DE10332489A1

DE10332489A1 - Verfahren zum Anschwingen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE10332489A1
Application number: DE10332489A
Authority: DE
Inventors: Jens Baumbach; Frank Beyer; Alfred Dr. Elsäßer; Rainer Otto; Wolfgang Schilling; Jan Schmidt
Original assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Current assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anschwingen einer Stelleinrichtung mit wenigstens einem Elektromagneten und einem Anker, der aus einer Ausgangslage heraus gegen federnde Rückstellkraft in einer Richtung in eine erste Endlage verstellbar ist, in welcher er an einem Ankergegenstück des Elektromagneten anliegt und von diesem mittels elektromagnetischer Kräfte gehalten ist. DOLLAR A Um auch für ein relativ breites Frequenzband möglicher Eigenfrequenzen eines den Anker und die federnden Rückstellkräfte umfassenden Schwingungssystems eine ordnungsgemäße Funktion des Anschwingverfahrens zu erhalten, wird eine Pulsfrequenz, mit welcher die Stromimpulse aufeinander folgen, ausgehend von einer vorbestimmten, dem ersten Stromimpuls der Abfolge zugeordneten Startfrequenz, reduziert. Diese Startfrequenz ist dabei größer gewählt als die Eigenfrequenz des Schwingungssystems.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anschwingen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung.

Aus der WO 99/34378 ist eine elektromechanische Stelleinrichtung bekannt, die als elektromagnetischer Ventiltrieb zur Betätigung eines Gaswechselventils bei einer Brennkraftmaschine ausgestaltet ist. Die Stelleinrichtung umfasst ein Stellglied, also hier ein Gaswechselventil, sowie einen Stellantrieb, der durch zwei einander gegenüberliegend angeordnete Elektromagnete gebildet ist, die jeweils mit einer Spule ausgestattet sind. Ein zwischen den Elektromagneten verstellbar gelagerter Anker ist mit dem jeweiligen Ventil antriebsverbunden und mittels Rückstellfedern in einer Ruhe- oder Ausgangslage vorgespannt. Im Betrieb wird der Anker mit Hilfe der Elektromagnete zwischen zwei Endlagen hin und her bewegt, in denen er jeweils an einem der Elektromagnete anliegt.

Bei ausgeschalteter Stelleinrichtung sind die Elektromagnete bzw. deren Spulen unbestromt, so dass die Rückstellfedern den Anker in seine Ausgangslage zwischen den Magnetpolen der Elektromagneten verstellen. Zum Aktivieren der Stelleinrichtung muss der Anker zunächst aus seiner Ausgangslage heraus in eine seiner Endstellungen oder Endlagen überführt werden, in welcher er an einem der Elektromagnete anliegt und in dieser Endlage durch Feldkräfte vom jeweiligen Elektromagnet gehalten wird. Da eine derartige Stelleinrichtung sehr kurze Schaltzeiten aufweisen soll, um den Anker bzw. das damit verbundene Stellglied zwischen den beiden Endlagen umschalten zu können, sind die Rückstellfedern relativ stark dimensioniert, so dass einer Verstellung des Ankers aus seiner Ausgangslage relativ große federnde Rückstellkräfte entgegenwirken. Die Elektromagnete, mit denen die Stelleinrichtung ausgestattet ist, können in der Regel den Anker nicht direkt aus seiner Ausgangslage in eine der Endlagen überführen, da die hierzu erforderlichen Ströme und/oder Spannungen nicht zur Verfügung stehen und/oder da die Elektromagnete der Stelleinrichtung nicht für die Erzeugung derart großer Anziehungskräfte ausgelegt sind. Um den Anker dennoch aus der Ausgangslage in eine der Endlagen überführen zu können, ist es üblich, auf ein geeignetes Anschwingverfahren zurückzugreifen.

Bei einem solchen Anschwingverfahren werden die beiden Elektromagnete jeweils mit einer vorbestimmten Abfolge von mehreren Stromimpulsen wechselseitig angesteuert, wobei eine Pulsfrequenz, mit welcher die Stromimpulse aufeinanderfolgen, konstant ist und einer Eigenfrequenz des Schwingungssystems entspricht, das den Anker und die federnden Rückstell kräften umfaßt. Durch die konstante Erregung des Schwingungssystems in dessen Eigenfrequenz kommt es zu Resonanzschwingungen, so dass die Amplitude des Ankers allmählich zunimmt, bis der Anker trotz der relativ geringen magnetischen Anziehungskräfte nach mehreren Stromimpulsen an einem der Elektromagnete zur Anlage kommt. Durch rechtzeitiges Umschalten auf einen Haltestrom kann der Anker am jeweiligen Elektromagneten in der zugehörigen Endlage festgehalten werden.

