DE102020116482A1

DE102020116482A1 - Elektromagnetische Stellvorrichtung mit Positionserkennung

Info

Publication number: DE102020116482A1
Application number: DE102020116482.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Gauggel; Bernd Hardy; Lutz Mantsch; Achim Riedle
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-12-23
Also published as: EP4169045A1; US20230243441A1; CN116134559A; WO2021259908A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektromagnetische Stellvorrichtung (10) aufweisend bestrombare stationäre Spulenmittel (1), ein diesen zugeordnetes magnetisches Führungselement (2) mit einem Kernabschnitt (2a), und eine relativ zum Führungselement (2) und als Reaktion auf eine Bestromung der Spulenmittel (1) entlang einer axialen Bewegungsrichtung (L) bewegliche Ankereinheit (3), wobei das Führungselement (2) hohlzylindrisch und die Ankereinheit (3) wenigstens teilweise umschließend ausgebildet ist, wobei die Stellvorrichtung (10) eine vorzugsweise im Führungselement (3) integrierte Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) aufweist, welche zur Positions-und/oder Wegmessung der Ankereinheit (3) im Führungselement (2) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit optimierter Positionserkennung des Ankerelements.
Elektromagnetische Stellvorrichtungen für verschiedenste Anwendungen, beispielsweise für Aktoren für Stellaufgaben, für hydraulische oder pneumatische Ventile, insbesondere Wegemagnetventile, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Diese weisen im Allgemeinen bestrombare stationäre Spulenmittel und zu diesen axial bewegbar gelagerte Ankermittel auf, welche als Reaktion auf eine Bestromung der Spulenmittel entlang einer Ankerachse antreibbar und somit zum Gehäuse der Stellvorrichtung relativ bewegbar sind, wobei die Ankermittel mit einem Stößel als Stellglied oder mit einer Ventilschieberbaugruppe bspw. für die Schaltung von pneumatischen oder hydraulischen Wegemagnetventilen verbunden sind.
Ebenfalls bekannt ist eine zugeordnete Positionserkennungs- und/oder Wegmesseinheit derartiger Vorrichtungen insbesondere bei Hydraulikanwendungen. Durch diese erfolgt beispielsweise eine Detektion der jeweiligen Position und/oder einer Bewegung der Ankermittel, einer zugeordneten Ventilschieberbaugruppe oder einer zugeordneten Kolbenstange eines Hydraulikzylinders. Die Positionserkennungs- und/oder Wegmessung erfolgt heutzutage in der Regel mittels induktiver Sensorik wie induktiven Stellungsschaltern oder induktiven Wegaufnehmern, beispielsweise mittels LVDT-Sensoren (Linear Variable Differential Transformer), siehe 3. Hierdurch wird eine berührungslose und somit verschleißfreie Detektion bzw. Messung ermöglicht, wobei insbesondere LVDT-Sensoren aufgrund deren absoluten Messprinzips selbst nach einem Spannungsausfall eine eindeutige Positionserkennung ermöglichen. Nachteilig sind bei der bekannten Sensorik der relativ große benötigte Bauraum einer resultierenden Vorrichtung und die notwendige relativ aufwendige Abschirmung gegen mechanische Beschädigungen, Verunreinigungen oder aggressive Medien in der Vorrichtung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder zumindest deutlich abzuschwächen. Insbesondere soll eine verbesserte elektromagnetische Stellvorrichtung mit integrierter Sensorik bereitgestellt werden, welche eine zuverlässige Positionserkennung und/oder Wegmessung ermöglicht und gleichzeitig einen verringerten Bauraumbedarf aufweist, sowie eine vereinfachte und vorzugsweise kostengünstige konstruktive Ausgestaltung des Stelleelements ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung dar. Die Erfindung adressiert zudem weitere Probleme, wie in der folgenden Beschreibung näher erläutert wird.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektromagnetische Stellvorrichtung aufweisend bestrombare stationäre Spulenmittel, ein diesen zugeordnetes magnetisches Führungselement mit einem Kernabschnitt, und eine relativ zum Führungselement und als Reaktion auf eine Bestromung der Spulenmittel entlang einer axialen Bewegungsrichtung bewegliche Ankereinheit, wobei das Führungselement hohlzylindrisch und die Ankereinheit wenigstens teilweise umschließend ausgebildet ist, wobei die Stellvorrichtung eine vorzugsweise im Führungselement integrierte Ultrabreitband-Sensoreinheit aufweist, welche zur Positions- und/oder Wegmessung bzw. Positionserkennung und/oder Wegmessung der Ankereinheit im Führungselement ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die integrierte Ultrabreitband-Sensoreinheit die Bereitstellung einer effektiven und zuverlässigen Positionserkennung und/oder Wegmessung der Ankereinheit im Führungselement, insbesondere zur Zustandsüberwachung und/oder Regelung der elektromagnetischen Stellvorrichtung. Durch die vorzugsweise im Führungselement integrierte Ultrabreitband-Sensoreinheit wird eine deutliche Reduktion des benötigten Bauraums für die Vorrichtung erzielt und gleichzeitig eine konstruktiv einfache Ausgestaltung bei deutlicher Kostenreduktion insbesondere gegenüber einer LVDT-Sensorik aus dem Stand der Technik ermöglicht. Zudem kann die integrierte Ultrabreitband-Sensoreinheit zur Bereitstellung weiterer Zustands- oder Arbeitsinformationen der Vorrichtung dienen. Zudem ermöglicht die vorliegende Erfindung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Wegaufnehmern, welche üblicherweise eine Hysterese aufweisen und somit zwangsweise zu einer gewissen Ungenauigkeit in der Positionserkennung führen, eine sehr genaue Positionserfassung, insbesondere auch eine Echtzeitpositionserfassung.
