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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Linearaktor zur Schaltung wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände, wobei der elektromagnetische Linearaktor insbesondere zur Verwendung als Aktor in einer Brennkraftmaschine geeignet ist, mit einer bestrombaren Primärspule und einem relativ zur bestrombaren Primärspule translatorisch zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage versetzbaren, magnetisierbaren Anker, wobei der Anker im unbestromten Zustand der Primärspule über einen auf ihn einwirkenden Kraftvektor in der ersten Endlage fixierbar ist, und in einem bestromten Zustand der Primärspule in die zweite Endlage versetzbar ist, und wobei der elektromagnetische Linearaktor ferner eine Steuereinheit zu Ansteuerung der Primärspule aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände eines elektromagnetischen Linearaktors, eine Steuereinheit, ein Schiebenockensystem für eine Brennkraftmaschine sowie ein Computerprogrammprodukt.
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Aus Emissions- und Kraftstoffverbrauchsgründen finden bei Ottomotoren schon seit vielen Jahren schaltbare Ventiltriebkomponenten breite Anwendung. Ein Beispiel hierfür sind elektromechanisch aktuierbare Schiebenockensysteme, welche über einen elektromagnetischen Linearaktor verstellbar ausgeführt sind.
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Eine derartiger elektromagnetischer Linearaktor ist beispielsweise aus der
DE 102 40 774 A1 bekannt. Ausgehend von der eingezogenen inneren Lage des Eingriffsstiftes erfolgt eine Aktivierung des Eingriffsstiftes durch Bestromung der Spule, wodurch ein magnetisches Feld erzeug wird, das dem Feld des Permanenthaltemagneten gegengerichtet ist und dieses verdrängt. Die Verdrängung des Feldes verursacht eine verringerte Haltekraft zwischen Permanenthaltemagnet und Spulenkern, so dass das durch die Spule erzeugte Magnetfeld und die Kraft der auf den Eingriffsstift wirkenden Feder den Eingriffsstift ausfahren lässt, so dass er in die Nut des Schiebenockensystems eingreift und, wie gewünscht, eine Verschiebung des Schiebenockens bewirkt.
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Die Rückwärtsbewegung des Eingriffsstiftes in seine innere Endlage wird durch die Auswurframpe eingeleitet, die den Eingriffsstift gegen die Kraft der Feder soweit und mit solcher Beschleunigung von dem Schiebenocken wegbewegen soll, dass der Eingriffsstift bei abgeschalteter Bestromung der Spule durch den Permanenthaltemagneten und dessen Magnetfeld am Spulenkern festgehalten wird. Problematisch bei dieser gattungsgemäßen Ausgestaltung ist, dass je nach Toleranzlage des Aktors radial zum Schiebenocken die Bewegung und Beschleunigung des Eingriffsstiftes durch die Auswurfsrampe nicht ausreicht, dass dieser die innere Position erreicht und durch den Permanenthaltemagneten gegen die Kraft der Feder stabilisiert wird.
