DE19518056A1 - Einrichtung zur Steuerung der Ankerbewegung einer elektromagnetischen Schaltanordnung und Verfahren zur Ansteuerung - Google Patents
Einrichtung zur Steuerung der Ankerbewegung einer elektromagnetischen Schaltanordnung und Verfahren zur AnsteuerungInfo
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Description
Bei einer elektromagnetischen Schaltanordnung ist es
bei vielen Anwendungsfällen vorteilhaft, die Bewegung
des Ankers zu erfassen, um auf diese Weise den Halte
magneten gezielt ansteuern zu können.
Derartige elektromagnetische Schaltanordnungen werden
beispielsweise eingesetzt zur Steuerung der Gaswechsel
ventile an Brennkraftmaschinen, um hier eine anpassungs
fähige Steuerung für das Ein- und Ausströmen des Arbeits
mediums zu bewirken, so daß der Arbeitsprozeß nach den
jeweils erforderlichen Gesichtspunkten optimal beeinflußt
werden kann. Der Ablauf der Steuerung hat dabei großen
Einfluß auf die unterschiedlichsten Parameter, beispiels
weise die Zustände des Arbeitsmediums im Einlaßbereich,
im Arbeitsraum und im Auslaßbereich sowie auf die Vorgänge
im Arbeitsraum selbst. Da Brennkraftmaschinen bei sehr
unterschiedlichen Betriebszuständen instationär arbeiten,
ist eine entsprechend variable Steuerung der Gaswechsel
ventile wünschenswert. Eine derartige elektromagnetische
Schaltanordnung für Gaswechselventile ist beispielsweise
aus DE-C-30 24 109 bekannt.
Ein wesentliches Problem bei der Steuerung derartiger
elektromagnetischer Schaltanordnungen stellt die erforder
liche Zeitgenauigkeit dar, die insbesondere bei einer
Steuerung der Motorleistung für die Einlaßventile erfor
derlich ist. Eine genaue Steuerung der Zeiten wird durch
fertigungsbedingte Toleranzen, im Betrieb auftretende
Verschleißerscheinungen sowie durch unterschiedliche
Betriebszustände, beispielsweise wechselnde Lastanfor
derungen und Arbeitsfrequenzen erschwert, da diese
äußeren Einflüsse zeitrelevante Parameter des Systems
beeinflussen können.
Ein wesentliches Problem bei derartigen elektromagnetischen
Schaltanordnungen ist die Erscheinung des sogenannten
Klebens des Ankers an dem jeweiligen Haltemagneten.
Dieses Kleben wird im wesentlichen durch Wirbelströme
im Magnetkreis verursacht. Die sogenannte Klebzeit hängt
von vielen unterschiedlichen Parametern an, wie beispiels
weise der Größe des Luftspaltes, der Kraft des Rückstell
mittels, in der Regel mechanische Federn, und bei der
Gaswechselventilen dem Gasgegendruck. Neben den nicht
zu vermeidenden Fertigungstoleranzen bewirken bei elektro
magnetisch betätigten Gaswechselventilen die im Betrieb
wechselnden Gasgegendrücke unregelmäßige Schwankungen
der Klebzeit, so daß nach dem Abschalten des Haltestroms
der Bewegungsbeginn des Ankers nicht vorherbestimmbar
variiert. Auch die Flugzeit sowie die Energieverluste
und somit die zuzuführende Energie hängen von dem jewei
ligen Betriebszustand ab. Durch eine Erfassung der Anker
position während seiner Bewegung zwischen den beiden
Haltemagneten wäre eine Kompensation der genannten Ein
flüsse möglich. Dies könnte beispielsweise durch einen
zwischen den beiden Haltemagneten angeordneten Wegsensor
erfolgen, der - bezogen auf die Steuerzeiten - den Vorbei
flug des Ankers erfaßt und hierbei ein Signal an die
Steuereinrichtung abgibt, so daß rechnergestützt die
Ansteuerung der Haltemagneten beeinflußt werden kann.
Für die Anwendung bei elektromagnetisch angesteuerten
Gaswechselventilen ist eine derartige Lösung praktisch
nur für Versuchsmotore sinnvoll. Bei der Serienanwendung
verbietet sich ein derartiger zusätzliche Wegsensor
wegen der hohen Kosten für den Sensor selbst sowie wegen
der erforderlichen zusätzlichen Verkabelung von Kontakt
stellen, die die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems be
einträchtigen.
Es wurden schon Versuche gemacht, mit Hilfe der vorhandenen
Elementen der Schaltanordnung auszukommen. Dies kann
beispielsweise durch die Auswertung von Strömen oder
Spannungen der Spulen der Haltemagnete erfolgen, über
die hilfsweise der Auftreffzeitpunkt des Ankers auf
einem Haltemagneten erfaßt wird (EP-A-0 264 706) oder
der Ablösezeitpunkt des Ankers vom Haltemagenten erfaßt
wird. Die Bewegungsgeschwindigkeiten des Ankers sind
jedoch in der Endposition recht gering, so daß sich
selbst bei relativ guter Auflösung der die Position
angebenden Signale die hieraus ableitbare zeitliche
Zuordnung unbefriedigend ist. Dementsprechend hat man
zur Verbesserung derartiger elektromagnetischer Schalt
anordnungen zur Betätigung von Gaswechselventilen vorge
schlagen (EP-A-0 405 189), durch Erhöhung der Vorspannung
des in Öffnet-Richtung wirkenden Rückstellmittels die
Zeitgenauigkeit zu verbessern, wobei zusätzlich noch
Maßnahmen zur Veränderung des magnetischen Widerstandes
im Magnetkreis vorgesehen waren.
Da weder derartige mechanische Mittel, wie in EP-A-0 405 189
vorgeschlagen, noch die in EP-A-0 264 706 angegebenen
rechnerischen Methoden den Genauigkeitsanforderungen
genügen, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Einrichtung zu schaffen, die eine Erkennung der
Ankerbewegung durch Erkennen von beliebigen Ankerpositio
nen ohne zusätzliche Sensoren oder Kontaktstellen ermög
licht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch
eine Einrichtung zur Steuerung der Ankerbewegung einer
elektromagnetischen Schaltanordnung mit einem Anker,
mit wenigstens einem auf den Anker einwirkenden Rückstell
mittel und mit wenigstens einem elektrischen Haltemagneten,
der eine Spule und ein Magnetjoch aufweist, dessen Pol
fläche dem Anker zugekehrt ist und das mit wenigstens
einem Meßpolschenkel versehen ist, der wenigstens einen
dem Anker zugeordneten Meßpol aufweist. Diese Anordnung
hat den Vorteil, daß bei Stromfluß durch die Spule der
Anker gegen die Polfläche gezogen wird. Hierbei bewegt
sich der Anker an den Meßpolen vorbei, so daß kurzzeitig
eine Erhöhung der Induktivität erfolgt. Diese kann nun
schaltungsmäßig als zeitbezogenes Signal ausgewertet
werden. Stimmt der Zeitpunkt an dem der Anker sich
am Meßpol vorbeibewegt mit dem durch die Betriebsdaten
vorgegebenen Zeitpunkt überein, bewegt sich also der
Anker "pünktlich" am Meßpol vorbei, ergibt sich keine
Abweichung. Bewegt sich jedoch der Anker verfrüht oder
verspätet am Meßpol vorbei, so kann dies erfaßt werden
und für den nächsten Arbeitszyklus die Spule des Halte
magneten entsprechend früher oder später mit Strom beauf
schlagt werden. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen
Einrichtung besteht dementsprechend darin, daß ohne
zusätzliche Verdrahtungen über das bereits vorhandene
elektrische System eine exakte zeitbezogene Erkennung
der Ankerbewegung möglich ist. Das Prinzip der Erfindung
besteht hierbei darin, daß aus dem Magnetjoch mit seiner
Spule, dem Anker und, je nach Konstruktion einem oder
zwei Meßpolschenkeln, ein magnetischer Kreis gebildet
wird, der unter dem Einfluß der Ankerbewegung durch
Veränderung der Induktivität die Erzeugung eines Meßsig
nals ermöglicht. Der besondere Vorteil der Erfindung
besteht hierbei auch darin, daß durch die Anordnung
von mehreren Meßpolen auf dem Meßpolschenkel, die in
Bewegungsrichtung des Ankers mit Abstand zueinander
angeordnet sind und gegen den Anker gerichtet sind,
die Genauigkeit noch erhöht werden kann, da zeitbezogen
die Bewegung des Ankers an den Meßpolen vorbei erfaßt
werden kann.