Dieses bekannte Anschwingverfahren führt allerdings nur dann zum Erfolg, wenn die Eigenfrequenz des Schwingungssystems relativ genau bekannt ist. Für den Fall, dass die Stelleinrichtung im Rahmen einer Großserienfertigung hergestellt wird, kommt es jedoch aufgrund von Material- und Herstellungstoleranzen sowie durch Umwelteinflüsse in jedem Fall zu Schwankungen der Eigenfrequenz des Schwingungssystems. Dementsprechend müsste für jede Stelleinrichtung die zugehörige Eigenfrequenz separat ermittelt und die zugehörige Steuerung entsprechend angepasst werden. Neben diesen herstellungsbedingten Variationen der Eigenfrequenz kann es auch im Betrieb der Stelleinrichtung zu einer Veränderung der Eigenfrequenz kommen. Beispielsweise kann ein mit dem Anker antriebsverbundenes Stellglied, z.B. ein Gaswechselventil, durch Verschleiß und/oder durch Ablagerungen (z.B. Ruß), seine Masse ändern, wodurch die Eigenfrequenz des Schwingungssystems deutlich variieren kann. Des Weiteren können sich durch thermische Effekte Massenträgheitsmomente ändern, was sich ebenfalls auf die Eigenfrequenz des Schwingungssy stems auswirkt. Für die Serientauglichkeit der elektromagnetischen Stelleinrichtung ist jedoch ein rasches und robustes Anschwingen von entscheidender Bedeutung.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Anschwingverfahren der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere bei einer vergleichsweise großen Bandbreite von Eigenfrequenzen ordnungsgemäß funktioniert.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, wobei in den abhängigen Ansprüchen auftretende Alternativen, die sich auf den einen oder auf den anderen unabhängigen Anspruch beziehen, durch einen Schrägstrich voneinander getrennt sind:
Alternative 1/Alternative 2.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, während der Abfolge der Stromimpulse die Pulsfrequenz zu reduzieren (alternativ: zu erhöhen), wobei eine Startfrequenz, die dem ersten Stromimpuls der Abfolge zugeordnet ist, größer (alternativ: kleiner) ist als die Eigenfrequenz des Schwingungssystems. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann bei einer geeigneten Wahl der Frequenzreduzierung (alternativ: Frequenzerhöhung) und einer geeigneten Anzahl von Stromimpulsen für eine sehr große Bandbreite von Eigenfrequenzen ein sicheres Anschwingen der Stelleinrichtung erzielt werden. Das erfindungsgemäße Anschwingverfahren ist somit innerhalb eines hinreichend großen Frequenzbereichs unabhängig von der tatsächlichen Eigenfrequenz des Schwingungssystems, so dass Material- und Herstellungstoleranzen, Verschmutzungen, Verschleißerscheinungen und geänderte Umgebungsbedingungen in der Regel keinen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Anschwingverfahrens haben. Darüber hinaus arbeitet das erfindungsgemäße Anschwingverfahren sehr schnell, da bei einer entsprechenden Auslegung nur eine kleine Anzahl von Stromimpulsen erforderlich ist, um den Anker sicher am jeweiligen Ankergegenstück zur Anlage zu bringen.

Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Anschwingverfahren sowohl mit einer Reduzierung der Pulsfrequenz, also mit einer Annäherung an die Eigenfrequenz von oben, als auch mit einer Erhöhung der Pulsfrequenz, also mit einer Annäherung von unten an die Eigenfrequenz arbeiten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das erfindungsgemäße Anschwingverfahren zuverlässiger arbeitet, wenn sich die Stromimpulse hinsichtlich ihrer Pulsfrequenz von oben der Eigenfrequenz des Schwingungssystems nähern. Insbesondere bei einer Variante, bei welcher eine vorbestimmte Anzahl von Stromimpulsen vorgesehen ist, kann der Anker, wenn er wunschgemäß bereits vor dem letzten Stromimpuls an einem von zwei Ankergegenstücken zur Anlage kommt, den nachfolgenden restlichen Stromimpulsen folgen und in entsprechender Weise zwischen seinen den beiden Ankergegenstücken zugeordneten Endstellungen umschalten. Im folgenden wird daher im wesentlichen nur Bezug auf diese bevorzugte Variante genommen, bei welcher die Pulsfrequenz ausgehend von der Startfrequenz reduziert wird. Es ist jedoch klar, dass grundsätzlich entsprechendes für die Alternative gilt, bei welcher die Pulsfrequenz ausgehend von der Startfrequenz erhöht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Pulsfrequenz von der Startfrequenz bis zu einer vorgegebenen Abbruchfrequenz reduziert (alternativ: erhöht) werden, die einem vorbestimmten letzten Stromimpuls der Abfolge zugeordnet und kleiner (alternativ: größer) gewählt ist als die Eigenfrequenz des Schwingungssystems. Auf diese Weise durchläuft die Pulsfrequenz ein Intervall, dessen Intervallgrenzen die Startfrequenz und die Abbruchfrequenz bilden, und in dem sich üblicherweise die Eigenfrequenz des Schwingungssystems befindet. Durch eine geeignete Reduzierung/Erhöhung der Pulsfrequenz ausgehend von der Startfrequenz wird somit erreicht, dass in jedem Fall innerhalb kürzester Zeit eine Pulsfrequenz erreicht wird, die relativ nahe an die Eigenfrequenz herankommt oder dieser entspricht.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher die Startfrequenz, die Abbruchfrequenz und die Reduzierung der Pulsfrequenz so gewählt sind, dass ein Resonanzfrequenzband zwischen Startfrequenz und Abbruchfrequenz so angeordnet ist, dass wenigstens ein vom ersten Stromimpuls beabstandeter Stromimpuls eine Pulsfrequenz aufweist, die in dieses Resonanzfrequenzband fällt. Ein derartiges Resonanzfrequenzband ist dadurch charakterisiert, dass eine Ansteuerung des Elektromagneten oder eine wechselseitige Ansteue rung von zwei Elektromagneten mit Stromimpulsen, deren Pulsfrequenz konstant ist und im Resonanzfrequenzband liegt, mit (erhöhter) Sicherheit zum Anliegen des Ankers an einem Ankergegenstück führt. Das Resonanzfrequenzband enthält in jedem Fall die eigentliche Resonanzfrequenz des Schwingungssystems sowie relativ geringfügig davon nach oben und unten abweichende Frequenzen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird somit erreicht, dass wenigstens einer der Stromimpulse zu einem vom Beginn des Anschwingverfahrens entfernten Zeitpunkt in das Resonanzfrequenzband fällt, was aufgrund der bereits vorliegenden, durch die vorausgehenden Stromimpulse erzeugten Amplituden mit erhöhter Sicherheit zu einem Anlegen des Ankers am jeweiligen Ankergegenstück führt.

