese Schaltschwelle durch den (zu kleinen) Heizstrom nicht erreicht bzw. überwunden, kann durch die ohmschen Verluste in den stationären Spulenmittel die elektromagnetische Stellvorrichtung erwärmt werden, ohne dass dabei ein Schaltvorgang ausgelöst wird. Besonders vorteilhaft ist die bei tiefen Temperaturen ansteigende Viskosität der gängigen Schmiermittel, weshalb aufgrund der zähflüssigen Eigenschaften des Schmiermittels die Schaltschwelle zusätzlich erhöht wird, wodurch sich bei besonders tiefen Temperaturen auch durch einen größeren positiven Heizstrom eine größere Heizleistung in die stationären Spulenmittel einbringen lässt, ohne dass aufgrund der Überwindung der Schaltschwelle ein Schaltvorgang ausgelöst wird.
Weiterbildend ist es bevorzugt, wenn die elektronischen Ansteuermittel eine Invertiereinheit aufweisen, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn die Invertiereinheit die zur Realisierung der Stellfunktionalität genutzte Steuerspannung invertiert, um daraus eine negative Heizspannung zu erzeugen, mit der die stationären Spulenmittel zur Erzeugung des negativen Heizstroms beaufschlagt werden. Dies ermöglicht es, auf vorteilhaft einfache Weise einen negativen Heizstrom zu erzeugen und somit den ersten Heizmodusbetrieb in einem erfindungsgemäßen Stellsystem zu realisieren, wobei nach erfolgreicher Temperierung des elektromagnetischen Stellsystems die elektronischen Ansteuermittel zur Realisierung der Bestromung der stationären Spulenmittel mit dem Stellstrom in den Stellmodusbetrieb umschaltbar sind.
Zur Realisierung des ersten Heizmodusbetriebs ist es weiterbildend vorteilhaft, wenn die elektronischen Ansteuermittel, insbesondere die Invertiereinheit, eine Vollbrücke oder H-Brücke od. dgl. Brückenschaltung umfasst, die zur Erzeugung der positiven Steuerspannung im Stellmodusbetrieb genutzt wird. Dies ermöglicht es mit geringem Aufwand, insbesondere ohne zusätzliche Bauteilkomponente, also lediglich durch eine über Software implementierbare geänderte Ansteuerung der steuerbaren Schaltelemente der Vollbrücke eine Invertierung der Steuerspannung zu realisieren, wodurch sich der erste Heizmodusbetrieb direkt realisieren lässt. In diesem Zusammenhang ist es weiter bevorzugt, wenn durch eine getaktete Ansteuerung der steuerbaren Schaltelemente eine Modulation der Heizspannung erfolgt, um einen betragsmäßig variierbaren Heizstrom zu erzeugen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass gattungsgemäße Stellsysteme zur Realisierung der elektronischen Ansteuermittel häufig ein eine Vollbrücke od. dgl. Schaltnetzteil-Topologie aufweisendes Steuergerät nutzen, wodurch die Realisierung des ersten und/oder zweiten Heizmodusbetriebs ohne konstruktive Umgestaltung umsetzbar ist, da sich durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente direkt eine Invertierung der Steuerspannung realisieren lässt, um insbesondere eine negative Heizspannung zu erzeugen.
Eine Weiterbildung der Erfindung weist Temperatursensormittel auf, die dem elektromagnetischen Stellsystem zugeordnet sind und die zumindest mittelbar mit den elektronischen Ansteuermitteln verbunden sind, wobei ein durch die Temperatursensormittel erzeugtes Temperaturausgangssignal zum Aktivieren des, bevorzugt ersten und/oder zweiten, Heizmodusbetriebs auswertbar ist. Dies ermöglicht vorteilhaft die Temperatur in der elektromagnetischen Stellvorrichtung, insbesondere in den stationären Spulenmitteln, zu erfassen und zu überwachen, um direkt in der elektromagnetischen Stellvorrichtung, insbesondere in den stationären Spulenmitteln tiefe Temperaturen zu erfassen und darüber hinaus auch die stationären Spulenmittel vor einer thermischen Überlastung durch zu hohe Bestromung zu schützen.