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Daher ist es für einen bestimmungsgemäßen Betrieb eines derartigen elektromechanischen Linearaktors von großer Bedeutung, sicherzustellen, dass die Endlagen des Aktors sicher erreicht sind, um beispielsweise Funktionsstörungen an dem aktuierten Schiebenockensystem zu vermeiden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektromagnetischen Linearaktor bereitzustellen, der eine Detektion der Schaltzustände des Aktors auf sichere und gleichzeitig kostengünstige Weise erlaubt. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur verbesserten Detektion wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände eines elektromagnetischen Linearaktors zu realisieren. Auch ist es die Aufgabe der Erfindung eine Steuereinheit zur Durchführung eines verbesserten Verfahrens zur Detektion wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände eines elektromagnetischen Linearaktors bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es ebenfalls ein Computerprogrammprodukt zu realisieren, dass zur Durchführung eines verbesserten Verfahrens zur Detektion wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände eines elektromagnetischen Linearaktors geeignet ist. Schließlich ist es auch die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Schiebenockensystem für eine Brennkraftmaschine zu entwickeln.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektromagnetischen Linearaktor zur Schaltung wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände, wobei der elektromagnetische Linearaktor insbesondere zur Verwendung als Aktor in einer Brennkraftmaschine geeignet ist, mit einer bestrombaren Primärspule und einem relativ zur bestrombaren Primärspule translatorisch zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage versetzbaren, magnetisierbaren Anker, wobei der Anker im unbestromten Zustand der Primärspule über einen auf ihn einwirkenden Kraftvektor in der ersten Endlage fixierbar ist, und in einem bestromten Zustand der Primärspule in die zweite Endlage versetzbar ist, und wobei der elektromagnetische Linearaktor ferner eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Primärspule aufweist, wobei im Bereich der ersten Endlage des Ankers eine erste Messspule und im Bereich der zweiten Endlage des Ankers eine zweite Messspule an und/oder in der Primärspule angeordnet ist, so dass durch Ansteuerung mittels der Steuereinheit ein von der Primärspule erzeugtes sich zeitlich veränderndes Magnetfeld eine erste Spannung in der ersten Messspule und eine zweite Spannung in der zweiten Messspule erzeugt.
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Ein Kerngedanke der Erfindung ist somit die Integration von zusätzlichen Messpulen in einen elektromagnetischen Linearaktor, um die Endlagen eines sich darin verfahrenden Ankers zu erfassen. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass auf konstruktiv einfache Weise eine Sensorik für eine Endlagendetektion an einem elektromagnetischen Linearsensor bereitgestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Endlagendetektion ohne größere konstruktive Anpassungen an einem existierenden elektromagnetischen Linearaktor realisierbar ist.
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Ferner ermöglicht der erfindungsgemäße elektromagnetische Linearaktor auch eine Endlagendetektion ohne eine konstante Spannungsversorgung, was insbesondere auch die Detektion der Endlage im eingefahrenen, nicht aktuierten Zustand des Ankers erlaubt. Eine Analyse des Spulenstroms in der Primärspule, was nur im eingeschalteten Zustand der Primärspule möglich ist, ist also nicht erforderlich. Die Endlagendetektion des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearsensors ist somit sowohl für den aktivierten/ausgefahrenen Zustand des Ankers, als auch für den deaktivierten/eingefahrenen Zustand des Ankers möglich.
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In den elektromagnetischen Linearaktor sind somit zwei Messspulen integriert, welche bevorzugt genau wie die Primärspulenwicklungen aus gewickeltem Kupferdraht bestehen, und in den Bereichen der zu detektierenden Endlagen des Ankers positioniert sind. Über die Primärspulenwicklung ist ein kurzer Messimpuls erzeugbar, der zum Aufbau eines kurzeitigen Wechselfeldes führt. In Abhängigkeit der Ankerposition ändert sich die Induktivität der Messspulen und damit die darin induzierten Spannungen.
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Zur Erfassung der Spannungssignale können je nach Verschaltung der Messspulen beispielsweise folgende Prinzipien genutzt werden:
- - Differentialdrossel (ohne Mittelabgriff)
- - Differentialtransformator (mit Mittelabgriff)
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Durch eine bevorzugt binäre Signalausgabe (entweder über oder unter einem Schwellwert), ist die Auswertung der Spannungssignale an den Messspulen sehr unkompliziert.
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In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anker im unbestromten Zustand der Primärspule über ein Federelement federkraftbeaufschlagt in der ersten Endlage gehalten ist, wodurch der Anker auf einfache und sichere Weise in seiner ersten Endlage fixierbar ist.