Zur Bildung des magnetischen Kreises ist in einer Ausge
staltung der Erfindung vorgesehen, daß nur ein Meßpol
schenkel mit dem Magnetjoch verbunden ist und daß der
Meßpolschenkel mit einem Permanentmagneten versehen
ist. Hierdurch wird innerhalb des Meßpolschenkels ein
Magnetkreis gebildet, der jedoch über die Verbindung
des Meßpolschenkels mit dem Magnetjoch das bei der Vorbei
bewegung des Ankers erzeugte Signal noch verstärkt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen,
daß der Meßpolschenkel mit wenigstens zwei Permanentmagne
ten versehen ist, die jeweils zwischen zwei aufeinander
folgenden Meßpolen angeordnet sind und die in ihrer
Polarität gegeneinandergerichtet sind. Hierdurch ist
man in der Lage, aus der Polarität der gemessenen Spannung
zu erkennen, an welchem Meßpol der Anker sich gerade
vorbeibewegt.
Zur Reduktion des magnetischen Widerstandes ist in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß bei der
Anordnung von mehreren Meßpolen am Meßpolschenkel neben
einer Reduzierung des Luftspaltes zwischen den Meßpolen
und dem Anker jeweils die Zwischenräume zwischen den
aufeinander folgenden Meßpolen mit einem schlechtmagnetisier
baren Material ausgefüllt sind.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Meßpolschenkel mit wenigstens zwei Meßpolen
versehen ist, daß jeweils zwischen zwei Meßpolen am
Meßpolschenkel eine Induktionsspule angeordnet ist und
ein Permanentmagnet vorgesehen ist, durch den aus
dem Anker, dem Meßpolschenkel und den Meßpolen ein Magnet
kreis gebildet wird. Diese Ausgestaltung hat einerseits
den Vorteil, daß die Erregung des Magnetkreises nicht
über einen zusätzlichen Magnetisierungsstrom vorgenommen
werden muß, der der Magnetspule selbst aufgeprägt wird,
sondern daß infolge der Ankerbewegung der im Magnetkreis
durch den Permanentmagneten vorhandene Magnetfluß geändert
wird und in der Induktionsspule eine Spannung indiziert.
Obwohl hier durch die Induktionsspule ein zusätzliches
elektrisches Bauteil vorhanden ist, kann jedoch die
Anzahl der Verbindung zur Elektronik dadurch gering
gehalten werden, daß die Meßspule parallel zur Spule
des Haltemagneten geschaltet wird. Der durch diesen
Nebenschluß verursachte Stromabfluß ist vernachlässigbar
gering, da bei einer plötzlichen Spannungsänderung der
Strom aufgrund des induktiven Verhaltens sich nicht
plötzlich ändert.
In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß der Anker an seiner dem Meßpolschen
kel zugekehrten Seite mit wenigstens einer Polnase ver
sehen ist. Hierdurch ist eine Steigerung der Genauigkeit
insbesondere bei einem "dicken" Anker möglich. Um den
Effekt des kleineren wirksamen Querschnitts zu kompensie
ren, wird die Polnase zweckmäßigerweise relativ breit,
unter Umständen sogar über die gesamte Ankerbreite
hinaus ausgeführt.
In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß der Anker mit mehreren Polnasen
und der Meßpolschenkel mit mehreren Meßpolen versehen
ist. Durch eine derartige Kammstruktur ergibt sich nicht
nur eine weitere Vergrößerung der Fläche unter Beibehal
tung der erreichten Empfindlichkeitssteigerung, sondern
auch eine recht feine Auflösung, da mit halber Periodi
zität der Kammstruktur Bereiche mit großem Luftspalt
und Bereiche mit kleinem Luftspalt wechseln, so daß
sich bei der Bewegung des Ankers kleine magnetische
Widerstände mit hohen abwechseln. Für die Auswertung
ergeben sich nun auf dem Weg des Ankers mehrere Signale,
die dann zu einer genaueren Wegbeobachtung genutzt
werden können. Die Genauigkeit, d. h. die Auflösung
der Positionserkennung kann durch genau abgestimmte
Positionen der einzelnen Meßpole noch verbessert werden.
So kann beispielsweise bei Teilung des einen Meßpolschen
kelpaares in zehn Meßpolpaaren und des anderen Meßpol
schenkelpaares in neun Meßpolpaaren die Verbesserung
der Auflösung nach Art eines Nonius realisiert werden.
Diese Möglichkeit zur Steigerung der Genauigkeit oder
Sensitivität läßt sich auch bei einem einzelnen Meßpol
paar durch einen Versatz der Meßpole in Bewegungsrichtung
des Ankers gegeneinander erreichen. Hierdurch ist der
Bereich der Überschneidung der Querschnitte, in dem
der Fluß der Magnetlinie nur durch kleine Luftspalte
unterbrochen wird, stark reduziert. Somit ergibt sich
beim Vorbeiflug des Ankers ein wesentlich schärferer
Peak.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen
von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Grundaufbau der Einrichtung
Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführungsform
gem. Fig. 1
Fig. 3 eine Ausführungsform zur Betätigung
eines Gaswechselventils
Fig. 4 einen Schnitt gem. der Linie III-III
in Fig. 3
Fig. 5 eine besondere Ausführungsform für
einen Haltemagneten in einer Aufsicht
Fig. 6 einen Schnitt gem. der Linie VI-VI
in Fig. 5
Fig. 7 eine Anordnung der Meßpole zur Erhöhung
der Empfindlichkeit
Fig. 8 eine andere Ausgestaltung zur Erhöhung
der Empfindlichkeit
Fig. 9 eine weitere Ausgestaltung zur Erhöhung
der Empfindlichkeit
Fig. 10 eine Ausgestaltung der Anordnung gem.
Fig. 9
Fig. 11 eine Ausgestaltung mit nur einem
Meßpolschenkel
Fig. 12 in einer vergrößerten Teildarstellung
eine Abwandlung der Ausführungsform
gem. Fig. 11
Fig. 13, 14, 15 weitere Abwandlungen der konstruktiven
Gestaltung
Fig. 16 eine grafische Darstellung der Zuordnung
von Weg und Strom in Abhängigkeit von
der Zeit bei einem Gaswechselventil
Fig. 17 eine grafische Darstellung der Zusammen
hänge von Weg, Strom und Zeit bei einer
erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem
Meßpol
Fig. 18 eine grafische Darstellung der Zusammen
hänge von Weg, Strom und Zeit bei einer
erfindungsgemäßen Einrichtung mit zwei
Meßpolen
Fig. 19 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung
des Meßsignals für eine Einrichtung
zur Betätigung eines Gaswechselventils
Fig. 20 eine Grafik zur Erläuterung der Einstel
lung der Mittellage
Fig. 21 eine Zusatzschaltung
Fig. 22 eine in bezug auf die Mittellage einstell
bare Anordnung
Fig. 23 eine Anordnung mit einer speziellen
Meßpolgestaltung
Fig. 24 eine Schaltanordnung mit zwei gesonderten
Sensoren.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einrichtung zur
Steuerung der Ankerbewegung einer elektromagnetischen
Schaltanordnung weist einen elektrischen Haltemagneten 1
auf, der mit einer Spule 2 und einem Magnetjoch 3 ver
sehen ist. Die Polfläche 4 des Magnetjochs ist einem
Anker 5 zugekehrt, der mit einem zu betätigenden Stell
glied 6 verbunden ist. Das Stellglied 6 wird über ein
Rückstellmittel 7, beispielsweise eine Rückstellfeder
in einer Grundstellung gehalten, die durch die strich
punktierte Darstellung des Ankers 5 gekennzeichnet ist.