In einer Fortbildung der Erfindung umfassen die Temperatursensormittel mindestens ein diskretes Bauelement aufweisende Detektormittel. Bevorzugt sind die Detektormittel als Temperaturfühler mit entsprechenden Auswertmitteln realisiert, wodurch sich die Temperatur am Temperaturfühler bestimmen lässt, die dann für die elektronischen Ansteuermitteln für eine Weiterverarbeitung zugänglich sind.
Weiter bevorzugt ist es, wenn das diskrete Bauelement in einem Gehäuse des elektromagnetischen Stellsystems, insbesondere der elektromagnetischen Stellvorrichtung, angeordnet ist bzw. insbesondere in dem Gehäuse eingespritzt ist. Dies ermöglicht es die Temperatur im elektromagnetischen Stellsystem, insbesondere in der elektromagnetischen Stellvorrichtung, zu erfassen, wobei eine Beschädigung oder mechanische Belastung oder gar eine Zerstörung des diskreten Bauelements durch unsachgemäße Wartung ausgeschlossen werden kann.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise umfasst eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Temperatursensormittel, die in einer Detektionssensoreinheit, bevorzugt zur Erfassung von Magnetfeldlinien, weiter bevorzugt zur Bestimmung einer axialen Position der bewegbaren Ankermittel und/oder der Schieber- und/oder Stößeleinheit, angeordnet sind. Weiterbildend ist es bevorzugt, wenn die Detektionssensoreinheit als Hall-Sensor ausgebildet ist und ein Sensorausgangssignal für die Magnetfeldlinien erzeugt. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist es, dass in standardisierten Detektionssensoreinheiten häufig Temperatursensormittel vorgesehen sind, so dass gattungsgemäße Stellsysteme einfach, insbesondere ohne zusätzliche Bauteilkomponenten, um eine derartige Funktionalität erweiterbar sind. Dies ermöglicht vorteilhaft die Realisierung von kostengünstigen elektromagnetischen Stellsystemen, in denen die Zuverlässigkeit durch die direkte Überwachung der Temperatur verbessert werden kann.
Weiterbildend kann eine Temperaturerfassung auch vorteilhaft durch Temperatursensormittel realisiert werden, die ein Temperaturausgangssignal mittels wenigstens einer Strom- und/oder Spannungsmessung der stationären Spulenmittel bei Bestromung realisieren. Hierbei wird die (temperaturabhängige) Widerstandskennlinie der stationären Spulenmittel genutzt, um das Temperaturausgangssignal zu erzeugen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann auf sämtliche Hardwarekomponenten zur Realisierung der Temperatursensormittel verzichtet werden, da lediglich eine Analyse der Spannung und des Stroms in den Spulenmitteln erfolgen muss, wobei auf bestehende Hardwarekomponenten der Messwerterfassung zurückgegriffen werden kann, die standardmäßig zur Implementierung von Regelalgorithmen und für ein Fehlermanagement bereits vorgesehen sind. Somit ist es vorteilhaft möglich, durch eine nachträglich realisierbare Firmwareaktualisierung ein Temperaturausgangssignal mittelbar zu erzeugen.