Unter Ultrabreitband-Sensoreinheit wird vorliegend eine elektromagnetische Wellen emittierende Sensoreinheit verstanden, welche auf UWB („Ultra-Wideband“) Basis arbeitet, d.h. dass die emittierten elektromagnetischen Wellen eine besonders große Bandbreite, vorzugsweise eine Bandbreite von mehr als 500 MHz, aufweisen. Die Ultrabreitband-Sensoreinheit ist insbesondere ausgebildet, ein Breitbandsignal im Frequenzbereich zwischen 3,1 GHz und 10,6GHz, mehr bevorzugt zwischen 100MHz und 8,5 GHz, weiterhin bevorzugt zwischen 100MHz und 6GHz, zu emittieren und zu detektieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform arbeitet die Ultrabreitband-Sensoreinheit in einem Frequenzbereich zwischen 100 MHz und 6 GHz mit einer Bandbreite von zumindest 500 MHz, vorzugsweise zumindest 1 GHz, bevorzugt zumindest 2 GHz, bevorzugter zumindest 4 GHz und besonders bevorzugt von zumindest 5,5 GHz, und/oder in einem Frequenzbereich zwischen 6 GHz und 8,5 GHz mit einer Bandbreite von zumindest 500 MHz, vorzugsweise zumindest 1 GHz, bevorzugt zumindest 1,5 GHz, bevorzugter zumindest 2 GHz und besonders bevorzugt von zumindest 2,5 GHz, arbeitet. Hierdurch kann vorteilhaft eine, insbesondere wechselseitige, Störung durch weitere Funkquellen wie beispielsweise LoRa, 5G oder WLAN (insbesondere 802.11p) vermieden werden. Vorteilhaft kann, insbesondere durch die hohe Bandbreite des Frequenzbereichs zwischen 6 GHz und 8,5 GHz, eine besonders hohe räumliche Auflösung und/oder eine besonders niedrige minimale Messentfernung erreicht werden. Zudem sind für diese Frequenzbereiche vorteilhaft keine Funklizenzen erforderlich, insbesondere wenn eine Sendeleistung in einem Bereich von -41.3 dbm/MHz liegt. Vorzugsweise liegt die Sendeleistung der Ultrabreitband-Sensoreinheit bei -41.3 dbm/MHz oder darunter. Insbesondere ist das Frequenzband zwischen 6 GHz und 8,5 GHz zumindest zu einer Abstandsmessung, insbesondere auch in dem Nahbereich der Sensoreinheit, vorgesehen.
Insbesondere ist denkbar, dass die Sensoreinheit bzw. das Sensormodul derart ausgebildet sind, dass ein Sensor oder zumindest zwei Sensoren der Sensoreinheit, zumindest teilweise gleichzeitig oder abwechselnd in beiden Frequenzbändern (100 MHz bis 6 GHz und 6 GHz bis 8,5 GHz) messen und/oder betrieben werden. Dadurch können vorteilhaft eine Nahbereichs-Abstandsmessung und eine Analyse eines anliegenden Fluids, insbesondere eines Hydrauliköls, vorzugsweise mittels Impedanz-Spektroskopie, mit einer Sensoreinheit bzw. in einem Sensormodul kombiniert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ultrabreitband-Sensoreinheit als Ultrabreitband-Radarsensoreinheit, insbesondere als Nahbereichs-Radarsensorzelle ausgebildet. Diese ist vorzugsweise ausgebildet als unmoduliertes Dauerstrichradar, d.h. als sogenanntes „continuous wave radar“, zu arbeiten. Die Nahbereichs- bzw. Kurzstreckenradarsensorzelle arbeitet nach dem bekannten Radarprinzip, bei welchem eine Signallaufzeit einer emittierten und von einem Objekt reflektierten Welle detektiert wird. Aus einer sich hierbei erfassten Zeitdifferenz zwischen emittiertem und empfangenem Signal kann eine Entfernung zwischen Objekt und Sensoreinheit bestimmt werden. Ebenso kann hierbei eine Bestimmung der Geschwindigkeit und Beschleunigung des Objekts erfolgen.