Bei einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung besitzen die Stromimpulse jeweils eine Pulszeit, während der dem jeweiligen Elektromagnet Strom zugeführt wird, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Stromimpulsen am jeweiligen Elektromagneten eine Pausenzeit vergeht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann die Pulsfrequenz dadurch reduziert werden, dass bei konstanter Pausenzeit die Pulszeit vergrößert wird. Durch dies Maßnahme wird mit zunehmender Pulszeit die Pulsperiode größer, wodurch entsprechend die Pulsfrequenz abnimmt. Eine derartige Vorgehensweise kann besonders einfach realisiert werden.

Von besonderem Vorteil ist eine Ausgestaltungsform, bei der zwei Elektromagnete vorgesehen sind, die wechselseitig mit den Stromimpulsen angesteuert werden, wobei das wechselsei tige Ansteuern der Elektromagnete so durchgeführt wird, dass die Stromzufuhr zum einen Elektromagneten bereits gestartet wird, wenn die Stromzufuhr zum anderen Elektromagneten noch nicht beendet ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass auch bei einer vergleichsweise langsamen Stromaufnahme der Elektromagnete das Anschwingverfahren erfolgreich durchgeführt werden kann. Ein langsamer Stromanstieg in den Elektromagneten ergibt sich beispielsweise dann, wenn nur eine vergleichsweise niedrige Quell- bzw. Versorgungsspannung zur Verfügung steht, z.B. bei einem Kraftfahrzeug mit 12-Volt-Bordnetz. Bei zu niedriger Versorgungsspannung kann in den Spulen keine ausreichende Übererregung erzielt werden, wodurch keine ausreichende Stromanstiegsgeschwindigkeit erreichbar ist, was dazu führt, dass innerhalb der Strompulszeiten keine ausreichenden Stromstärken realisierbar sind.

Durch diese Vergrößerung der Pulszeit ergibt sich bei gleichbleibender Pulsperiode eine Verkürzung der Pausenzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromimpulsen. Eine Weiterbildung nutzt dies aus, indem die Pausenzeit so klein gewählt wird, dass sich ein vom Elektromagnet erzeugtes Magnetfeld innerhalb der verkürzten Pausenzeit nicht mehr vollständig abbauen kann. Eine derartige Auslegung kann gezielt dazu führen, dass der Anker beim erfindungsgemäßen Anschwingverfahren, sobald er an einem Ankergegenstück zur Anlage kommt, an diesem hängen bleibt, obwohl der oder die Elektromagnete weiterhin mit getakteten Stromimpulsen angesteuert wird bzw. werden. Dies hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Anschwingverfahren extrem leise arbeitet, da sich der Anker während des Anschwingverfahrens bei dieser Variante nur ein einziges Mal an einem Ankergegenstück anlegt. Von besonderem Vorteil ist dabei die Tatsache, dass hierzu keine aufwändige Steuerung erforderlich ist, die das erstmalige Anliegen des Ankers an einem Ankergegenstück detektiert, um rechtzeitig das Anschwingverfahren mit dem Einschalten eines Haltestroms abzubrechen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer elektromagnetischen Stelleinrichtung,
2 eine Diagramm, in dem entsprechend dem erfindungsgemäßen Anschwingverfahren eine Abfolge von Stromimpulsen sowie eine daraus resultierende Ankerbewegung über der Zeit aufgetragen sind,
3 ein Diagramm wie in 2, in das zusätzlich der Stromverlauf in einem mit den Stromimpulsen beaufschlagten Elektromagneten eingetragen ist, jedoch bei einer anderen Ausführungsform des Anschwingverfahrens.
Entsprechend 1 umfasst eine elektromagnetische Stelleinrichtung 1 einen elektromagnetischen Stellantrieb 2 sowie ein damit antriebsverbundenes, hier jedoch nicht gezeigtes Stellglied. Je nach Art der Stelleinrichtung 1 kann das Stellglied beispielsweise ein Ventil oder eine Klappe oder ein beliebiges anderes Stellorgan sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Stelleinrichtung 1 um eine Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung zur Betätigung eines Lufttaktventils, das in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Ebenso ist eine Ausführungsform möglich, bei welcher die Stelleinrichtung 1 als elektromagnetischer Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist das nicht dargestellte Stellglied mit einer Antriebswelle 3 antriebsverbunden, die um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Mit der Antriebswelle 3 fest verbunden ist ein Anker 5, der mit Hil fe von zwei Elektromagneten 6 zwischen zwei Endlagen E1 und E2 umschaltbar ist. Jeder Elektromagnet 6 besitzt wenigstens eine Spule 7 und kann wie hier außerdem mit einem Stator 8 ausgestattet sein. An jedem Elektromagneten 6 bzw. an jedem Stator 8 ist ein Ankergegenstück 15 ausgebildet. In der einen Endlage E₁ liegt der mit unterbrochenen Linien gezeigte Anker 5 an dem einen, hier am Ankergegenstück 15 des linken Elektromagneten 6 an. In der anderen Endlage E₂ liegt der mit unterbrochenen Linien dargestellte Anker 5 entsprechend am anderen, hier am Ankergegenstück 15 des rechten Elektromagneten 6 an. Der Anker 5 verschwenkt beim Verstellen zwischen seinen Endlagen E₁, E₂ um die Drehachse 4, wobei er über die Antriebswelle 3 das damit gekoppelte Stellglied mitnimmt.