Darüber hinaus wird im Rahmen der Erfindung auch Schutz beansprucht für ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems, dass zumindest die folgenden Schritte aufweist: In einem ersten Schritt werden zur Realisierung eines Stellbetriebsmodus stationäre, axial ausgerichtete Spulenmittel bestromt, wobei als Reaktion auf die Bestromung entlang der oder parallel zur Axialachse in einem, insbesondere Öldampf aufweisenden, Ankerraum bewegbare Ankermittel kraftbeaufschlagt werden, um eine Schieber- und/oder Stößeleinheit in eine Stellrichtung aus einer Ruheposition in wenigstens eine Stellposition zu verstellen. Darüber hinaus erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt zur Realisierung eines Heizmodusbetriebs eine Bestromung der stationären Spulenmittel durch die den stationären Spulenmitteln vorgeschalteten elektronischen Ansteuermittel mit einem Heizstrom, wodurch die elektromagnetische Stellvorrichtung durch die stationären Spulenmittel erwärmend wird, die bewegbaren Ankermittel und die damit in Wirkverbindung stehende Schieber- und/oder Stößeleinheit jedoch in der Ruheposition verharren und nicht entlang der Stellrichtung aus der Ruheposition verstellt werden.
In einer Weiterbildung dieses Verfahrens erfolgt zur Realisierung des ersten Heizmodusbetriebs die Ansteuerung der stationären Spulenmittel mit einem negativen Heizstrom zum Erwärmen der stationären Spulenmittel und der elektromagnetischen Stellvorrichtung durch die in den stationären Spulenmitteln durch die Bestromung entstehende ohmsche Verlustleistung, wobei die beweglichen Ankermittel eine entgegen der Stellrichtung wirkende Kraftbeaufschlagung erfahren und somit die Schieber- und/oder Stößeleinheit in der Ruheposition verharren.
Besonders bevorzugt ist auch ein Verfahrensschritt, in welchem zur Realisierung des zweiten Heizmodusbetriebs die stationären Spulenmittel mit einem positiven Heizstrom angesteuert werden und somit durch die in den stationären Spulenmitteln durch die Bestromung entstehenden ohmschen Verluste erwärmend auf die elektromagnetische Stellvorrichtung einwirken, wobei der positive Heizstrom kleiner als der einen Stellvorgang auslösende (positive) Stellstrom ist, um sicherzustellen, dass die bewegbaren Ankermittel und die und die Schieber- und/oder Stößeleinheit in der Ruheposition verharren, da kein Stellvorgang ausgelöst wird.
In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt erfolgt die Erzeugung eines Temperaturausgangssignals mittels, bevorzugt ein diskretes Bauelement aufweisenden Temperatursensormitteln, wobei das Temperaturausgangssignal von den elektronischen Ansteuermitteln auswertbar ist, um, bevorzugt den ersten und/oder zweiten, Heizmodusbetrieb zu aktivieren.
Weiterbildend kann auch ein Verfahrensschritt vorgesehen sein, indem die Temperatursensormittel zur Erzeugung des Temperaturausgangssignals wenigstens eine Strommessung und/oder eine Spannungsmessung der stationären Spulenmittel durchführen, um die Widerstandskennlinie der stationären Spulenmittel zu bestimmen. Vorteilhaft lässt sich daraus ein Temperatursensorausgangssignal erzeugen, das dann von den elektronischen Ansteuermitteln zur Aktivierung des, bevorzugt ersten und/oder zweiten, Heizmodusbetriebs ausgewertet wird.
Im Ergebnis ermöglicht die vorliegende Erfindung auf überraschend einfache und kostengünstige Art und Weise das Realisieren eines beheizbaren elektromagnetischen Stellsystems, bei dem auch bei tiefen Temperaturen die Stellfunktionalität der elektromagnetischen Stellvorrichtung sichergestellt werden kann, ohne dass eine starke Abnutzung der mechanischen Komponenten durch eine hohe Belastung erfolgt. Dies führt nicht nur zu einer Steigerung der Zuverlässigkeit eines elektromagnetischen Stellsystems, sondern führt auch vorteilhaft zu einer deutlichen Steigerung der Lebensdauer des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in

1:eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines elektronische Ansteuermittel sowie eine elektromagnetische Stellvorrichtung aufweisenden erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems,
2: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der elektronischen Ansteuermittel eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems und
3: ein Flussdiagramm umfassend wesentliche Verfahrensschritte zum Betreiben eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems, um auch bei tiefen Umgebungstemperaturen den Betrieb einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems zu gewährleisten.