Insbesondere detektiert die Ultrabreitband-Sensoreinheit ein Reflexionssignal der emittierten elektromagnetischen Wellen zur Erkennung der im Sichtfeld des Sensors bewegten Objekte. Vorzugsweise sensiert die Ultrabreitband-Sensoreinheit einen Frequenzunterschied des Reflexionssignals, wobei insbesondere aus dem Frequenzunterschied auf eine Entfernung des reflektierenden Objekts geschlossen werden kann. Vorteilhaft kann durch eine Erhöhung einer Bandbreite eines Messsignals eine Verkürzung einer Messsignaldauer und somit eine Verkleinerung einer minimalen Messentfernung eines Sensors erreicht werden. Vorzugsweise ist die Ultrabreitband-Sensoreinheit kontinuierlich betrieben.
Vorzugsweise sendet die Ultrabreitband-Sensoreinheit keine Impulssignale aus, so dass vorteilhaft keine Messunterbrechung für ein Empfangen von Impulsantworten notwendig ist. Dadurch kann vorteilhaft eine besonders hohe Messgeschwindigkeit ermöglicht werden, welche insbesondere eine hohe Messgenauigkeit und/oder eine Messung von Objekten mit besonders hoher Geschwindigkeit erlaubt.
Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die Ultrabreitband-Sensoreinheit gepulst betrieben ist. Vorteilhaft kann durch eine Verwendung von Ultrabreitband-Sensortechnik zudem eine Beeinflussung und/oder Störung von anderen Funkübertragungsverfahren, insbesondere anderen schmalbandigen Funkübertragungsverfahren, wie beispielsweise LoRa, 5G oder WLAN (insbesondere 802.11p), verhindert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel basiert die Ultrabreitband-Sensoreinheit auf einer M-Sequenz-Technologie. Dadurch kann vorteilhaft eine besonders genaue Geschwindigkeitserkennung, insbesondere auch von hohen Geschwindigkeiten, von in dem Sichtfeld des Sensors bewegten Objekten, vorzugsweise auch bei besonders kleinen Abständen der Objekte von dem Sensor, erreicht werden. Vorteilhaft sind M-Sequenz-Signale, insbesondere im Vergleich mit (UWB-) Impulssignalen und/oder mit (UWB-) Sinussignalen, rauschärmer. Vorteilhaft sind M-Sequenz-Signale, insbesondere im Vergleich mit (UWB-) Impulssignalen und/oder mit (UWB-) Sinussignalen, wenig störanfällig. Vorteilhaft verursachen M-Sequenz-Signale, insbesondere im Vergleich mit (UWB-) Impulssignalen und/oder mit (UWB-) Sinussignalen, eine geringe Störung von anderen Anwendungen, beispielsweise schmalbandigen Funkanwendungen wie LoRa, 5G oder WLAN (insbesondere 802.11p). Vorteilhaft werden M-Sequenz-Signale, insbesondere im Vergleich mit (UWB-) Impulssignalen und/oder mit (UWB-) Sinussignalen, nur gering von Signalen anderer Funkquellen, beispielsweise schmalbandigen Funkanwendungen wie LoRa, 5G oder WLAN (insbesondere 802.11 p), beeinflusst und/oder gestört. Vorteilhaft ermöglichen die M-Sequenz-Signale eine zeitgleiche Messung über einen gesamten (UWB-) Frequenzbereich der Sensoren, so dass mehrere tausend Messungen pro Sekunde ermöglicht werden können. Unter einer „M-Sequenz“ soll insbesondere eine unter den Fachbegriffen „Maximum Length Sequence“ oder eine „Folge maximaler Länge“ bekannte pseudozufällige, binäre Folge verstanden werden. Insbesondere stellt die M-Sequenz eine Pseudorauschfolge dar. Insbesondere hat die M-Sequenz ein flaches Frequenzspektrum, welches vorzugsweise einem weißen Rauschen ähnelt. Insbesondere ist die Ultrabreitband-Sensoreinheit dazu vorgesehen, ein auf der M-Sequenz basierendes und/oder durch eine M-Sequenz gebildetes Signal, insbesondere Pseudorauschsignal, zu erzeugen und auszusenden. Insbesondere ist das M-Sequenz-Signal mittels rückgekoppelten Schieberegistern erzeugbar. Insbesondere umfasst das Sensormodul zumindest eine Schaltung zum Erzeugen der M-Sequenz, welche vorzugsweise ein N-stufiges Schieberegister zum Erzeugen der M-Sequenz aufweist. Insbesondere umfasst die Ultrabreitband-Sensoreinheit eine Sendeeinheit, welche ein M-Sequenz-Sendesignal generiert und abstrahlt. Insbesondere umfasst die Ultrabreitband-Sensoreinheit eine Empfangseinheit, welche durch ein Objekt reflektierte Anteile des M-Sequenz-Sendesignals empfängt. Insbesondere umfasst die Ultrabreitband-Sensoreinheit eine Auswerteeinheit, welche das empfangene reflektierte M-Sequenz-Sendesignal auswertet und daraus zumindest eine Entfernung des reflektierenden Objekts bestimmt. Vorteilhaft sind die Messung und das Messergebnis der Ultrabreitband-Sensoreinheit mit der M-Sequenz-Technologie zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst von Schmutz- und/oder Ablagerungsschichten im Bereich eines Messpfads der Ultrabreitband-Sensoreinheit.