Zwischen den beiden Endlagen E₁, E₂ besitzt der Anker 5 außerdem eine Ausgangslage A, in welcher der Anker 5 mit Hilfe einer Rückstelleinrichtung 12 vorgespannt ist. Dies hat zum einen zur Folge, dass die Rückstelleinrichtung 12 den Anker 5 in seine Ausgangslage A zwingt, wenn beide Elektromagnete 6 unbestromt sind. Zum anderen hat dies zur Folge, dass der Anker 5 aus seiner Ausgangslage A entgegen der Wirkung der Rückstelleinrichtung 12 verstellt werden muss, um in eine seiner Endlagen E₁, E₂ zu gelangen. Die Rückstelleinrichtung 12 umfasst wenigstens eine Feder, wodurch der Ankerbewegung federnde Rückstellkräfte entgegenwirken, um aus der Ausgangslage A in eine der Endlagen E₁, E₂ zu gelangen. Ebenso unterstützen die federnden Rückstellkräfte den Beginn der Ankerbewegung, wenn der Anker 5 zwischen seinen Endlagen E₁ und E₂ umgeschaltet werden muss. Die Rückstelleinrichtung 12 kann beispielsweise durch eine mit der Antriebswelle 3 gekoppelte Torsionsfeder gebildet sein, deren Neutrallage in der Ausgangslage des Ankers 5 vorliegt und die beim Drehen des Ankers 5 in die eine oder in die andere Endstellung E₁, E₂ gespannt wird. Die Ausgangslage A des Ankers 5 liegt in der Regel etwa mittig zwischen den Endlagen E₁, E₂. Grundsätzlich kann die Rückstelleinrichtung 12 auch andere Federmittel aufweisen.
Um in seine erste Endlage E₁ zu gelangen, muss der Anker 5 aus seiner Ausgangslage A im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt werden. Um in seine zweite Endlage E₂ zu gelangen, muss der Anker 5 in Gegenrichtung, also hier im Uhrzeigersinn gedreht werden.
Im Betrieb des Stellantriebs 2 wird der Anker 5 bei jedem Schaltvorgang von der einen Endstellung E₁ in die andere Endstellung E₂ umgeschaltet. Sowohl bei einer Anwendung als Ventiltrieb für ein Gaswechselventil als auch bei einer Anwendung als Lufttaktventil, muss der Stellantrieb 2 extrem kurze Stellzeiten realisieren. Hierzu werden die Spulen 7 der Elektromagnete 6 in geeigneter Weise bestromt.
Zur Betätigung der Stelleinrichtung 1 ist eine Vorrichtung 9 vorgesehen, die eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 aufweist. Diese Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 ist so ausgestaltet, dass sie den Strom durch die Spulen 7 gemäß dem nachfolgend beschriebenen, erfin dungsgemäßen Verfahren zum Anschwingen der Stelleinrichtung 1 einstellen kann. Zu diesem Zweck ist die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 über Kabel 11 mit den Spulen 7 sowie über weitere, hier nicht gezeigte Kabel mit einer entsprechenden Energieversorgungseinrichtung verbunden.
Bei deaktivierter Stelleinrichtung 1 sind die Elektromagnete 6 unbestromt, so dass der Anker 5 aufgrund der Rückstellkräfte selbsttätig seine Ausgangslage A einnimmt. Zur Aktivierung der Stelleinrichtung 1 muss nun mit Hilfe eines Anschwingverfahrens der Anker 5 aus seiner Ausgangslage A heraus in eine seiner Endlagen E₁, E₂ überführt werden.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Anschwingverfahrens wird im folgenden anhand der Diagramme gemäß den 2 und 3 näher erläutert.
In den Diagrammen der 2 und 3 ist zum einen eine erste Kurve K₁ wiedergegeben, die von links nach rechts den zeitlichen Verlauf des Stroms wiedergibt, der einem der Elektromagnete 6 von der Betätigungsvorrichtung 9 zugeführt wird. Des Weiteren ist eine zweite Kurve K₂ wiedergegeben, die von links nach rechts den zeitlichen Verlauf der Bewegungen des Ankers 5 wiedergibt und somit das Schwingungsverhalten des Ankers 5 repräsentiert. In 3 ist außerdem eine dritte Kurve K₃ wiedergegeben, welche von links nach rechts den zeitlichen Verlauf des Stroms im jeweiligen Elektromagneten 6 bzw. in dessen Spule 7 wiedergibt.
Das erfindungsgemäße Anschwingverfahren arbeitet mit einer Abfolge von mehreren Stromimpulsen 13, mit denen die Elektromagnete 6 wechselseitig beaufschlagt werden. Die 2 und 3 zeigen dabei jeweils nur die Stromimpulse 13, mit denen einer der Elektromagnete 6 beaufschlagt wird. Die Stromimpulse bzw. der Stromverlauf K₁ des anderen Elektromagneten 6 ist in entsprechender Weise, jedoch phasenversetzt ausgebildet.