In den Figuren sind funktionsgleiche oder zueinander äquivalente Elemente und Baugruppen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das schematische Blockschaltbild der 1 verdeutlicht die wesentlichen Funktionskomponenten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Realisierung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems 1. Das elektromagnetische Stellsystem 1 weist elektronische Ansteuermittel 2 sowie eine elektromagnetische Stellvorrichtung 3 auf. Die elektromagnetische Stellvorrichtung 3 umfasst stationäre, magnetisch flussleitende Kernmittel 4, axial ausgerichtete stationäre Spulenmittel 5, die als eine mehrere Wicklungen aufweisende Spule ausgebildet sind, sowie entlang der oder parallel zur Axialachse A in einem, insbesondere Öldampf aufweisenden Ankerraum 8 bewegbar angeordnete Ankermittel 6, die zur Realisierung einer Stellfunktionalität kraftschlüssig mit einer Schieber- und/oder Stößeleinheit 7 in Wirkverbindung stehen. Die bewegbaren Ankermittel 6 bestehen in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus axial ausgerichteten Permanentmagnetmitteln, die derart angeordnet sind, dass bei Bestromung der stationären Spulenmittel 5 und Ausbildung des magnetischen Feldes eine Abstoßungskraft auf die bewegbaren Ankermittel wirkt.
Mit anderen Worten wird die Stellfunktionalität durch die mittels der elektronischen Ansteuermittel 2 bewirkte Bestromung der stationären Spulenmittel 5 realisiert, wodurch die bewegbaren Ankermittel 6 durch eine von den stationären Spulenmittel 5 erzeugte Magnetkraft kraftbeaufschlagt werden, um bei Kraftbeaufschlagung mittels der Magnetkraft eine Verstellung der Schieber- und/oder Stößeleinheit 7 aus der Ruheposition 9 entlang einer Stellrichtung R in wenigstens eine Stellposition 10 zu bewirken. Neben dem Ansteuern der stationären Spulenmittel 5 zur Realisierung der Stellfunktionalität sind die elektronischen Ansteuermittel 2 auch dazu ausgebildet, in einem erfindungsgemäßen Heizmodusbetrieb die stationären Spulenmittel 5 derart anzusteuern, dass die stationären Spulenmittel 5 erwärmend auf die elektromagnetische Stellvorrichtung 3 einwirken. Hierfür sind ein erster und ein zweiter Heizmodusbetrieb vorgesehen, die sich beide durch die Flussrichtung des Heizstroms unterscheiden. In einem ersten Heizmodusbetrieb erfolgt die Invertierung der mittels der elektronischen Ansteuermittel 2 erzeugten und die stationären Spulenmittel 5 beaufschlagenden Steuerspannung. Dies erzeugt einen durch die stationären Spulenmittel 5 fließenden negativen Heizstrom, wodurch eine magnetische Kraft entgegen der Stellrichtung R erzeugbar ist. Somit kann sichergestellt werden, dass die bewegbaren Ankermittel 6 und die kraftschlüssig mit den bewegbaren Ankermitteln 6 in Wirkverbindungen stehenden Schieber- und/oder Stößeleinheit 7 in der Ruheposition 9 verweilen/t, während durch die ohmschen Verluste in den stationären Spulenmitteln 5 Wärme in das elektromagnetische Stellsystem 1 eingebracht werden kann .