Die Spule 2 steht mit einer hier nicht näher dargestell
ten Stromversorgung sowie einer elektronischen Meßschal
tung in Verbindung.
Am Magnetjoch 3 sind nun zwei Meßpolschenkel 8, 9 befe
stigt, die den Anker 5 umgreifen und die mit mehreren
Meßpolen 10.1, 10.2 und 10.3 versehen sind. Die Meßpole
10 sind gegen die Außenkante des Ankers 5 gerichtet,
so daß nur ein geringer Luftspalt verbleibt. Wird nun
die Spule 2 mit Strom beaufschlagt, dann wird der Anker
5 von dem Haltemagneten 1 angezogen und bewegt sich
an den Meßpolen 10 vorbei.
Hierbei erfolgt kurzzeitig eine Erhöhung der Induktivi
tät. Hierdurch ergeben sich Spannungsauffälligkeiten
zu den Zeitpunkten des Vorbeiflugs des Ankers an den
Meßpolen, die ausgewertet werden können und mit deren
Hilfe ein Signal erzeugt werden kann, über das auf die
Schaltung zur Betätigung des Haltemagneten 1 eingewirkt
werden kann. Dies wird nachstehend noch näher erläutert
werden. Damit ist für die Einrichtung die Möglichkeit
einer zeitabhängigen Positionsrückmeldung gegeben.
Durch die Anordnung eines Permanentmagneten 11 in wenig
stens einem der Meßpolschenkel, hier im Meßpolschenkel
8, ergibt sich ein zusätzlicher Magnetkreis, der zu
einer Verstärkung des Signals führt.
Ordnet man, wie in Fig. 2 dargestellt, jeweils zwischen
den Meßpolen 10.1 und 10.2 einerseits und den Meßpolen
10.2 und 10.3 andererseits jeweils einen Permanentmagne
ten 11.1 und 11.2 an, wobei die Permanentmagneten in
ihrer Polarität entgegengesetzt orientiert sind, dann
ergibt sich die Möglichkeit, aus der wechselnden Polari
tät der gemessenen Spannung zu erkennen, an welchem
Meßpolpaar der Anker 5 sich gerade vorbeibewegt. Es
besteht natürlich auch die Möglichkeit, den Permanent
magneten 11.1 im Meßpolschenkel 8 und den Permanentmagne
ten 11.2 im Meßpolschenkel 9 anzuordnen, wobei die beiden
Permanentmagneten wiederum entgegengesetzt orientiert
und versetzt zueinander angeordnet sind. Damit ergibt
sich eine vereinfachte Bauweise. Die vorstehend beschrie
benen Änderungen in der Induktivität ergeben sich sowohl
bei der Bewegung auf den Haltemagneten 1 zu, wie auch
bei der Rückbewegung des Ankers in seine Ruheposition
unter der Einwirkung der Feder 7, so daß sowohl für
das Einschalten des Fangstroms beim Haltemagneten 1
wie auch für das Abschalten des Fangstroms bzw. des
Haltestroms am Haltemagneten 1 und damit für den Zeit
punkt des Lösens des Ankers von der Polfläche 4 die
Möglichkeit einer Beeinflussung über die exakte Positions
erkennung aus der Ankerbewegung heraus gegeben ist.
In Fig. 3 ist in einer schematischen Darstellung ein
Hauptanwendungsfall einer derartigen elektromagnetischen
Schaltanordnung dargestellt, nämlich die Betätigung
eines Gaswechselventils an einer Brennkraftmaschine.
Eine derartige Schaltanordnung weist einen als Schließer
arbeitenden Haltemagneten 1.1 und einen als Öffner arbei
tenden Haltemagneten 1.2 auf. Die Ruhestellung des
Ankers 5 befindet sich in der Mittellage zwischen den
beiden Haltemagneten 1.1 und 1.2. Der Anker 5 wird in
dieser Position durch zwei in ihrer Kraftwirkung gegen
einander gerichtete Rückstellmittel 7, beispielsweise
Rückstellfedern gehalten.
Sowohl der Haltemagnet 1.1 als auch der Haltemagnet 1.2
sind jeweils mit zwei Meßpolschenkeln 8.1 und 9.1 sowie
8.2 und 9.2 versehen, die jeweils mit entsprechenden
Meßpolen 10, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
drei Meßpolen 10 versehen sind. Die Anordnung ist hier
bei so getroffen, daß, wie in Fig. 4 dargestellt, die
innenliegenden Meßpolschenkel 8.1 und 8.2 durch eine
entsprechende Ausnehmung im Anker 5 hindurchgeführt
sind, während die Meßpolschenkel 9.1 und 9.2 den Anker
5 jeweils auf der Außenseite umgreifen.
Im Betrieb kann nun über eine entsprechende Ansteuerung
das mit dem Anker 5 verbundene Gaswechselventil 12 zwischen
den beiden Haltemagneten 1.1 und 1.2 hin- und herbewegt
werden und auch entsprechend der Ansteuerung gezielt
jeweils an dem einen oder an dem anderen Haltemagneten
für eine vorgegebene Zeit gehalten werden.
Wird nun das Gaswechselventil 12 über den Haltemagneten 1.1
in seiner Schließstellung gehalten, dann muß zum Öffnen
des Gaswechselventils der am Haltemagneten 1.1 anliegende
Haltestrom abgeschaltet werden und am Haltemagneten 1.2
der Fangstrom eingeschaltet werden, durch den der Anker 5
angezogen und das Gaswechselventil in seine Öffnungsstellung
bewegt wird. Hierbei bewegt sich der Anker 5 an den
Meßpolen der beiden Meßpolschenkelpaare vorbei, so daß
über die Spulen der Haltemagneten 1.1 und/oder 1.2 entspre
chende Signale abgegriffen werden können. Dies wird
nachstehend noch näher erläutert werden.
In Fig. 5 und 6 ist schematisch eine andere Ausgestaltungs
form für die Haltemagneten dargestellt. Während Fig. 3
einen sogenannten Topfmagneten zeigt, der aufgrund seiner
Form in dem beschränkt zur Verfügung stehenden Raum
an Brennkraftmaschinen schwierig unterzubringen ist,
zeigen
Fig. 5 und 6 eine Ausführung in Rechteckform,
die es erlaubt, verhältnismäßig große und damit auch
leistungsstarke Magneten in dem beschränkt zur Verfügung
stehenden Raum oberhalb des Zylinderkopfes der Brennkraft
maschine unterzubringen. Hierbei ist das Magnetjoch 3
in Rechteckform ausgeführt und weist zur Aufnahme der
ebenfalls rechteckig ausgebildeten Spule 2 zwei längslau
fende Nuten auf, so daß sich neben dem Vorteil in der
Dimensionierung auch eine Vereinfachung der Fertigung
ergibt. Die versetzte Anordnung der Meßpolschenkel 8 und 9
erlaubt es, den Meßpolschenkel 9 so auszubilden, daß
er sich über die gesamte Breite des Ankers 5 erstreckt,
um so selbst bei der Anordnung von schmalen Meßpolnasen,
wie sie in Fig. 8 dargestellt sind, den an sich nachtei
ligen Effekt des kleineren wirksamen Querschnitts zu
kompensieren.
Um die Genauigkeit, d. h. die Empfindlichkeit jedes
einzelnen Meßpolpaares zu steigern, ist es auch möglich,
wie in Fig. 7 dargestellt, die Meßpole 10 der beiden
Meßpolschenkel 8 und 9 höhenversetzt zueinander anzuordnen.
Hierdurch ist der Bereich der Überschneidung der Quer
schnitte, d. h. der Bereich, in dem der Fluß der Magnet
linien nur durch kleine Luftspalte unterbrochen wird,
stark reduziert, so daß sich beim Vorbeiflug des Ankers
ein wesentlich schärferer Peak ergibt.
Fig. 8 zeigt eine Ausgestaltung, bei der aus konstrukti
ven Gründen ein "dicker" Anker 5 mit Polnasen 13 versehen
ist, um so die Genauigkeit zu steigern.