Die Ultrabreitband-Sensoreinheit kann axial im Führungselement angeordnet sein. Hierbei ist die Sensoreinheit vorzugsweise derart im Führungselement angeordnet, dass deren Signalemissionsrichtung im Wesentlichen parallel zur axialen Bewegungsrichtung der Ankereinheit ausgerichtet ist. Unter „Signalemissionsrichtung“ wird vorliegend eine Signalhauptabstrahlrichtung verstanden, vorzugsweise orthogonal zu einer Emissionsfläche der Sensoreinheit.
Die Ultrabreitband-Sensoreinheit ist hierbei vorzugsweise hinsichtlich ihrer Signalemissionsrichtung auf eine Stirnfläche der Ankereinheit ausgerichtet. Diese ist vorzugsweise orthogonal zur axialen Bewegungsrichtung der Ankereinheit angeordnet. Die Sensoreinheit kann hierbei eine Position und/oder Positionsänderung der Ankereinheit relativ zur Sensoreinheit detektieren und darauf basierend eine Wegmessung ermöglichen. Die Sensoreinheit ist hierbei vorzugsweise zentriert zur Ankereinheit, d.h. insbesondere zentriert bezüglich einer (Rotations-)Längsachse der Ankereinheit, angeordnet.
Die Ultrabreitband-Sensoreinheit kann in einem Anschlagselement des Führungselements für die Ankereinheit angeordnet sein. Das Anschlagselement dient vorzugsweise zur Hub- bzw. Bewegungsbegrenzung der Ankereinheit im Führungselement und kann integral mit dem Führungselement oder selektiv damit verbindbar ausgebildet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ultrabreitband-Sensoreinheit radial im Führungselement angeordnet. Hierbei ist die Sensoreinheit vorzugsweise derart im Führungselement angeordnet, dass deren Signalemissionsrichtung im Wesentlichen orthogonal zur axialen Bewegungsrichtung der Ankereinheit ausgerichtet ist. Die Ultrabreitband-Sensoreinheit ist hierbei hinsichtlich ihrer Signalemissionsrichtung vorzugsweise auf eine strukturierte Umfangs- oder Seitenfläche der Ankereinheit ausgerichtet. Die sich bei der Bewegung der Ankereinheit zur Sensoreinheit relativ bewegliche strukturierte Umfangs- oder Seitenfläche kann hierbei durch die Sensoreinheit erfasst und/oder abgetastet werden und darauf basierend eine Positionserkennung und/oder Wegmessung durch die Sensoreinheit erfolgen. Die strukturierte Umfangs- oder Seitenfläche kann beispielsweise wenigstens einen Vor- und/oder Rücksprung umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ultrabreitband-Sensoreinheit eine darauf angeordnete fluiddichte Abdeckung auf. Die Abdeckung ist wenigstens teilweise durchlässig für die emittierten oder zu empfangenen Signale der Sensoreinheit ausgebildet und kann beispielsweise aus Kunststoff oder Glas geformt sein. Die Abdeckung überdeckt vorzugsweise vollständig eine Emissionsfläche der Sensoreinheit. Die Abdeckung kann vorzugsweise plan mit einer die Sensoreinheit umgebenden und/oder auf die Ankereinheit gerichteten Innenfläche des Führungselements ausgebildet sein. Die Ultrabreitband-Sensoreinheit ist hierbei vorzugsweise in einem radialen oder axialen Rücksprung des Führungselements angeordnet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Ultrabreitband-Sensoreinheit zur Detektion der Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit des Ankerelements in axialer Bewegungsrichtung ausgebildet. Hierdurch ist eine Überwachung und Auswertung des Dynamikverhaltens der Stellvorrichtung möglich.
Die Ultrabreitband-Sensoreinheit kann des Weiteren zur Analyse eines im Führungselement geführten Fluids, insbesondere eines Hydrauliköls, mittels Impedanz-Spektroskopie ausgebildet sein. Hierdurch ist eine Überwachung und Auswertung der Fluid-Zusammensetzung und/oder des Fluid-Zustands möglich. Beispielsweise kann hierbei eine kontinuierliche Überwachung auf nicht gewünschte Bestandteile wie Wasser und/oder Materialabrieb erfolgen.