In einem zweiten Heizmodusbetrieb erfolgt eine Bestromung der stationären Spulenmittel 5 mit einem positiven Heizstrom, der jedoch zur Vermeidung einer (ungewollten) Verstellung der beweglichen Ankermittel 6 betragsmäßig kleiner als der zur Realisierung der Verstellfunktionalität übliche Stellstrom ist. Der (betragsmäßig) kleiner gewählte Stellstrom stellt sicher, dass die auf die bewegbaren Ankermittel 6 wirkende Magnetkraft so klein ist, dass eine Schaltschwelle nicht überwunden wird und kein Verstellvorgang der Schieber- und/oder Stößeleinheit 7 ausgelöst wird. Zur Erfassung der Temperatur sind dem elektromagnetischen Stellsystem 1 Temperatursensormittel 11 zugeordnet, die mit den elektronischen Ansteuermitteln 2 zusammenwirken, so dass ein Temperaturausgangssignal von den elektronischen Ansteuermitteln 2 auswertbar ist, wodurch der erste und auch der zweite Heizmodusbetrieb aktivierbar ist. Die Temperatursensormittel 11 weisen ein als Detektormittel 16 wirkendes diskretes Bauelement 15 auf, das in einem nicht dargestellten Gehäuse 17 der elektromagnetischen Stellvorrichtung 3 angeordnet ist, bzw. dort vergossen wurde.
Die 2 zeigt eine bevorzugte Realisierungsform der elektronischen Ansteuermittel 2, wobei zur Erzeugung der Steuerspannung sowie der positiven und negativen Heizspannung eine vier steuerbare Schaltelemente 12 aufweisende Vollbrücke 13 eingesetzt wird. Hierbei sind die Schaltelemente 12 als MOSFETs realisiert, was eine effiziente Ansteuerung der Schaltelemente 12 ermöglicht. Durch entsprechendes Ansteuern der Schaltelemente 12 ermöglicht die Vollbrücke 13 nicht nur eine direkte Umsetzung einer Invertiereinheit 14 zur Realisierung einer negativen Heizspannung, sondern ermöglicht es auch durch eine geeignete getaktete Ansteuerung (insbesondre über eine Pulsweitenmodulation) der Schaltelemente 12 über gepulste Spannungsblöcke den Heizstrom betragsmäßig nahezu beliebig anzupassen. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, dass eine Glättung der durch die Taktung der Schaltelemente 12 erzeugten Spannungsblöcke durch die elektrischen Eigenschaften der stationären Spulenmittel 5 erfolgt, weshalb keine weiteren Bauteilkomponente zur Glättung des Heizstroms benötigt werden. Aus diesem Grund können die stationären Spulenmittel 5 direkt mit der modulierten Heizspannung beaufschlagt werden, um den gewünschten Heizstrom zu realisieren.
In der 3 ist ein Blockdiagramm gezeigt, dass die wesentlichen Verfahrensschritte zum Betreiben eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellsystems 1 abbildet. In einem ersten Verfahrensschritt 30 erfolgt zunächst die Messung der Temperatur durch die Temperatursensormittel 11, um ein Temperaturausgangssignal zu erzeugen. In einem zweiten Verfahrensschritt 31 erfolgt die Auswertung des Temperaturausgangssignals durch die elektronischen Ansteuermittel 2, nachdem durch eine nicht grafisch dargestellte Bedienoberfläche ein Aktivierungssignal erzeugt wurde. Wird eine kritische Temperaturschwelle nicht unterschritten, folgt in einem nächsten Verfahrensschritt das Aktivieren des Stellmodusbetriebs 32 zur Realisierung der Stellfunktionalität des elektromagnetischen Stellsystems 1.
Wurde im Verfahrensschritt 31 eine Temperatur ermittelt, die kleiner als die frei konfigurierbare Temperaturschwelle ist, erfolgt das Aktivieren des Heizmodusbetriebs 33, indem über die elektronischen Ansteuermittel 2 ein durch die stationären Spulenmittel 5 fließender negativer Heizstrom durch Invertierung der Steuerspannung erzeugt wird 33, um durch die ohmschen Verluste in den stationären Spulenmittel 5 die elektromagnetische Stellvorrichtung 1 zu erwärmen. Hierbei ist in einem weiteren Verfahrensschritt das betragsmäßige Variieren des negativen Heizstroms möglich, wodurch die in den stationären Spulenmitteln 5 erzeugte Heizleistung variierbar ist 34. Anschließend wird wieder der Verfahrensschritt 30 aktiviert, in dem eine Temperaturmessung mittels der Temperatursensormittel 11 durchgeführt wird.