Wie Fig. 9 zeigt, ergibt sich eine weitere Möglichkeit
zur Vergrößerung der Fläche unter Beibehaltung der er
reichten Empfindlichkeitssteigerung durch die Anordnung
der Meßpole 10 an den Meßpolschenkeln einerseits und
durch die Anordnung von Nasen 13 am Anker 5 andererseits
in Form einer sogenannten Kammstruktur. Mit recht feiner
Auflösung (halber Periodizität der Kammstruktur) wechseln
hierbei Bereiche mit großem Luftspalt und Bereiche mit
kleinem Luftspalt, so daß sich bei Bewegung des Ankers
kleine magnetische Widerstände mit hohen magnetischen
Widerständen abwechseln. Damit ergeben sich nun auf
dem Weg des Ankers mehrere Signale, die zu einer noch
genaueren Wegbeobachtung genutzt werden können.
Die Ausführungsform ist hierbei nicht auf die Darstellung
in Fig. 9 beschränkt. So kann die Kammstruktur in Form
eines gesonderten Meßankers unabhängig von den Ankerab
messungen und unabhängig von der konstruktiven Anordnung
des Ankers ausgelegt werden und damit auch an jedem
anderen Teil, deren Wege gemessen werden sollen, angeord
net werden. Bei der Anwendung für ein Gaswechselventil
besteht damit die Möglichkeit, beispielsweise am Ventil
schaft einen zusätzlichen Meßanker anzubringen, durch
den der Meßmagnetkreis geschlossen wird. Dadurch, daß
man nicht auf den Anker fixiert ist, kann beispielsweise
der Anker aus normalem Weicheisen (Vollmaterial) herge
stellt werden, während der Meßanker zur Reduzierung
der Wirbelströme aus geblechtem oder gesintertem Material
besteht, so daß auch bei hohen Geschwindigkeiten des
zu betätigenden Elementes die Genauigkeit der Messung
nicht durch zu lange Relaxationszeiten des Materials
beeinflußt wird.
Eine weitere Möglichkeit der Reduktion des magnetischen
Widerstandes besteht in der Reduzierung des Luftspaltes
zwischen den Meßpolen 10 und dem Anker 5. Wie Fig. 10
zeigt, können hierzu die Meßpolschenkel und ggf. auch
der Anker in den Bereichen, in denen der Magnetkreis
nicht geschlossen werden darf, mit schlechter magneti
sierbarem Material 14 gefüllt werden, wobei dann die
einander zugekehrten Flächen 15 und 16 von Anker 5 und
Meßpolschenkel 8 nach dem Einbringen des Materials maß
genau geschliffen werden.
Während in Fig. 1 und Fig. 3 eine Ausführungsform darge
stellt ist, bei der der Signalabgriff über die Spulen
der Haltemagneten selbst erfolgt, was nachstehend noch
näher beschrieben wird, ist in Fig. 11 eine Ausführung
gezeigt, bei der eine zusätzliche Induktionsspule 17
sowie ein Permanentmagnet 18 im Bereich mindestens eines
Meßpolschenkels angeordnet. Im übrigen entspricht der
Aufbau dieser Anordnung dem anhand von Fig. 2 beschriebe
nen Aufbau, so daß auf die vorstehenden Ausführungen
verwiesen werden kann. Gleiche Bauelemente sind mit
gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 11 ist nur ein Meßpolschenkel 8 vorgesehen,
der einen Meßpol 10 aufweist und an dem mit Abstand
zum Meßpol 10 der Permanentmagnet 18 befestigt ist.
Zwischen dem Permanentmagneten 18 und dem Meßpol 10
ist die Induktionsspule 17 angeordnet, die über ihre
Leitungen 19, 20 mit den Zuleitungen 21 und 22 zur Magnet
spule 2 geschaltet sind.
Bei dieser Anordnung mit Permantenerreger schließt der
Anker 5 im Vorbeiflug den Magnetkreis, der dann aus
dem Meßpolschenkel 8 und dem Permanentmagneten 18 gebildet
wird. Hierdurch steigt der magnetische Fluß durch den
Magnetkreis an. Durch diese Flußänderung wird in der
Induktionsspule 17 eine Spannung induziert. Dadurch,
daß die Induktionsspule 17 über ihre Zuleitungen 19,
20 parallel zur Spule 2 des Haltemagneten geschaltet
ist, wird die Zahl der Verbindungen zur Elektronik gering
gehalten. Der durch diesen Nebenschluß verursachte Strom
abfluß kann praktisch vernachlässigt werden, da bei
einer plötzlichen Spannungsänderung der Strom aufgrund
des induktiven Verhaltens der Spulen sich nicht plötzlich
ändert.
Fig. 12 zeigt eine Variante, bei der der Permanentmagnet 18
nicht Bestandteil des Meßpolschenkels 8 ist, sondern
in den Anker 5 eingebaut ist.
Der Vorteil beider Anordnungen besteht darin, daß die
Magnetisierung nicht erst über den Stromzufluß zu den
Spulen der Haltemagneten aufgebaut werden muß, sondern
daß bereits ein Magnetkreis vorhanden ist. Hieraus ergibt
sich ein schnelleres Ansprechverhalten und damit eine
höhere Zeitauflösung. Insbesondere bei diesen Ausführungs
formen ist es dann auch sinnvoll, die Meßpolschenkel
aus geblechtem oder gesintertem Material herzustellen,
um die Wirbelströme zu reduzieren, die einem schnellen
Feldaufbau entgegenwirken.
Fig. 13 zeigt eine weitere abgewandelte Ausgestaltung,
bei der die Magnetisierung des Ankers 5 durch eine Koppe
lung zwischen dem oberen und dem unteren Haltemagneten
für die Zeit der Vorbeibewegung des Ankers 5 an den
Meßpolen 10.1 und 10.2 stattfindet. Beaufschlagt man
beispielsweise die Spule 2 des obenliegenden Magneten
1.1 mit einem Strom, dann wird im Falle des Vorbeiflugs
des Ankers 5 der magnetische Kreis geschlossen, so daß
die Flußänderung in der Spule des dann inaktiven unteren
Magneten 1.2 eine Spannung erzeugt, die dann ausgewertet
werden kann.
In Fig. 14 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die
Magnetisierung des Ankers 5 durch ein zusätzliches
Magnetisierungsschenkelpaar 23 erfolgt. Die Messung
wird hierbei mit Hilfe von Meßschenkelpolen 24 am Halte
magneten 1.2 vorgenommen. Hierzu wird vor dem erwarteten
Vorbeiflug des Ankers 5 an den Meßpolen des Meßpolschen
kelpaares 24 ein Strom in den Haltemagneten 1.1 gespeist,
so daß sich im Anker 5 eine Magnetisierung aufbaut,
wie sie in Fig. 15 schematisch dargestellt ist. Beim
Vorbeiflug des Ankers 5 an den Meßpolen des Meßpolschen
kelspaares 24 wirkt der Anker 5 dann wie ein Dauermagnet
und sorgt für die Induktion einer Spannung in der Spule
des Haltemagneten 1.2. Diese Anordnung kann auch abge
wandelt werden, beispielsweise in der Form, wie sie
anhand von Fig. 11 beschrieben wurde.
Anhand der nachfolgenden Zeichnungen wird nun die Funktion
der Einrichtung zur Steuerung anhand des Ausführungsbei
spieles eines elektromagnetisch betätigbaren Gaswechsel
ventils beschrieben.
In Fig. 16 ist ein elektromagnetisch betätigbares Gas
wechselventil 12 üblicher Bauart dargestellt und zwar
in der Position A in Schließstellung und in Position B
in Offenstellung. Der Aufbau des Gaswechselventils ent
spricht einschließlich der elektromagnetischen Mittel
zur Betätigung dem anhand von Fig. 3 beschriebenen Aufbau,
so daß hierauf verwiesen werden kann. Bei eingeschaltetem
Spulenstrom zum Haltemagneten 1.1 wird das Ventil 12
in Schließstellung gehalten, wie in Position A dargestellt.