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Es kann des Weiteren bevorzugt sein, dass die Primärspule eine axiale Erstreckung in Richtung der translatorischen Bewegung des Ankers aufweist, wobei im Bereich des ersten distalen Endes der axialen Erstreckung der Primärspule eine erste Messspule und im Bereich des zweiten distalen Endes der axialen Erstreckung der Primärspule eine zweite Messspule angeordnet ist. Der hier vergleichsweise große Abstand der Messspulen zueinander hat eine positive Wirkung auf die Messgenauigkeit.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Messspule und/oder die zweite Messspule stirnseitig an der Primärspule angrenzen/ angrenzt, wodurch eine besonders kompakte und auch genaue Endlagenpositionsbestimmung ermöglicht ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Ansteuerung der Primärspule durch die Steuereinheit mittels einer Pulsweitenmodulation PWM erfolgt, wodurch ein gut zu steuerndes und definiertes magnetisches Wechselfeld durch die Primärspule erzeugt werden kann.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Primärspule zur Positionserkennung des Ankers relativ zur Primärspule von der Steuereinheit mit einem Testsignal beaufschlagbar ist, dass so konfiguriert ist, dass die auf den Anker einwirkende Kraft in Richtung des translatorischen Verschiebewegs des Ankers kleiner ist als die entgegengesetzt auf diesen einwirkende Federkraft des Federelements, wodurch insbesondere eine Endlagenbestimmung des Ankers im eingefahrenen Zustand ermöglicht ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Detektion wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände eines elektromagnetischen Linearaktors nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte:
- a Beaufschlagen der Primärspule durch die Steuereinheit mit einem ersten pulsweitenmodulierten Signal, das derart konfiguriert ist, dass der Anker aus seiner ersten Endlage entgegen den auf ihn einwirkenden Kraftvektor in seine zweite Endlage versetzt wird,
- b Beaufschlagen der Primärspule durch die Steuereinheit mit einem zweiten pulsweitenmodulierten Signal, das derart konfiguriert ist, dass der Anker in seiner zweiten Endlage gehalten wird,
- c Abschalten der Beaufschlagung der Primärspule und kraftvektorbewirkte Überführung des Ankers aus seiner zweiten Endstellung in seine erste Endstellung,
- d Beaufschlagen der Primärspule durch die Steuereinheit mit einem dritten pulsweitenmodulierten Signal, das derart konfiguriert ist, dass die auf den Anker einwirkende Kraft in Richtung des translatorischen Verschiebewegs des Ankers kleiner ist als der entgegengesetzt auf diesen einwirkenden Kraftvektor,
- e Messung der induzierten Spannung in der ersten Messspule und der zweiten Messspule.
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Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Steuereinheit für einen elektromagnetischen Linearaktor, umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 7 zu veranlassen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7.
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Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung ebenfalls gelöst durch ein Schiebenockensystem für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen elektromagnetischen Linearaktor nach einem der Ansprüche 1-6.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 einen elektromagnetischen Linearaktor in einer Prinzipskizze, und
- 2 ein Verfahrensablauf ein Verfahren zur Detektion wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände eines elektromagnetischen Linearaktors.
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Die 1 zeigt einen elektromagnetischen Linearaktor 1 zur Schaltung wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände, nämlich einen eingefahrenen und einen ausgefahrenen Betriebszustand des Ankers 5 des Linearaktors 1.
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Der elektromagnetische Linearaktor 1 besitzt eine bestrombare Primärspule 2 und einen relativ zur bestrombaren Primärspule 2 translatorisch zwischen einer ersten Endlage 3 und einer zweiten Endlage 4 versetzbaren, magnetisierbaren Anker 5. In der 1 ist die erste Endlage 3 der eingefahrene Betriebszustand des Ankers 5, der in der 1 durch den gestrichelt dargestellten Anker 5 angedeutet ist. Die zweite Endlage 4 ist somit der ausgefahrene Betriebszustand des Ankers 5.