Die Ultrabreitband-Sensoreinheit kann zusätzlich zur Detektion und/oder Analyse von Strömungen innerhalb eines im Führungselement geführten Fluids ausgebildet sein. Hierdurch kann eine detailliertere Detektion und/oder Überwachung des Dynamikverhaltens und/oder eine detailliertere Zustandsüberwachung erfolgen.
Die vorgenannten zusätzlichen Informationen über die Systemzustände der Stellvorrichtung ermöglichen insbesondere auch eine vorausschauende Wartung („predictive maintainance“) der Vorrichtung. Die Sensoreinheit weist vorzugsweise eine Länge und Breite geringer als 12 mm und eine Höhe geringer als 22 mm auf.
Die jeweiligen funktionellen Ausbildungen der Ultrabreitband-Sensoreinheit können gleichzeitig in einer Ultrabreitband-Sensoreinheit vorliegen. Hierbei kann die Sensoreinheit beispielsweise wie zuvor beschrieben einen Sensor oder zumindest zwei Sensoren aufweisen, welche wenigstens teilweise gleichzeitig oder abwechselnd in bevorzugten Frequenzbändern, beispielsweise 100 MHz bis 6 GHz und 6 GHz bis 8,5 GHz, messen und/oder betrieben werden. Dadurch können vorteilhaft beispielsweise eine Positions-und/oder Wegmessung, insbesondere durch Nahbereichs-Abstandsmessung, und eine Analyse eines anliegenden Fluids, insbesondere einer Fluid-Zusammensetzung und/oder des Fluid-Zustands, gleichzeitig erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens zwei Ultrabreitband-Sensoreinheiten auf, wobei wenigstens eine davon zur Positionsbestimmung- und/oder Wegmessung der Ankereinheit ausgebildet ist und die zweite Ultrabreitband-Sensoreinheit eine der vorgenannten funktionellen Ausbildungen aufweist und besonders bevorzugt wenigstens zur Analyse des im Führungselement geführten Fluids ausgebildet ist. Hierbei ist die Ultrabreitband-Sensoreinheiten zur Positionsbestimmung- und/oder Wegmessung axial in der Stellvorrichtung, insbesondere in einem Führungszylinder des Führungselements, angeordnet. Die zweite Ultrabreitband-Sensoreinheit zur Analyse des im Führungselement geführten Fluids ist vorzugsweise radial in der Stellvorrichtung, insbesondere in einem sich vom Führungszylinder wegerstreckenden Fluidkanal, angeordnet.
Das Führungselement ist vorzugsweise für den Einsatz in Hydraulik- oder Pneumatikstellaufgaben ausgebildet. Das Führungselement ist hierbei vorzugsweise als druckdichtes Element ausgebildet, in welchem die Ankereinheit beweglich gelagert ist. Das Führungselement kann einen endseitig angeordneten Fluidkanal zum Anschluss an eine Hydraulikbaugruppe, insbesondere ein Hydraulikventil aufweisen, durch welchen sich die Ankereinheit wenigstens teilweise erstreckt.
Das Führungselement weist vorzugsweise einen Kernabschnitt und einen Jochabschnitt sowie einen dazwischenliegenden Zwischenabschnitt aus nicht-magnetischem Material, beispielsweise aus einer Cu-Al-Legierung oder einer AI-Legierung auf.
Das Führungselement kann auch lediglich einen hohlzylindrischen Kernabschnitt aufweisen, welcher den Spulenmittel zugeordnet ist. Hierbei kann der Kernabschnitt zu einem selektiven Zusammenwirken mit an den Ankermitteln vorgesehenen Permanentmagnetmitteln ausgebildet sein, beispielsweise bei 1- oder 2-Pin-Aktoren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ankereinheit zur Verbindung mit einer Ventilschieberbaugruppe und/oder einem Stellelement, wie beispielsweise einem Stößelelement, insbesondere zum Eingriff in einen Stellpartner wie die Führungsnut einer Nockenwelle ausgebildet. Die Ankereinheit kann hierbei distal angeordnete Verbindungsmittel umfassend beispielsweise ein Innen- oder Außengewinde aufweisen. Der Ankereinheit können zudem im Führungselement angeordnete oder extern dazu vorgesehene Federmittel zugeordnet sein, welche die Ankereinheit in eine vordefinierte Position vorspannen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Stellvorrichtung eine integrierte oder der Vorrichtung zugeordnete Steuerungseinheit auf, welche zur Signalansteuerung und -Auswertung der Ultrabreitband-Sensoreinheit ausgebildet ist. Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise weiterhin mit den Spulenmitteln und/oder einer die Spulenmittel mit variablem Strom versorgende Ansteuerungseinheit verbunden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerungseinheit zur Proportionalansteuerung der Ankereinheit durch die Spulenmittel und basierend auf den von der Ultrabreitband-Sensoreinheit bereitgestellten Signalen ausgebildet. Hierdurch kann beispielsweise eine programmierbare, punktgenaue Ansteuerung von Ventilen oder Stellgliedern erfolgen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung wie zuvor beschrieben zum Stellen eines Hydraulik- oder Pneumatikventils, insbesondere eines Cetop-Ventils.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung wie zuvor beschrieben zum vorzugsweisen wegegesteuerten Eingriff in einen Stellpartner, insbesondere in eine Führungsnut einer Nockenwelle. Die elektromagnetische Stellvorrichtung ist hierbei beispielsweise als 1- oder 2-Pin-Aktor ausgebildet. Die erfindungsgemäße Ultrabreitband-Sensoreinheit kann hierbei insbesondere zur Positions- und/oder Schaltungsüberwachung der Stellvorrichtung dienen, d.h. zur Kontrolle, ob tatsächlich eine gewünschte Schaltposition des Aktors eingenommen wurde.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung wie zuvor beschrieben zur Positions- und/oder Wegmessung eines damit verbundenen Hydraulikzylinders.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Figuren. Diese zeigen in:

1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Teilschnittansicht der Ausführungsform gemäß 1; und
3 eine perspektivische Teilschnittansicht eines Stellelements aus dem Stand der Technik mit LVDT-Sensorik.