Wird der Haltemagnet 1.1 stromlos gesetzt und der Halte
magnet 1.2 mit Strom beaufschlagt, dann wird unter Einwir
kung der vorgespannten Feder 7.1 und des sich aufbauenden
Magnetfeldes des Haltemagneten 1.2 der Anker 5 in Richtung
auf den Haltemagneten 1.2 bewegt, so daß das Gaswechsel
ventil in die in Position B dargestellte Offenstellung
geführt wird.
Bei einer Brennkraftmaschine sind nun jeweils mindestens
ein Einlaßventil und ein Auslaßventil dem betreffenden
Zylinder zugeordnet, so daß das jeweils als Gaseinlaßventil
bzw. als Gasauslaßventil fungierende Gaswechselventil
in der vorstehend beschriebenen Weise entsprechend dem
durch die Kolbenbewegung vorgegeben Arbeitstakt bewegt
wird. Dem in Fig. 16 in Schließstellung und in Offen
stellung dargestellten Gaswechselventil 12 ist darunter
in der zugehörigen Zeitachse der Verlauf der Spulenströme
dargestellt. In der Schließstellung wird der Haltemagnet
1.1 durch den Haltestrom 1.1i beaufschlagt, so daß das
Gaswechselventil 12 am Ventilsitz gehalten wird. Um
nun das Gaswechselventil 12 in die Offenstellung zu
überführen, wird der Haltestrom 1i abgeschaltet. Bedingt
durch die Federkraft der vorgespannten Feder 7.1 beginnt
der Anker 5 mitsamt dem Gaswechselventil 12 nach einer
gewissen Klebzeit T1 sich zu bewegen. Nach Ablauf einer
bestimmten Zeit T2 nach dem Beginn der Bewegung wird
auf den Haltemagneten 1.2 ein Fangstrom 1.2i aufgegeben,
der dafür sorgt, daß der sich auf den Haltemagneten
1.2 zubewegende Anker 5 in seine untere Endlage gezogen
wird, bis die in Position B dargestellte Offenstellung
erreicht ist. Sobald der Anker 5 an der Polfläche des
Haltemagneten 1.2 anliegt, die Prellvorgänge sind hierbei
beendet, kann der Fangstrom 1.2i reduziert werden auf
ein kleineres Niveau, das sogenannte Haltestromniveau
Dies erfolgt zum Zeitpunkt T3. Der Haltestrom wird hierbei,
wie aus dem Verlauf des Stroms ersichtlich, zwischen
einem unteren und einem oberen Niveau getaktet, um den
Stromverbrauch zu reduzieren. Soll nun das Gaswechselventil
wieder geschlossen werden, wird der Haltestrom durch
die Spule des Haltemagneten 1.2 abgeschaltet, so daß
der vorstehend beschriebene Bewegungsvorgang in umgekehrter
Reihenfolge abläuft, d. h. das Gaswechselventil setzt
sich nach einer erneuten Klebzeit wiederum in Bewegung
und wird in entsprechender Weise von dem oberen Halte
magneten 1.1 gefangen und wiederum nach dem Absenken
des Fangstroms vom Haltestrom 1.1i in der Schließstellung
gehalten. Die Bewegung des Ankers 5 bzw. des Gaswechsel
ventils 12 ist unter den beiden Stromkurven 1.1i und
1.2i dargestellt.
In Fig. 16 ist nun die Anordnung mit mehreren Meßpolen
an den Meßpolschenkelpaaren dargestellt. Ausgehend von
dieser Anordnung ist nun anhand von Fig. 17 das Prinzip
dargestellt, daß die Erkennung der Ankergeschwindigkeit,
die ein Maß für die kinetische Energie des Ankers dar
stellt, ermöglicht. Weiterhin ist als Beispiel gezeigt,
wie die Verwendung der Geschwindigkeitsinformation zur
Anpassung des Fangstromniveaus verwendet werden kann.
Fig. 17 geht hierbei von der Anordnung eines Meßpoles
je Meßpolschenkel aus.
Die Kurve 25 stellt den Wegverlauf des Ankers 5 aus
der Schließstellung (obere Lage) in die Öffnungsstellung
(untere Lage) in Abhängigkeit von der Zeit t dar. Die
Meßpole 10 der beiden Meßpolschenkel 8 und 9 sind so
angeordnet, daß sie in der Mittellage des Ankers 5 zwi
schen den beiden Haltemagneten 1.1 und 1.2 angeordnet
sind. Dies ist durch die Niveaulinie 26 dargestellt.
Der Punkt S zeigt den Zeitpunkt des Durchgangs des Ankers
durch diese Mittellage. Die Kurve 27 zeigt den Spannungs
verlauf an der Schließerspule 1.1 in Abhängigkeit von
der Zeit. Der gestrichelte Verlauf zeigt den Verlauf
der Spannung entsprechend dem Haltestrom 1.1i, wie er
in Fig. 16 angedeutet ist. Sobald der Haltestrom 1.1i
abgeschaltet wird, löst sich der Anker 5 von der Pol
fläche nach einer gewissen Klebzeit. Zum Zeitpunkt des
Vorbeiflugs des Ankers 5 an der durch die Meßpole vor
gegebenen Position S ergibt sich die in der Kurve 27
gezeigte Spannungsauffälligkeit 28. Diese Spannungsauf
fälligkeit kann nun durch eine entsprechende elektroni
sche Schaltung ausgewertet werden und hieraus ein Signal
erzeugt werden, wie es beispielsweise durch den Kurven
verlauf 29 dargestellt ist. Das Signal wechselt beim
Vorbeiflug des Ankers an der Position S auf 0.
Um nun eine Aussage über die Bewegungsgeschwindigkeit
des Ankers 5 zu erhalten, mißt man über ein entsprechen
des Zeitsignal 30 die Zeit zwischen dem Abschalten des
Haltestroms und dem Durchgang des Ankers durch den Punkt
S. Dieses Zeitsignal 30 kann nun synchron und in einer
Zuordnung zum Kurbelwinkel erzeugt werden, so daß über
eine entsprechende Steuerschaltung das Abschalten des
Haltestroms am Haltemagneten 1.1 und das Einschalten
des Fangstroms am Haltemagneten 1.2 in seiner Zuordnung
zum Kurbelwinkel so verändert werden kann, daß sowohl
der Öffnungszeitpunkt als auch der Schließzeitpunkt
exakt auf die durch die Steuerschaltung vorgegebene
Betriebsbedingung eingestellt werden kann.
In Fig. 18 sind nun die Bewegungs- und Spannungsdiagramme
sowie die zugehörigen Signale für eine Anordnung darge
stellt, die jeweils zwei Meßpole an den Meßpolschenkel
paaren aufweist. Die Kurve 25 zeigt wieder den Verlauf
des Weges das Ankers 5 in Abhängigkeit von der Zeit.
Der Anker 5 bewegt sich hierbei an den beiden Meßpol
schuhen S1 und S2 vorbei, die zwischen den beiden Halte
magneten jeweils mit Abstand zueinander und mit Abstand
zu den Polflächen angeordnet sind.
Die Kurve 27 stellt wiederum den Spannungsverlauf an
der Schließerspule dar. Sie zeigt die beiden Spannungs
auffälligkeiten 28 zu den Zeitpunkten des Vorbeiflugs
des Ankers an den Meßpolen S1 und S2. Hieraus kann
wiederum das Signal 29 abgeleitet werden und zwar in
der Weise, daß es bei Vorbeiflug des Ankers an der Posi
tion S1 von "0" auf "1", und bei Vorbeiflug an der
Position S2 wieder von "1" auf "02" schaltet. In einem Integrator
wird dieses Signal nun aufintegriert. Am Ausgang des
Integrators ergibt sich somit der Signalverlauf 31.
Der Endwert 33 dieses Signals ist proportional zu der
vom Anker für die Strecke S1 bis S2 benötigten Zeit
und ist somit umgekehrt proportional zur mittleren Ge
schwindigkeit des Ankers auf dieser Strecke.