Bezugszeichenliste

1: elektromagnetisches Stellsystem
2: elektrische Ansteuermittel
3: elektromagnetische Stellvorrichtung
4: Kernmitteln
5: stationäre Spulenmittel
6: bewegbare Ankermittel
7: Schieber- und/oder Stößeleinheit
8: Ankerraum
9: Ruheposition
10: Stellposition
11: Temperatursensormittel
12: Schaltelemente
13: Vollbrücke
14: Invertiereinheit
15: diskretes Bauelement
16: Detektormittel
17: Gehäuse der elektromagnetischen Stellvorrichtung
30: Erfassen der Temperatur
31: Auswerten der Temperatur
32: Stellmodusbetrieb
33: erster Heizmodusbetrieb
34: Variation des Heizstroms über Anpassung der Heizspannung
R: Stellrichtung
A: Axialachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 202010010371 [0002]

Claims

Elektromagnetisches Stellsystem (1), insbesondere Nockenwellen-Verstellvorrichtung, mit einer elektromagnetischen Stellvorrichtung (3) aufweisend in einem Stellmodusbetrieb (32) relativ zu stationären, magnetisch flussleitenden Kernmitteln (4) als Reaktion auf eine Bestromung mit einem positiven Stellstrom von axial ausgerichteten, stationären Spulenmitteln (5) entlang der oder parallel zur Axialachse (A) in einem, insbesondere Öldampf aufweisenden, Ankerraum (8) bewegbaren Ankermitteln (6) zum kraftbeaufschlagten Verstellen einer Schieber- und/oder Stößeleinheit (7), insbesondere einer eine Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors bewirkende Stößeleinheit, von einer Ruheposition (9) entlang einer Stellrichtung (R) in wenigstens eine Stellposition (10), und mit für die Erzeugung des Stellstroms den stationären Spulenmitteln (5) vorgeschalteten elektronischen Ansteuermitteln (2), dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Ansteuermittel (2) derart ausgebildet sind, dass durch Bestromung in einem Heizmodusbetrieb die stationären Spulenmittel (5) erwärmend auf die elektromagnetische Stellvorrichtung (3) einwirken, wobei die Schieber- bzw. Stößeleinheit (7) in der Ruheposition (9) verharrt.
Elektromagnetisches Stellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Ansteuermittel (2) zum Erzeugen eines ersten Heizmodusbetriebs (33) ausgebildet sind, derartig, dass die stationären Spulenmittel (5) durch Bestromung mit einem negativen Heizstrom erwärmend auf die elektromagnetische Stellvorrichtung (3) wirken, wobei die Kraftbeaufschlagung der beweglichen Ankermittel (5) entgegen der Stellrichtung (R) wirkt und die Schieber- und/oder Stößeleinheit (7) in der Ruheposition (9) verharrt.
Elektromagnetisches Stellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Ansteuermittel (2) zum Erzeugen eines zweiten Heizmodusbetriebs ausgebildet sind, derartig, dass die stationären Spulenmittel (5) durch Bestromung mit einem positiven Heizstrom erwärmend auf die elektromagnetische Stellvorrichtung (3) wirken, wobei der Heizstrom kleiner als der einen Stellvorgang auslösender Stellstrom ist und die Schieber- und/oder Stößeleinheit (7) in der Ruheposition (9) verharrt.
Elektromagnetisches Stellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Ansteuermittel (2) eine, insbesondere eine die stationären Spulenmittel (5) beaufschlagende Steuerspannung invertierende, Invertiereinheit (14) aufweisen.
Elektromagnetisches Stellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Ansteuermittel (2), insbesondere die Invertiereinheit (14), eine wenigstens vier elektronisch steuerbare Schaltelemente (12) aufweisende Vollbrücke (13) zum Erzeugen der die stationären Spulenmittel (5) beaufschlagenden Steuerspannung aufweisen, insbesondere ausweist.