Jeder Stromimpuls 13 besitzt eine Pulsdauer oder Pulszeit T_E, während der dem jeweiligen Elektromagnet 6 Strom zugeführt wird. Während der Pulszeit T_E steigt der zugeführte Strom zunächst. mehr oder weniger stark an und fällt am Ende der Pulszeit T_E steil ab. Zwischen der ansteigenden Flanke und der abfallenden Flanke kann der Strom einen vorbestimmten Wert konstant beibehalten, was bei der Variante gemäß 2 bei allen Stromimpulsen 13 und bei der Variante gemäß 3 ab dem vierten Stromimpuls 13 der Fall ist. Ein derartiger Stromverlauf für die Stromimpulse 13 kann beispielsweise durch eine Stromchopperung erreicht werden. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromimpulsen 13 vergeht eine Pausenzeit T_A. Durch Addition der Pulszeit T_E und der Pausenzeit T_A ergibt sich eine Pulsperiode T_P: T_P = T_E + T_A. Die zugehörige Pulsfrequenz korreliert dann mit dem Kehrwert der Pulszeit T_P.
Zu Beginn des Anschwingverfahrens befindet sich der Anker 5 in seiner Ausgangslage A. Die einzelnen Stromimpulse 13 der beiden Elektromagnete 6 bewirken zuerst nur eine kleine Aus lenkung des Ankers 5, deren Amplitude jedoch aufgrund der gewählten Pulsfrequenzen rasch zunimmt, so dass der Anker 5 schließlich eine seiner Endlagen E₁ oder E₂ erreicht. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Pulsfrequenz während der Abfolge der Stromimpulse 13 in einer Richtung, also entweder ansteigend oder abfallend, variiert wird. Eine dem ersten Stromimpuls 13 zugeordnete Startfrequenz ist dabei so gewählt, dass sich die Pulsfrequenz während des Anschwingverfahrens zunächst an die Eigenfrequenz eines Schwingungssystems annähert, das aus dem federbelastetem Anker und den damit zwangsgekoppelten Komponenten, insbesondere der Welle 3 sowie dem jeweiligen Stellglied, gebildet ist. Bei den in den 2 und 3 gezeigten bevorzugten Varianten wird die Startfrequenz größer gewählt als die Eigenfrequenz des Schwingungssystems, so dass während des Anschwingvorgangs die Pulsfrequenz reduziert wird. Es hat sich gezeigt, dass diese Variante zuverlässiger arbeitet als die alternative Variante, bei welcher die Startfrequenz kleiner ist als die Eigenfrequenz des Schwingungssystem, so dass die Pulsfrequenz während des Anschwingvorgangs erhöht wird.
Wie aus 2 hervorgeht, wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei welcher die Pulsfrequenz schrittweise, also von Stromimpuls 13 zu Stromimpuls 13, reduziert wird, wobei insbesondere auf eine gleichmäßige oder stetige Reduzierung der Pulsfrequenz zu achten ist.
Grundsätzlich kann das Anschwingverfahren so durchgeführt werden, dass keine bestimmte Anzahl an Stromimpulsen 13 vor gegeben ist, wobei dann solange Stromimpulse 13 generiert werden, bis der Anker 5 zumindest einmal an einem der Elektromagnete 6 zur Anlage kommt. Beispielsweise kann mit einer entsprechenden Sensorik (oder z.B. durch Änderung der Chopperfrequenz) festgestellt werden, dass der Anker 5 an einem der Elektromagnete 6 anliegt. Zweckmäßig wird dann die Abfolge der aufeinanderfolgenden Stromimpulse 13 abgebrochen und am jeweiligen Elektromagnet 6 ein entsprechender Haltestrom eingestellt. Dabei ist aus Komfortgründen (Geräuschentwicklung) zu vermeiden, dass der Anker 5 nach dem erstmaligen Anliegen an einem der Elektromagnete 6 durch nachfolgende Stromimpulse 13 noch mehrmals zwischen den Elektromagneten 6 umgeschaltet wird.
Bevorzugt wird das Anschwingverfahren jedoch so ausgeführt, dass eine bestimmte Anzahl von Stromimpulsen 13 vorgegeben wird. Dem letzten Stromimpuls 13 ist dann eine Abbruchfrequenz zugeordnet. Während der Abfolge der Stromimpulse 13 nimmt somit die Pulsfrequenz – je nach Ausführungsform – von der Startfrequenz zur Abbruchfrequenz ab bzw. zu. Startfrequenz und Abbruchfrequenz sind jedenfalls so gewählt, dass die Eigenfrequenz des Schwingungssystems sicher zwischen der Startfrequenz und der Abbruchfrequenz liegt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist somit die Startfrequenz größer als die Eigenfrequenz, während die Abbruchfrequenz kleiner ist als die Eigenfrequenz.
Durch Material- und Herstellungstoleranzen sowie durch Umgebungsbedingungen, wie z.B. Temperaturschwankungen, Ver schmutzungen und Verschleiß, kann die Eigenfrequenz des Schwingungssystems innerhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Eigenfrequenzbandes variieren. Zweckmäßig sind nun die Startfrequenz und die Abbruchfrequenz so gewählt, dass das Eigenfrequenzband zwischen Startfrequenz und Abbruchfrequenz liegt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass für alle üblichen Toleranzen und Umgebungsbedingungen die Eigenfrequenz des Schwingungssystems innerhalb des durch Startfrequenz und Abbruchfrequenz definierten Intervalls liegt.