Je langsamer der Anker ist, umso mehr Energie muß dem
als Öffner fungierenden Haltemagneten 1.2 zugeführt
werden, um den Anker auf der Öffnungsseite sicher zu
fangen. Um die Energiezufuhr abhängig von der Geschwin
digkeit zu erhöhen, hat man nun zwei Möglichkeiten.
Entweder man schaltet den Fangstrom am Haltemagneten
1.2 zu einem früheren Zeitpunkt ein oder, wie in der
Kurve 32 dargestellt, man erhöht das Fangstromniveau
um einen Betrag, der von der Geschwindigkeit abhängig
ist. Der Fangstrom steigt dann bis zu einem Niveau 34,
das im einfachsten Fall proportional zu der erreichten
Spannung 33 ist und damit proportional zur "Langsamkeit"
des Ankers ist.
Die notwendige Erhöhung des Fangstrom Δi kann auch
aus der Differenz der Stromverlaufskurve 31 und einem
Offset U₀ berechnet werden, so daß bei einer Einhaltung
bestimmter Geschwindigkeiten (U < U₀ TS < T V < V₀)
keine Erhöhung des Fangstromniveaus erfolgt.
Die Ermittlung des Geschwindigkeitssignals ist keineswegs
auf die hier beschriebene Methode begrenzt. So kann
die Geschwindigkeitsinformation auch direkt aus der
Höhe des Spannungspeaks 28 der Kurve 27 errechnet werden,
da die Spannung der Feldänderung proportional ist und
damit umso größer, je höher die Vorbeifluggeschwindigkeit
ist. Auch ist alternativ zur Auswertung eines Spannungs
signals an der Spule die Auswertung von Stromsignalen
möglich.
Die Einhaltung des Auftreffzeitpunktes ist für bestimmte
Steuerereignisse, beispielsweise das Öffnen oder Schließen
des Gaseinlaßventils, von herausragender Bedeutung.
Durch Kenntnis des Auftreffzeitpunktes kann eine Regelung
auf den Auftreffzeitpunkt erfolgen. In gewissen Grenzen
ist sogar eine Korrektur des bevorstehenden Auftreffzeit
punktes möglich und zwar dadurch, daß der Fangstrom
bei erwartetem zu frühen Auftreffen noch reduziert wird
und entsprechend umgekehrt. In einer weiteren Variante
kann die Ermittlung der Vorbeiflugzeitpunkte auch aus
den bereits stromdurchflossenen, "fangenden" Spule
erfolgen. Vor dem Einschalten des eigentlichen Fang
stromes kann bereits ein Meßstrom durch die Spule ge
schickt werden. Auch während der Fangstrom bereits fließt,
kann noch eine Auswertung der Vorbeiflugzeitpunkte bei
spielsweise dadurch erfolgen, daß der Fangstrom vor
dem erwarteten Vorbeiflug des Ankers zum Beispiel an
der Position S2 linear geregelt wird, wie dies in der
Kurve 32 innerhalb des Zeitbereiches TS gezeigt ist,
so daß eine Auswertung der Spulenspannung erfolgen kann.
Alternativ hierzu ist eine Erfassung von Abweichungen
im Stromverlauf möglich, wie generell die Auswertung
an Strömen anstelle der Spannungen möglich ist.
Die in Fig. 18 dargestellten und beschriebenen Kurven
verläufe ermöglichen auch ein Steuerungsverfahren, das
nicht auf die Anwendung der beschriebenen Ausführungs
formen beschränkt ist. Aufgrund der Tatsache, daß zwi
schen den beiden einander gegenüberliegenden Haltemagne
ten wenigstens zwei Meßpunkte vorhanden sind, über die
der jeweilige Vorbeiflugzeitpunkt des Ankers erfaßt
werden kann, ergibt sich auch die Möglichkeit für andere
schaltungstechnische Ausbildungen. So können diskrete
Sensoren anstelle der mit den Haltemagneten verbundenen
Meßpole vorgesehen werden, über die bei jeder Ankerbewe
gung nacheinander die Ist-Zeitpunkte des Vorbeifluges
des Ankers erfaßt werden können, wobei über die Sensoren
dann jeweils zum Zeitpunkt des Vorbeifluges S1 und S2
ein entsprechendes Signal abgegeben wird. Gibt man nun
über die Steuerungseinrichtung Soll-Zeitpunkte für den
Vorbeiflug in S1 und S2 vor und werden über die Sensoren
beim Vorbeiflug des Ankers Signale abgegeben, die genau
den Soll-Zeitpunkten entsprechen, dann ist keine Änderung
der Ansteuerung des haltenden Elektromagneten für die
Abschaltung der Stromversorgung und eine Änderung der
Ansteuerung des fangenden Magneten für die Einschaltung
des Fangstromes erforderlich. Ergibt sich jedoch aus
dem Ist-Soll-Vergleich eine Abweichung, dann muß entspre
chend der Abweichung der Zeitpunkt des Abschaltens des
Stromes am haltenden Magneten und der Zeitpunkt des
Einschaltens des Stromes am fangenden Magneten entspre
chend verändert werden. Da auch die Soll-Zeitdifferenz
TS zwischen dem Vorbeiflug an S1 und an S2 vorgebbar
ist und damit also die Soll-Geschwindigkeit für den
Anker einerseits und die Ist-Geschwindigkeit für den
Anker andererseits erfaßt werden kann, besteht darüber
hinaus auch die Möglichkeit, über die Steuereinrichtung
nicht nur den Anschaltzeitpunkt für den fangenden Elektro
magneten zu verändern sondern auch die Stromstärke und
damit das Magnetfeld des fangenden Magneten zu verändern,
so daß insgesamt die vorgegebene Gesamtbetätigungszeit
eingehalten wird. Der Auslösezeitpunkt bzw. die jeweili
gen Soll-Zeitpunkte können beispielsweise bei einem
Verbrennungsmotor über ein vom Drehwinkel der Kurbelwelle
abhängiges Signal bestimmt werden.
Das vorbeschriebene Verfahren kann nun, wie sich aus
der vorstehenden Beschreibung ergibt, mit Einrichtungen
durchgeführt werden, wie sie anhand der vorstehenden
Figuren ausführlich beschrieben sind. Die Durchführung
des Verfahrens ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
Eine andere Art der Schaltungsanordnung ist in Fig. 24
dargestellt. Die schematische Darstellung zeigt eine
Schaltanordnung, die zwei Elektromagneten 1.1 und 1.2
aufweist, zwischen denen ein Anker 5 durch wechselseitig
gesteuertes An- und Abschalten der Stromversorgung der
Elektromagneten 1.1 und 1.2 hin- und herbewegbar ist.
Dem Anker 5 sind zwei Sensoren 52 und 53 zugeordnet,
über die bei jeder Ankerbewegung zwischen dem Elektro
magneten 1.1 und 1.2 und umgekehrt zweimal nacheinander
der Ist-Zeitpunkt des Vorbeifluges erfaßt werden kann.
Die von den Sensoren 52 und 53 ausgelösten Signale werden
an eine Steuereinrichtung 54 weitergeleitet, in der
entsprechend einem vorgegebenen Steuerprogramm, das
über eine externe Eingabe 55, beispielsweise eine elektro
nische Motorsteuereinrichtung, hinsichtlich der vorgegebe
nen Soll-Zeiten auch noch variabel ist. Die Zeitpunkte
für die An- und Abschaltung sowie die Steuerung der
Stromstärke des jeweils fangenden Magneten werden dann
aus dem Soll-Ist-Vergleich der über die Sensoren 52
und 53 erfaßten Ist-Werte mit den über die Steuereinrich
tung 54 jeweils vorgegebenen Soll-Werte abgeleitet und
die Elektromagneten 1.1 und 1.2 entsprechend angesteuert.