Elektronisches Stellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektromagnetischen Stellsystem (1) Temperatursensormittel (11) zugeordnet sind, die mit den elektronischen Ansteuermitteln (2) datentechnisch zumindest mittelbar verbunden sind, so dass deren Temperaturausgangssignal zum Aktivieren des, bevorzugt ersten und/oder zweiten, Heizmodusbetriebs auswertbar ist.
Elektronisches Stellsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensormittel (11) mindestens ein diskretes Bauelement (15) aufweisendes Detektormittel (16) umfassen.
Elektronisches Stellsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das diskrete Bauelement (15) in einem Gehäuse (17) der elektromagnetischen Stellvorrichtung (2) angeordnet ist, insbesondere in dem Gehäuse (17) eingespritzt ist.
Elektronisches Stellsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensormittel (11) in einer, insbesondere als Hall-Sensor ausgebildeten, Detektionssensoreinheit, bevorzugt zur Erfassung der Magnetfeldlinien, weiter bevorzugt zur Bestimmung einer axialen Position der bewegbaren Ankermittel (6) und/oder der Schieber- und/oder Stößeleinheit (7), angeordnet sind.
Elektronisches Stellsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensormittel (11) dazu ausgebildet sind, derartig, dass zum Erfassen des Temperaturausgangssignals die Widerstandskennlinie der stationären Spulenmittel (5) erfassbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Stellsystems (1), welches bevorzugt nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildeten ist, und zumindest die folgenden Schritte aufweist: - Betreiben des elektromagnetischen Stellsystems (1) in einem Stellbetriebsmodus, wobei axial ausgerichtete, stationäre Spulenmittel (5) bestromt werden und als Reaktion auf die Bestromung entlang der oder parallel zur Axialachse (A) in einem, insbesondere Öldampf aufweisenden, Ankerraum (8) bewegbare Ankermittel (6) verstellt werden, um eine Schieber- und/oder Stößeleinheit (7), insbesondere eine eine Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors bewirkende Stößeleinheit, von einer Ruheposition (9) entlang einer Stellrichtung (R) in wenigstens eine Stellposition (10) zu verstellen; gekennzeichnet durch - einen Heizmodusbetrieb, wobei die stationären Spulenmittel (5) durch die elektronischen Ansteuermittel (2) derartig mit einem Heizstrom angesteuert werden, dass die elektromagnetische Stellvorrichtung (3) durch die stationären Spulenmittel (5) erwärmt wird und die bewegbaren Ankermittel (6) in der Ruheposition (9) verharren.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Heizmodusbetrieb (33) die stationären Spulenmittel (5) mit einem negativen Heizstrom angesteuert werden, damit die stationären Spulenmittel (5) erwärmend auf die elektromagnetische Stellvorrichtung (3) einwirken, wobei die bewegbaren Ankermittel (6) mit einer entgegen der Stellrichtung (R) wirkenden Magnetkraft kraftbeaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Heizmodusbetrieb die stationären Spulenmittel (5) mit einem positiven Heizstrom angesteuert werden und somit erwärmend auf die elektromagnetische Stellvorrichtung (3) einwirken, wobei der positiver Heizstrom kleiner als der einen Stellvorgang auslösenden positive Stellstrom gewählt wird, damit die bewegbaren Ankermittel (6) in der Ruheposition (9) verharren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch, bevorzugt ein diskretes Bauelement (15) aufweisende, Temperatursensormittel (11) ein Temperaturausgangssignal erzeugt wird, das von den elektronischen Ansteuermitteln (2) zur Aktivierung des, bevorzugt ersten und/oder zweiten, Heizmodusbetriebs ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensormittel (11) ein Temperaturausgangssignal aus Strom- und Spannungsmessungen der stationären Spulenmittel (5) bestimmen, das von den elektronischen Ansteuermitteln (2) zur Aktivierung des, bevorzugt ersten und/oder zweiten, Heizmodusbetriebs ausgewertet wird.