1 zeigt die Stellvorrichtung 10 aufweisend bestrombare stationäre Spulenmittel 1 und ein diesen zugeordnetes hohlzylindrisches magnetisches Führungselement 2. Die Spulenmittel 1 sind dabei wenigstens teilweise das Führungselement 2 umgebend angeordnet. Die Spulenmittel 1 und das Führungselement 2 erstrecken sich vorzugsweise koaxial innerhalb eines vorzugsweise zweiteiligen Gehäuses 10a,10b der Vorrichtung. Das Führungselement 2 weist einen Kernabschnitt 2a, einen davon beabstandeten Jochabschnitt 2b und einen dazwischenliegenden Zwischenabschnitt 2c auf. Im Führungselement 2 ist die Ankereinheit 3 der Vorrichtung 10 angeordnet, derart, dass diese als Reaktion auf eine Bestromung der Spulenmittel 1 entlang einer axialen Bewegungsrichtung L selektiv bewegt werden kann.
Das Führungselement 2 weist einen hohlzylindrischen Rohrabschnitt 12 auf und einen damit verbundenen und vorzugsweise koaxial dazu ausgebildeten Fluidkanal 9 auf, welcher mit einem endseitigen Anschlussbereich 13 der Vorrichtung 10 zur Anbindung beispielsweise an eine Hydraulikbaugruppe verbunden ist. Der Fluidkanal 9 kann hierbei sich hin zum Anschlussbereich 13 schrittweise erweiternde Kanalabschnitte 9a, 9b, 9c aufweisen.
Die Ankereinheit 3 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Körperabschnitt 3a mit vorzugsweise konstantem Durchmesser, welcher im hohlzylindrischen Rohrabschnitt 12 des Führungselements 2 bewegbar gelagert ist und einen dadurch axial verlaufenden Fluidkanal 3e aufweist. Die Ankereinheit 3 umfasst weiterhin ein sich vom Körperabschnitt 3a erstreckenden und vorzugsweise koaxial mit dem Körperabschnitt 3a angeordneten Verbindungsabschnitt 3b, welcher sich wenigstens teilweise durch den Fluidkanal 9 des Führungselements 2 erstreckt. Dieser kann distal angeordnete Verbindungsmittel 3c, beispielsweise ein Innen- oder Außengewinde zur Verbindung mit einem externen Stellelement, aufweisen.
Das Führungselement 2 kann auf einer dem endseitigen Anschlussbereich 13 gegenüberliegenden Ende der Vorrichtung 10 ein Anschlagselement 6 aufweisen, welches mit dem Führungselement 3 integral oder selektiv verbindbar ausgebildet ist. Das Anschlagselement 6 ist vorzugsweise als Hubbegrenzung für die Ankereinheit 3 in der Führungseinheit 2 angeordnet und kann als ein im Wesentlichen zylindrisches Bauteil ausgebildet sein, welches in einer zylindrischen Öffnung des Führungselements 2 angeordnet ist. Eine gegenüberliegende Begrenzung der Längsbewegung der Ankereinheit 3 im Führungselement 2 kann mittels einer im Kernabschnitt 2a der Führungselements 2 integrierten Anschlagsfläche 14 erfolgen.