Die Beschreibung zu Fig. 24 zeigt, daß bei der Verwendung
von wenigstens zwei Sensoren bei jeden Vorbeiflug des
Ankers 5 jeweils wenigstens zwei Signale erzeugt werden,
aus denen dann unmittelbar ein Soll-Ist-Vergleich über
die vorgegebenen Vorbeiflugzeitpunkte oder aber eine
Umrechnung über die tatsächliche Vorbeifluggeschwindig
keit und damit ein Vergleich mit einer vorgegebenen
Soll-Vorbeifluggeschwindigkeit möglich ist. Damit beinhal
tet die Erfindung auch ein allgemeines Verfahren zur
Steuerung derartiger Schaltanordnungen, die nicht auf
die erfindungsgemäße konstruktive Ausgestaltung einer
derartigen Anordnung beschränkt ist, sondern darüber
hinaus geht. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin,
daß während der jeweiligen Ankerbewegung über die Zeit
erfassung durch wenigstens zwei vorgegebene Positionen
zwischen den beiden Haltemagneten eine exakte Ist-Zeiter
fassung möglich ist, die unabhängig von etwaigen Kleb
zeiten ist. Während bei den herkömmlichen Verfahren
und bei Verfahren mit nur einem Positionssensor zwischen
den beiden Haltemagneten lediglich der Zeitpunkt der
Stromabschaltung und der Zeitpunkt des Vorbeifluges des
Ankers am Sensor erfaßt werden kann, die Klebzeit also
undefiniert immer im Ergebnis der Zeiterfassung vorhanden
ist, gibt dieses erfindungsgemäße Verfahren die Möglich
keit, in Verbindung mit dem Zeitpunkt der Abschaltung
des Haltestroms über die zweifache Positionserfassung
bzw. über die Erfassung des Ist-Wertes von zwei Zeitpunkten
an vorgegebenen Positionen während des Vorbeifluges
nahezu exakte Aussagen über die tatsächlichen Klebzeiten
zu machen. Für einen Steuervorgang ist dies an sich
jedoch ohne Belang, da es lediglich darauf ankommt,
aufgrund der beiden gemessenen Ist-Zeiten des Vorbeifluges
im Vergleich zu vorgegebenen Soll-Zeiten des Vorbeifluges
den Abschaltzeitpunkt jeweils zu verschieben.
Dies gilt in gleicher Weise, wie vorstehend ausführlich
anhand von Fig. 17 und 18 erläutert, auch für das Ein
schalten des Fangstroms und ggf. für die Steuerung der
Stärke des Fangstroms, da über die Ansteuerung der Fang
stromstärke, ausgehend von den über die beiden Sensoren
52, 53 erfaßten tatsächlichen Vorbeiflugzeitpunkten,
eine Beschleunigung oder eine Verlangsamung der Anker
bewegung notwendig ist. Dies ist beispielsweise für
die Einhaltung des exakten Schließzeitpunktes eines
Gaswechselventils von Bedeutung, wobei auch hier über
Verschiebungen des Schließzeitpunktes über eine Steuerung
der Stromstärke möglich sind.
Ausgehend von den Darstellungen in Fig. 16 sowie den
Diagrammen gem. Fig. 17 und 18 wird nun anhand von Fig.
19 eine Schaltung näher erläutert, die die Positionser
kennung und die Schaltung der Haltemagneten 1.1 und
1.2 in Verbindung mit einer übergeordneten, hier nicht
näher erläuterten Steuerschaltung für den gesamten Motor
ermöglicht.
Die in Fig. 19 dargestellte Schaltung ist jedem zu betäti
genden Gaswechselventil zugeordnet und steht über den
Signaleingang 35 mit der übergeordneten Gesamtsteuerschal
tung in Verbindung, in der die übrigen Betriebsdaten
verwertet werden, wie beispielsweise Drehzahl, Motortempe
ratur, Stellung des Gaspedals, Kurbelwinkel und weitere
betriebsrelevante Daten verarbeitet werden. Soll nun
das betreffende Gaswechselventil betätigt werden, im
vorliegenden Fall geöffnet werden, dann liegt am Eingang 35
der Schaltung ein Ventilsteuersignal an, das hier schema
tisch als Rechtecksignal dargestellt ist. Die Vorderflanke
dieses Signals leitet den Öffnungsvorgang und seine
Rückflanke den Schließvorgang des Ventils ein. Hierzu
wird über einen Vorderflankendetektor 36 und ein Verzöge
rungsglied 37 mit variabler Verzögerung ein Kommando
zum Abschalten des Haltestroms in der Spule des als
Schließer fungierenden Haltemagneten 1.1 erzeugt und
an die Endstufe 38 weitergeleitet. Diese Endstufe schaltet
den Strom durch die Spule des Schließermagneten 1.1
ab und zwar bis auf einen geringen Meßstrom, der durch
eine zusätzliche Stromquelle 39 erzeugt wird. Bei Vorbei
flug des Ankers an einem Meßpol (Position S1 in der
Wegkurve von Fig. 18) wird eine Spannungsänderung an
der Spule des Schließmagneten 1.1 verursacht, die in
einem Positionsdetektor 40 ausgewertet wird. Der Ausgang
41 des Positionsdetektors 40 ist auf die Endstufe 42 des
Öffnermagneten 1.2 aufgeschaltet und bewirkt hierüber
das Einschalten des Fangstroms für die Spule des Öffner
magneten 1.2. Sobald nun der Anker an der Position S2
eines zweiten Meßpoles verfliegt, wird ein zweiter Ausgang
43 des Positionsdetektors 40 aktiviert. Nach einer Verzö
gerung durch ein Zeitglied 44 schaltet die Öffnerendstufe
durch das Ausgangssignal 45 auf den gegen
über dem Fangstrom reduzierten Haltestrom um, wie dies
anhand von Fig. 16 für die Position B nach Ablauf der
Zeit T3 beschrieben ist. Die Verzögerungszeit des Verzöge
rungsgliedes 44 wird so gewählt, daß der Anker zum Zeit
punkt des Umschaltens auf den Haltestrom sicher an der
Polfläche des Öffnermagneten 1.2 angekommen ist.
Über den Positionsdetektor 40 wird weiterhin ein Signal 46
erzeugt, das zur Kompensation von Klebzeiten am Schließ
magneten 1.1 dient. Hierzu vergleicht der Positionsdetek
tor 40 das Signal des Vorderflankendetektors 36 mit
einem der im Vorbeiflug erfaßten Ankerpositionssignal 28
(Fig. 18). Erfolgt das Signal für den Vorbeiflug des
Ankers an einem der Meßpole in bezug auf die Vorderflanke
des Ventilbetätigungssignals später als vorgegeben,
dann erfolgt eine Korrektur der Verzögerungszeit. Somit
wird ein Regelkreis zur Ausregelung von wechselnden
Klebzeiten gebildet. Die Vorgänge für den Schließvorgang
verlaufen nun analog spiegelbildlich. Hierzu ist in
der Schaltung ein Rückflankendetektor 36.1, ein Verzöge
rungsglied 37.1 sowie ein Positionsdetektor 40.1 für
den Öffner mit entsprechenden Signalen 41.1, 43.1 und
46.1, die entsprechend auf das Verzögerungsglied 37.1
sowie ein Verzögerungsglied 44.1 aufgeschaltet sind.
Auch die Spule des Öffnermagneten 1.2 steht mit der
Meßstromquelle 39 über eine entsprechende Schaltung
oder aber mit einer eigenen Meßstromquelle 39.1 in Verbin
dung.
Die Messung der Induktivität der Spulen der Haltemagneten
kann, zumindest bei langsamen Ankerbewegungen oder bei
ruhendem Anker durch eine überlagerte Einspeisung eines
hochfrequenten. Stromes erfolgen, und zwar unter Zuhilfenahme
einer Meßbrücke oder durch eine Reaktanzmessung. Bei
einer Anordnung entsprechend Fig. 3 mit Öffner- und
Schließmagneten kann man mit Hilfe einer solchen Messung
bei ruhendem Anker eine Information über die korrekte
Einstellung der Mittellage des Ankers in bezug auf die
beiden Polflächen der Haltemagneten ableiten. Hierbei
ist eine Verbesserung der Genauigkeit erreichbar, wenn
man den Anker in Schwingungen um die Mittellage versetzt.