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Der Anker 5 ist im unbestromten Zustand der Primärspule 2 über ein nicht dargestelltes Federelement federkraftbeaufschlagt in der ersten Endlage 3 gehalten und so gegen ein ungewolltes Herausfahren aus dem Linearaktor 1 bei unbestromter Primärspule 2 gesichert. In einem bestromten Zustand der Primärspule 2 wird der Anker 5 entgegen der auf ihn einwirkenden Federkraft in die zweite Endlage 4 versetzt. Zur Ansteuerung und Bestromung der Primärspule 2 verfügt der elektromagnetische Linearaktor 1 ferner über eine Steuereinheit 10 mit einem Prozessor und einem Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung 10 zur Durchführung des nachfolgend beschriebenen und in der 2 skizzierten Verfahrens zu veranlassen.
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Was der Figur auch entnommen werden kann ist, dass Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5.
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Die Primärspule 2 weist eine axiale Erstreckung 7 in Richtung der translatorischen Bewegung des Ankers 5 auf, wobei im Bereich des ersten distalen Endes der axialen Erstreckung 7 der Primärspule 4 eine erste Messspule 8 und im Bereich des zweiten distalen Endes der axialen Erstreckung 7 der Primärspule 4 eine zweite Messspule 9 angeordnet ist. In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel grenzen die erste Messspule 8 und die zweite Messspule 9 stirnseitig an der Primärspule 2 an.
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Durch eine geeignete Ansteuerung mittels der Steuereinheit 10 kann ein von der Primärspule 4 erzeugtes sich zeitlich veränderndes Magnetfeld eine erste Spannung in der ersten Messspule 8 und eine zweite Spannung in der zweiten Messspule 9 erzeugen. In dem Ausführungsbeispiel der 1 erfolgt die Ansteuerung der Primärspule 2 durch die Steuereinheit 10 mittels einer Pulsweitenmodulation PWM.
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Zur Positionserkennung des Ankers 6 relativ zur Primärspule 2 ist die Primärspule 2 von der Steuereinheit 10 mit einem Testsignal beaufschlagbar. Dieses Testsignal ist dabei so konfiguriert, dass die auf den Anker 6 einwirkende Kraft in Richtung des translatorischen Verschiebewegs des Ankers 6 kleiner ist als die entgegengesetzt auf diesen einwirkende Federkraft des Federelements und der Anker 6 sich somit aus seiner ersten Endlage 3 herausbewegt.
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Der in der 1 gezeigte elektromagnetische Linearaktor 1 ist insbesondere zur Verwendung als Aktor in einer Brennkraftmaschine, beispielsweise für ein Schiebenockensystem, geeignet.
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Die 2 zeigt in einem Ablaufdiagram ein Verfahren zur Detektion wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände eines elektromagnetischen Linearaktors 1 umfassend die folgenden Schritte:
- a Beaufschlagen der Primärspule 2 durch die Steuereinheit 10 mit einem ersten pulsweitenmodulierten Signal, das derart konfiguriert ist, dass der Anker 6 aus seiner ersten Endlage 3 entgegen der auf ihn einwirkenden Federkraft des Federelements in seine zweite Endlage 4 versetzt wird,
- b Beaufschlagen der Primärspule 2 durch die Steuereinheit 10 mit einem zweiten pulsweitenmodulierten Signal, das derart konfiguriert ist, dass der Anker 6 in seiner zweiten Endlage 4 gehalten wird,
- c Abschalten der Beaufschlagung der Primärspule 2 und federkraftbewirkte Überführung des Ankers 6 aus seiner zweiten Endstellung 4 in seine erste Endstellung 3,
- d Beaufschlagen der Primärspule 2 durch die Steuereinheit 10 mit einem dritten pulsweitenmodulierten Signal, das derart konfiguriert ist, dass die auf den Anker 6 einwirkende Kraft in Richtung des translatorischen Verschiebewegs des Ankers 6 kleiner ist als die entgegengesetzt auf diesen einwirkende Federkraft des Federelements.
- e Messung der induzierten Spannung in der ersten Messspule 8 und der zweiten Messspule 9.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearaktor
- 2
- Primärspule
- 3
- erste Endlage
- 4
- zweite Endlage
- 5
- Anker
- 7
- Erstreckung
- 8
- erste Messspule
- 9
- zweite Messspule
- 10
- Steuereinheit
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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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