Die Stellvorrichtung 10 weist wenigstens eine Ultrabreitband-Sensoreinheit 4 auf. Diese kann axial (siehe Bezugszeichen 4a) oder radial im Führungselement 2 angeordnet sein (siehe Bezugszeichen 4b). Die Ultrabreitband-Sensoreinheit 4 ist hierbei jeweils in einem axialen oder radialen Rücksprung 7a, 7b des Führungselements 2 angeordnet. Bei der axialen Anordnung ist die Sensoreinheit 4a vorzugsweise im Anschlagselement 6 angeordnet. Insbesondere kann diese in einem zentrisch vorspringenden Abschnitt 8 des Anschlagselements 6 angeordnet sein. Die Sensoreinheit 4 ist hierbei bezüglich ihrer Signalemissionsrichtung 5a auf eine Stirnfläche 3d der Ankereinheit gerichtet, im Wesentlichen parallel zur axialen Bewegungsrichtung L der Ankereinheit 3. Eine Positionsänderung und/oder Wegmessung entlang der Bewegungsrichtung L kann somit durch die Ultrabreitband-Sensoreinheit 4 detektiert werden bzw. erfolgen.
Bei der radialen Anordnung der Ultrabreitband-Sensoreinheit 4b ist die Sensoreinheit 4b vorzugsweise im Fluidkanal 9 integriert, derart, dass deren Signalemissionsrichtung 5b im Wesentlichen orthogonal zur axialen Bewegungsrichtung L der Ankereinheit 2 ausgerichtet ist. Die Signalemissionsrichtung ist hierbei auf eine strukturierte Umfangs- oder Seitenfläche der Ankereinheit 3 gerichtet, welche vom Sensor bei einer Bewegung entlang der Bewegungsrichtung erfasst und/oder abgetastet werden kann. Die strukturierte Umfangs- oder Seitenfläche kann beispielsweise von einer umlaufenden Kante 15 gebildet sein, welche durch eine Durchmesser-Änderung der Ankereinheit 3 gebildet ist.
Die Sensoreinheit 4 kann eine mit diesem integrierte oder diesem zugeordnete Abdeckung 11 aufweisen (beispielshaft nur für axiale Anordnung 4a gezeigt). Diese ist vorzugsweise plan mit einer auf die Ankereinheit 3 gerichteten Innenfläche 8a, 9d des Führungselements 2 angeordnet.
Wie zuvor beschrieben, kann die Ultrabreitband-Sensoreinheit 4a, 4b auch zur Erfassung weiterer Parameter ausgebildet sein. Zudem kann die Vorrichtung auch wenigsten zwei Ultrabreitband-Sensoreinheiten 4a, 4b aufweisen, welche die gleiche oder eine verschiedene funktionale Ausbildung zur Erfassung der zuvor beschriebenen Parameter aufweisen.
2 zeigt die Ausführungsform gemäß 1 in perspektivischer Schnittansicht. Hierbei ist ein integrierter Anschluss bzw. eine Steckereinheit 16 gezeigt, welche als Anschluss der Spulenmittel 1 vorgesehen ist. Diese ist mit einer nicht gezeigten Steuerungseinheit der Vorrichtung 10 verbunden, welche auch mit der wenigstens einen Ultrabreitband-Sensoreinheit 4a, 4b der Vorrichtung 10 verbunden ist und zur Signalansteuerung und -Auswertung der Ultrabreitband-Sensoreinheit 4 ausgebildet ist. Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise zur Proportionalansteuerung der Ankereinheit 3 durch die Spulenmittel 1 und basierend auf den von der wenigstens einen Ultrabreitband-Sensoreinheit 4a, 4b bereitgestellten Signalen ausgebildet.
3 zeigt eine gattungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung 10' mit axial zugeordnetem LVDT-Sensor 20 zur Positionserkennung und/oder Wegmessung aus dem Stand der Technik. Der LVDT-Sensor 20 weist einen länglichen Geberkern 21 auf, welcher sich durch Sensorspulen 22 erstreckt und in einem Druckrohr 23 angeordnet ist. Der Geberkern 21 ist fest mit der Ankereinheit 3' der Stellvorrichtung verbunden. Eine Positionsänderung der Ankereinheit 3' wird hierbei durch eine Relativpositionsveränderung des Geberkerns 21 zu den zugeordneten Sensorspulen 22 erfasst.