Das Schwingungssystem besitzt außerdem ein Resonanzfrequenzband, das die Eigenfrequenz sowie relativ geringfügig davon nach oben oder unten abweichende Nachbarfrequenzen umfasst. Charakteristisch für das Resonanzfrequenzband ist, dass eine wechselseitige Ansteuerung der Elektromagnete 6 mit Stromimpulsen, deren Pulsfrequenz konstant einen Wert aus dem Resonanzfrequenzband besitzt, regelmäßig zum Anliegen des Ankers 5 an einem der Elektromagnete 6 führt. Durch die Abstimmung der Abfolge von Stromimpulsen 13 auf dieses Resonanzfrequenzband wird erreicht, dass zumindest bei einem der Stromimpulse 13 die Pulsfrequenz im Resonanzfrequenzband liegt. Vorzugsweise erfolgt die Abstimmung dabei so, dass bei einem oder mehreren Stromimpulsen 13, die sich in einem vom ersten Stromimpuls 13 beabstandeten Abschnitt der Abfolge befindet, die Pulsfrequenzen im Resonanzfrequenzband liegen. Hierdurch wird erreicht, dass die vorausgehenden Stromimpulse 13 bereits eine Grundanregung des Ankers 5 erzeugen, von der aus der Anker 5 mit vergleichsweise wenigen, insbesondere mit nur einem einzigen, weiteren Stromimpulsen 13, deren Puls frequenz in das Resonanzfrequenzband fällt, bis zu einem der Elektromagnete 6 ausgelenkt werden kann.
Die Pulsfrequenz der aufeinander folgenden Stromimpulse wird durch eine Variation der Pulsperiode T_P variiert. Diese Variation kann z.B. so durchgeführt werden, dass ein Verhältnis T_E/T_A von Pulszeit zu Pausenzeit, konstant bleibt. Ebenso ist es möglich, die Variation so durchführen, dass die Pulszeit T_E konstant bleibt und nur die Pausenzeit T_A variiert wird. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei welcher die Pulszeit T_E variiert wird, während die Pausenzeit T_A konstant gehalten wird. Für die Reduzierung der Pulsfrequenz während der aufeinanderfolgenden Stromimpulse 13 wird somit bei konstanter Pausenzeit T_A die Pulszeit T_E vergrößert. Eine derartige Ausführungsform ist besonders einfach realisierbar und im Hinblick auf die erzeugbaren elektromagnetischen Anziehungskräfte besonders günstig.
Die in den 2 und 3 gezeigten Varianten unterscheiden sich unter anderem dadurch, dass bei der Ausführungsform gemäß 3 der Stromanstieg in dem jeweils mit einem Stromimpuls 13 beaufschlagten Elektromagneten 6 weniger steil ist, was in der Stromverlaufskurve K₃ wiedergegeben ist. Der Stromanstieg im Elektromagneten 6 wird dann flacher, wenn die zur Verfügung stehende Stromversorgung nur eine vergleichsweise niedrige Spannung bereitstellt, was beispielsweise bei einem 12-Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs der Fall ist. In diesem Fall benötigt der Elektromagnet 6 mehr Zeit, um ein erwünschtes Magnetfeld aufbauen zu können. Um dies auszugleichen wird bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, das Verhältnis von Pulszeit zu Pausenzeit T_E/T_A zu Gunsten der Pulszeit T_E zu verändern. Da die Pulsperiode T_P und das Ende der Pulszeit T_E vorgegeben sind, wird erfindungsgemäß die Pausenzeit T_A verkleinert, indem die Pulszeit T_E nach vorn bzw. in Richtung früh verschoben wird. Im Hinblick auf die wechselseitige Ansteuerung der beiden Elektromagnete 6 hat dies zur Folge, dass die Stromzufuhr zum einen Elektromagneten 6 bereits gestartet wird, wenn die Stromzufuhr zum anderen Elektromagneten 6 noch nicht beendet ist. Durch den vorgezogenen Beginn der Pulszeit T_E kann dem jeweiligen Elektromagneten 6 mehr Energie zugeführt werden, was zu einem stärkeren Magnetfeld führt.
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung kann die Pausenzeit T_A hierbei gezielt so gewählt werden, dass sich innerhalb der Pausenzeit T_A das im jeweiligen Elektromagnet 6 aufgebaute Magnetfeld nicht mehr vollständig abbauen kann, so dass ein Restmagnetfeld erhalten bleibt. Dieses Restmagnetfeld kann durch eine geeignete Auswahl der Pausenzeit T_A vorteilhaft so groß eingestellt werden, dass es für den Fall, dass der Anker 5 am jeweiligen Elektromagneten 6 zur Anlage kommt, eine hinreichende Haltekraft erzeugt und den Anker 5 an Elektromagneten 6 festhält. Der Anker 5 bleibt somit am Elektromagnet 6 haften, selbst wenn innerhalb des Anschwingverfahrens die wechselseitige Bestromung der Elektromagnete 6 noch für weitere Stromimpulse 13 fortgeführt wird.
Dieser Effekt ist 3 entnehmbar. Die Verlaufskurve K₃ für den im Elektromagnet 6 fließenden Strom korreliert in einem ersten Abschnitt I mit der magnetischen Feldstärke. Erkennbar ist, dass das verbleibende Rest-Magnetfeld im wesentlichen auf einen konstanten Wert ansteigt, was durch eine unterbrochene horizontale Linie 14 angedeutet ist.