Bezugszeichenliste

1: Spulenmittel
2: Führungselement
2a: Kernabschnitt
2b: Jochabschnitt
2c: Zwischenabschnitt
3: Ankereinheit
3a: Körperabschnitt
3b: Verbindungsabschnitt
3c: Verbindungsmittel
3d: Stirnfläche
3e: Fluidkanal
4: Ultrabreitband-Sensoreinheit
4a: axiale Anordnung Sensoreinheit
4b: radiale Anordnung Sensoreinheit
5a,5b: Signalemissionsrichtung
6: Anschlagselement
7a,7b: Rücksprung
8: Vorsprung Anschlagelement
8a: Oberfläche/Innenfläche
9: Fluidkanal
9a-c: Fluidkanalabschnitte
9d: Innenfläche
10: Stellvorrichtung
10': Stellvorrichtung Stand der Technik
10a,b: Gehäuseteile
11: Abdeckung
12: hohlzylindrischer Rohrabschnitt
13: Anschlussbereich
14: Anschlagsfläche
15: strukturierte Umfangs- oder Seitenfläche, Kante
16: Anschluss Spulenmittel
20: LVDT Sensor
21: Geberkern
22: Sensorspulen
23: Druckrohr
L: Bewegungsrichtung

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung (10) aufweisend bestrombare stationäre Spulenmittel (1), ein diesen zugeordnetes magnetisches Führungselement (2) mit einem Kernabschnitt (2a), und eine relativ zum Führungselement (2) und als Reaktion auf eine Bestromung der Spulenmittel (1) entlang einer axialen Bewegungsrichtung (L) bewegliche Ankereinheit (3), wobei das Führungselement (2) hohlzylindrisch und die Ankereinheit (3) wenigstens teilweise umschließend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (10) eine vorzugsweise im Führungselement (3) integrierte Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) aufweist, welche zur Positions- und/oder Wegmessung der Ankereinheit (3) im Führungselement (2) ausgebildet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) als Nahbereichs-Radarsensorzelle ausgebildet ist, welche vorzugsweise als unmoduliertes Dauerstrichradar arbeitet.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) axial im Führungselement (2) angeordnet ist, derart, dass deren Signalemissionsrichtung (5a) im Wesentlichen parallel zur axialen Bewegungsrichtung (L) der Ankereinheit (3) ausgerichtet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) hinsichtlich ihrer Signalemissionsrichtung (5a) auf eine Stirnfläche (3d) der Ankereinheit (3) ausgerichtet ist, welche vorzugsweise orthogonal zur axialen Bewegungsrichtung (L) der Ankereinheit (3) angeordnet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) in einem endseitig angeordneten Anschlagselement (6) für die Ankereinheit (3) des Führungselements (2) angeordnet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) radial im Führungselement (2) angeordnet ist, vorzugsweise derart, dass deren Signalemissionsrichtung (5b) im Wesentlichen orthogonal zur axialen Bewegungsrichtung (L) der Ankereinheit (2) ausgerichtet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) hinsichtlich ihrer Signalemissionsrichtung (5b) auf eine strukturierte Umfangs- oder Seitenfläche (15) der Ankereinheit (3) ausgerichtet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) eine darauf angeordnete fluiddichte Abdeckung (11) aufweist, vorzugsweise aus Kunststoff oder Glas.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) in einem radialen oder axialen Rücksprung (7a,7b) des Führungselements (2) angeordnet ist und eine auf der Sensoreinheit (4) angeordnete Abdeckung (11) vorzugsweise plan mit einer auf die Ankereinheit (3) gerichtete Innenfläche (8a,9d) des Führungselements (2) verläuft.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) zur Detektion der Beschleunigung und/oder der Geschwindigkeit des Ankerelements (3) in axialer Bewegungsrichtung (L) ausgebildet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) zur Analyse eines im Führungselement (2) geführten Fluids, insbesondere eines Hydrauliköls, mittels Impedanz-Spektroskopie ausgebildet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) zur Detektion und/oder Analyse von Strömungen innerhalb eines im Führungselement (2) geführten Fluids ausgebildet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ankereinheit (3) zur Verbindung mit einer Ventilschieberbaugruppe und/oder einem Stellelement ausgebildet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Führungselement (2) einen endseitig angeordneten Fluidkanal (9) zum Anschluss an eine Hydraulikbaugruppe, insbesondere ein Hydraulikventil aufweist, durch welchen sich die Ankereinheit (3) wenigstens teilweise erstreckt.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stellvorrichtung eine Steuerungseinheit aufweist, welche zur Signalansteuerung und -Auswertung der Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) ausgebildet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Steuerungseinheit zur Proportionalansteuerung der Ankereinheit (3) durch die Spulenmittel (1) und basierend auf den von der Ultrabreitband-Sensoreinheit (4) bereitgestellten Signalen ausgebildet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ankereinheit (3) im Führungselement (2) angeordnete oder extern dazu vorgesehene Federmittel zugeordnet sind, welche die Ankereinheit (3) in eine vordefinierte Position vorspannen.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Führungselement (3) neben dem Kernabschnitt (2a) einen Jochabschnitt (2b) und einen dazwischenliegenden Zwischenabschnitt aus nicht-magnetischem Material aufweist.
Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zum Stellen eines Hydraulik- oder Pneumatikventils, insbesondere eines Cetop-Ventils.
Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zum vorzugsweisen wegegesteuerten Eingriff in einen Stellpartner, insbesondere in eine Führungsnut einer Nockenwelle.
Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Positions- und/oder Wegmessung eines damit verbundenen Hydraulikzylinders.