Bei der in 3 gezeigten besonders vorteilhaften Ausführungsform führt die wechselseitige Beaufschlagung der Elektromagnete 6 mit den Stromimpulsen 13 innerhalb des ersten Abschnitts 1 zur Anlage des Ankers 5 an einem der Elektromagnete 6. Da jedoch – wie oben erläutert – das verbleibende Restmagnetfeld in den Elektromagneten 6 so eingestellt werden kann, dass es eine ausreichende Haltekraft für den Anker 5 erzeugt, bleibt der Anker 5 in einem anschließenden zweiten Abschnitt II an demjenigen Elektromagneten 6 haften, an dem er zuerst zur Anlage gekommen ist, obwohl im zweiten Abschnitt II die Elektromagnete 6 noch mehrfach ein- bzw. ausgeschaltet werden. Das heißt, obwohl die Elektromagnete 13 weiterhin wechselseitig mit den Stromimpulsen 13 angesteuert werden, bleibt der Anker 5 in der jeweiligen Endlage E₁ oder E₂. Dieses Verfahren arbeitet somit extrem geräuscharm, da nur beim ersten Anlegen des Ankers 5 an den Elektromagneten 6 durch den Aufschlag des Ankers auf den Elektromagneten 6 bzw. auf eine entsprechende Ankergegenfläche eine Geräuschentwicklung stattfindet. Bei einer vorgegebenen Anzahl an Stromimpulsen 13 kann somit ein besonders effektiv arbeitendes, schnelles und leises Anschwingverfahren realisiert werden.
Im zweiten Abschnitt II ist gemäß 3 außerdem ein besonderer Effekt erkennbar. Sobald der Anker 5 am Elektromagnet 6 zur Anlage kommt, kann nun auch der Strom in diesem Elektromagnet 6 wieder vollständig oder nahezu vollständig abfließen. Dies ermöglicht es, den Stromfluß im Elektromagnet 6 als Indikator dafür zu nehmen, ob und an welchem Elektromagnet der Anker 5 zur Anlage gekommen ist. Zu diesem Zweck wird der von den Elektromagneten 6 abfließende Strom überwacht. Während bei der in 3 gezeigten Ausführungsform erst nach dem Ablauf der vorgegebenen Anzahl von Stromimpulsen 13 in einem dritten Abschnitt III ein Haltestrom am jeweiligen Elektromagneten 6 eingestellt wird, kann bei einer Weiterbildung die Abfolge der Stromimpulse 13 bereits vorzeitig beendet werden, wenn die Überwachung des vom Elektromagnet 6 abfließenden Stroms ergibt, das der abfließende Strom den Wert Null oder etwa den Wert Null erreicht. In diesem Fall kann unmittelbar nach dem Anlegen des Ankers 5 an einem der Elektromagnete 6 der Haltestrom eingestellt werden, wobei dann der zweite Abschnitt II entfällt, so dass der dritte Abschnitt III unmittelbar an den ersten Abschnitt I anschließt.
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, während der Abfolge der Stromimpulse 13 jeweils beim Beenden der Stromzufuhr also am Endpunkt der Pulszeit T_E, die noch im ausgeschalteten Elektromagneten 6 vorliegende Energie (im folgenden Abschaltenergie genannt) zu nutzen. Zu diesem Zweck wird die Abschaltenergie zumindest teilweise in einer hier nicht dargestellten Kapazität, insbesondere wenigstens in einem Kondensator, zwischengespeichert. Hierdurch ist es möglich, die gespeicherte Energie beim jeweils anderen Elektromagneten 6 zur Einschaltspannungsüberhöhung zu verwenden. Insbesondere können dadurch auch bei einer niedrigen Versorgungsspannung vergleichsweise hohe Spannungsimpulse erzeugt werden, um dadurch die Stromaufnahme des jeweiligen Elektromagneten 6 zu beschleunigen. Zur Einschaltspannungsüberhöhung kann z.B. die Ladung der jeweiligen Gegenspule genutzt werden. Ebenso kann die Ladung der Eigenspule aus deren letzten Abschaltung genutzt werden. Des weiteren können die Ladungen beider Spulen genutzt werden, sofern mit einem geeigneten Umschaltbetrieb (Spannungsversorgung-Ladung) und nur mit Teilladungsausnutzung gearbeitet wird.
Wie aus der Variante gemäß 3 entnehmbar ist, kann zweckmäßig vor dem ersten Abschnitt I also vor dem ersten zum Elektromagneten 6 geführten Stromimpuls 13 die Kapazität mit Hilfe wenigstens eines zusätzlichen Stromimpulses 13' aufgeladen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei derartige zusätzliche Stromimpulse 13' vorgesehen. Diese zusätzlichen Stromimpulse 13' gehen der für die Bestromung der Elektromagnete 6 vorgesehenen Abfolge an Stromimpulsen 13 voraus und dienen nur zur Aufladung der Kapazität. Wie aus 3 zu entnehmen ist, kann somit auch bei einer vergleichsweise niedrigen Versorgungsspannung für die einzelnen Stromimpulse 13, mit denen die Elektromagnete 6 im Anschwingverfahren beaufschlagt werden, eine vergleichsweise große Spannung erzielt werden.

Claims

Verfahren zum Anschwingen einer Stelleinrichtung (1) mit wenigstens Elektromagneten (6) und einem Anker (5), der aus einer Ausgangslage (A) heraus gegen federnde Rückstellkraft in einer Richtung in eine erste Endlage (E₁) verstellbar ist, in welcher er an einem Ankergegenstück (15) des Elektromagneten (6) anliegt und an diesem mittels elektromagnetischer Kräfte gehalten ist oder gehalten werden kann, – bei dem der Elektromagnet (6) mit einer vorbestimmten Abfolge von mehreren Stromimpulsen (13) angesteuert wird, – wobei eine Pulsfrequenz, mit welcher die Stromimpulse (13) aufeinander folgen, ausgehend von einer vorbestimmten, dem ersten Stromimpuls (13) der Abfolge zugeordneten Startfrequenz reduziert wird, – wobei die Startfrequenz größer gewählt ist als eine Eigenfrequenz eines den Anker und die federnden Rückstellkräfte umfassenden Schwingungssystems.
Verfahren zum Anschwingen einer Stelleinrichtung (1) mit wenigstens einem Elektromagneten (6) und einem Anker (5), der aus einer Ausgangslage (A) heraus gegen federnde Rückstellkraft in einer Richtung in eine erste Endlage (E₁) verstellbar ist, in welcher er an einem Ankergegenstück (15) des Elektromagneten (6) anliegt und an diesem mittels elek tromagnetischer Kräfte gehalten ist oder gehalten werden kann, – bei dem der Elektromagnet (6) mit einer vorbestimmten Abfolge von mehreren Stromimpulsen (13) angesteuert wird, – wobei eine Pulsfrequenz, mit welcher die Stromimpulse (13) aufeinander folgen, ausgehend von einer vorbestimmten, dem ersten Stromimpuls (13) der Abfolge zugeordneten Startfrequenz erhöht wird, – wobei die Startfrequenz kleiner gewählt ist als eine Eigenfrequenz eines den Anker (5) und die federnden Rückstellkräfte umfassenden Schwingungssystems.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der Stromimpulse (13) abgebrochen und am Elektromagnet (6) ein Haltestrom eingestellt wird, nach dem der Anker (5) zumindest einmal am Ankergegenstück (15) zur Anlage kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz schrittweise, insbesondere stetig oder gleichmäßig, von Stromimpuls (13) zu Stromimpuls reduziert/erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die Pulsfrequenz von der Startfrequenz bis zu einer einem vorbestimmten letzten Stromimpuls (13) der Abfolge zugeordneten Abbruchfrequenz reduziert/erhöht wird, – dass die Abbruchfrequenz kleiner/größer gewählt ist als die Eigenfrequenz des Schwingungssystems.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Startfrequenz, die Abbruchfrequenz und die Reduzierung/Erhöhung der Pulsfrequenz so gewählt sind, dass ein Resonanzfrequenzband zwischen Startfrequenz und Abbruchfrequenz so angeordnet ist, dass wenigstens ein vom ersten Stromimpuls (13) der Abfolge beanstandeter Stromimpuls eine Pulsfrequenz aufweist, die in das Resonanzfrequenzband fällt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, – dass die Startfrequenz größer/kleiner ist als ein durch Material- und Herstellungstoleranzen sowie durch Umgebungsbedingungen vorgegebenes Eigenfrequenzband, in dem die Eigenfrequenz des Schwingungssystems liegt und/oder – dass die Abbruchfrequenz kleiner/größer ist als das Eigenfrequenzband.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass die Stromimpulse (13) jeweils eine Pulszeit (T_E) aufweisen, während der dem jeweiligen Elektromagneten (6) Strom zugeführt wird, – dass zwischen aufeinanderfolgenden Stromimpulsen (13) am jeweiligen Elektromagneten (6) eine Pausenzeit (T_A) vergeht, – dass die Pulsfrequenz dadurch reduziert/erhöht wird, dass bei konstanter Pausenzeit (T_A) die Pulszeit (T_E) vergrößert/verkleinert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) aus der Ausgangslage (A) heraus gegen federnde Rückstellkraft in der Gegenrichtung in eine zweite Endlage (E₂) verstellbar ist, in welcher er an einem zweiten Ankergegenstück (15) anliegt und daran mittels elektromagnetischer Kräfte gehalten ist oder gehalten werden kann.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Elektromagnet (6) vorgesehen ist, der am zweiten Ankergegenstück (15) die elektromagnetischen Kräfte erzeugt, während der erste Elektromagnet (6) am ersten Ankergegenstück (15) die elektromagnetischen Kräfte erzeugt, wobei die beiden Elektromagnete (6) jeweils mit der Abfolge der Stromimpulse (13) wechselseitig angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wechselseitige Ansteuern der Elektromagnete (6) so durchgeführt wird, dass die Stromzufuhr zum einen Elektromagneten (6) bereits gestartet wird, wenn die Stromzufuhr zum anderen Elektromagneten (6) noch nicht beendet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuern des oder der Elektromagnete (6) so durchgeführt wird, dass beim gleichen Elektromagneten (6) eine Pausenzeit (T_A) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromimpulsen (13) so klein ist, dass sich ein von diesem Elektromagnet (6) erzeugtes Magnetfeld nicht vollständig abbauen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine beim Beenden der Stromzufuhr in einem Elektromagneten (6) vorliegende Abschaltenergie zumindest teilweise in einer Kapazität zwischengespeichert wird und bei einem anderen Stromimpuls (13) für denselben oder für einen anderen Elektromagneten (6) zur Spannungsüberhöhung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität vor dem ersten Stromimpuls (13) der Abfolge aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität mit wenigstens einem, dem ersten Stromimpuls (13) der Abfolge vorausgehenden Stromimpuls (13^` ) aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, – dass der nach einem Stromimpuls (13) vom jeweiligen Elektromagneten (6) abfließenden Strom gemessen wird, – dass die Abfolge der Stromimpulse (13) vorzeitig beendet und am jeweiligen Elektromagneten (6) ein Haltestrom eingestellt wird, sobald der vom jeweiligen Elektromagneten (6) abfließende Strom den Wert Null oder etwa den Wert Null erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (1) eine Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung für ein Lufttaktventil im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine ist.