Eine Möglichkeit, die entstehenden Signale auszuwerten,
ist die Ermittlung des Zeitabstandes zwischen zwei festge
stellten Vorbeiflügen des Ankers an den Meßpolen. Dies
ist in Fig. 20 dargestellt. Die Mittellage muß nun mecha
nisch solange verstellt werden, bis der Wert von T1
und T2 gleich ist. In Fig. 22 ist eine Anordnung entspre
chend Fig. 3 dargestellt, bei der über ein Stellmittel
51 die Mittellage des mit dem Gaswechselventil 12 ver
bundenen Ankers 5 in bezug auf die Polflächen der beiden
Haltemagneten 1.1 und 1.2 einjustiert werden kann.
Eine weitere Variante zur Mittellagenbestimmung besteht
dann, wenn mehrere Meßpole je Meßpolschenkelpaar vorhan
den sind und die Meßpole jeweils mit Abstand symmetrisch
zur theoretischen Mittellage angeordnet sind. Der Anker
wird solange zum Schwingen angeregt, bis die Schwingungs
amplitude ausreicht, bei beiden Meßpolen ein Signal
zu verursachen. Die zeitliche Breite der Signale muß
nun wieder durch Verstellung der Mittellagen abgeglichen
werden. Naturgemäß kann dieses Verfahren auch bei anderen
Ruhelagen des Ankers angewendet werden, wenn diese aus
verfahrensbedingten Gründen nicht in der Mitte zwischen
den beiden Polflächen der Magneten liegen soll.
Meßpolschenkel mit Meßpolen, die außerhalb der Mittellage
angebracht sind, also jeweils gegen den zugehörigen
Haltemagneten zurückgesetzt sind, wie in Fig. 22 ebenfalls
dargestellt, können auch den "Startvorgang" für das
Stellglied 12 erleichtern. Zum einen kann bei der Ein
speisung der größeren Ströme in den jeweiligen Halte
magneten eine zusätzliche Kraft auf den Anker bereits
in einer Position aufgebracht werden, in der der Abstand
zu den eigentlichen Polflächen noch zu groß ist, um
mit dem "normalen" Betriebsstrom die Federkraft von
dort aus zu überwinden. Die hierzu erforderlichen Strom
stärken müssen gegenüber dem Betriebsstrom nur gering
fügig erhöht werden. Zum anderen kann mit Hilfe der
Positionsbestimmung des Ankers der beste Zeitpunkt zum
Einschalten und/oder Umschalten der Stromzufuhr zu den
Spulen ermittelt werden, um ein wirksames Anschwingen
zu ermöglichen.
Bei Verwendung eines linearisierten Ausgangssignals
für den Weg können mit Hilfe von Komparatorschaltungen
bestimmte Ereignisse, beispielsweise das Einschalten
des Fangstroms ausgelöst werden. In Fig. 23 ist schema
tisch eine Ausgestaltung dargestellt, die es erlaubt,
linearisierte Ausgangssignale für den Weg zu erzeugen.
In Fig. 23 ist eine Abwandlung der schematischen Anord
nung gem. Fig. 1 dargestellt, so daß auf die zugehörige
Beschreibung verwiesen werden kann. Die Anordnung ist
gegenüber Fig. 1 insoweit abgewandelt, daß die beiden
Meßpolschenkel 8 und 9 jeweils mit einem oder auch
mehreren Meßpolen 10 versehen sind, deren dem Anker
5 zugekehrte Polflächen, bezogen auf die Bewegungsrichtung,
eine geneigte Ausrichtung zur Bildung eines konturierten
Luftspaltes aufweisen. Die Neigung der Polflächen, die
hierbei nicht ebenflächig bzw. geradlinig ausgebildet
zu sein brauchen, wird so ausgebildet, daß das hieraus
ableitbare Ausgangssignal einen im wesentlichen linearen
Verlauf aufweist.
Wird in der wie in Fig. 21 unten gezeigten Schaltung
eine Spannung U1 vom Wegsignal überschritten, so wird
der Ausgang eines Komparators 47 vom Pegel "0" auf den
Pegel "1" umgeschaltet und somit das Einschalten des
Fangstroms in der Endstufe 38 oder 42 bewirkt. Dies
ist in der Spannungskurve U₄₇ dargestellt.
Ein zweiter Komparator 48 wechselt bei einem Überschreiten
einer zweiten Spannung U2 seinen Ausgangszustand vom
Pegel "0" auf den Pegel "1". Über ein Verzögerungs
glied 49 wird ein um eine Zeit T verzögertes Signal
50 erzeugt, das der zugehörigen Endstufe der Spule des
entsprechenden Haltemagneten zugeführt wird und für
eine Rückschaltung des Stroms auf Haltestromniveau sorgt.
Die jeweiligen Spannungskurven sind mit den Bezugszeichen
der zugehörigen Integratoren dargestellt. Das um T ver
zögerte Signal 50 ist direkt gekennzeichnet. Darunter
ist der Verlauf des Spulenstroms I dargestellt, der
das Ansteigen bis zu einem Niveau des Fangstroms und
nach Ablauf der Zeit T das Absinken auf das Niveau des
Haltestroms darstellt, wobei der Haltestrom, wie eben
falls dargestellt, während der Haltezeit getaktet wird.
Claims (19)
1. Einrichtung zur Steuerung der Ankerbewegung einer
elektromagnetischen Schaltanordnung, mit einem Anker
(5), mit wenigstens eine auf den Anker (5) einwirkenden
Rückstellmittel (7) und mit wenigstens einem elektrischen
Haltmagneten (1.1; 1.2), der eine Spule (2) und ein
Magnetjoch (3) aufweist, dessen Polfläche (4) dem Anker
(5) zugekehrt ist und das mit wenigstens einem Meßpol
schenkel (8, 9) versehen ist, der wenigstens einen dem
Anker (5) zugeordneten Meßpol (10) aufweist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßpolschenkel (8, 9) die Polfläche (4) in Rich
tung auf den Anker (5) überragt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Meßpolschenkel (8, 9) wenigstens zwei Meßpole
(10.1, 10.2) aufweist, die in Bewegungsrichtung des
Ankers (5) mit Abstand zueinander angeordnet sind und
gegen den Anker (5) gerichtet sind.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Meßpolschenkel (8, 9) mit wenig
stens einem Permanentmagneten (11) versehen ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Meßpolschenkel (8, 9) mit wenig
stens zwei Permanentmagneten (11.1, 11.2) versehen ist,
die jeweils zwischen zwei aufeinander folgenden Meßpolen
(10.1, 10.2, 10.3) angeordnet sind und die in ihrer
Polarität gegeneinander gerichtet sind.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß am Meßpolschenkel (8, 9) jeweils
die Zwischenräume zwischen den aufeinanderfolgenden
Meßpolen (10) mit einem schlecht magnetisierbaren Material
(14) ausgefüllt sind.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Meßpolschenkel (8) mit wenigstens
zwei Meßpolen (10.1, 10.2) versehen ist, daß jeweils
zwischen zwei Meßpolen (10.1, 10.2) am Meßpolschenkel
(8) eine Induktionsspule (17) angeordnet ist und daß
ein Permanentmagnet (18) vorgesehen ist, durch den aus
dem Anker (5), dem Meßpolschenkel (8) und dem Meßpol
(10) ein Magnetkreis gebildet wird.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anker (5) an seiner dem Meßpol
schenkel (8, 9) zugekehrten Seite mit wenigstens einer
Polnase (13) versehen ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anker (5) mit mehreren Polnasen
(13) und der Meßpolschenkel (8) mit mehreren Meßpolen
(10) versehen ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (3) mit zwei parallelen
Meßpolschenkeln (8, 9) versehen ist, die den Anker (5)
klauenartig umgreifen und deren Meßpole (10) gegen den
Anker (5) gerichtet sind.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß - bezogen auf die Bewegungsrichtung
des Ankers (5) - der Meßpol (10) des einen Meßpolschenkels
(8) gegenüber dem Meßpol (10) des anderen Meßpolschenkels
(9) versetzt angeordnet ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei mit ihren Polflächen (4) gegenein
ander gerichtete elektrische Haltemagneten (1,1, 1.2)
vorgesehen sind, zwischen den der Anker (5) hin- und
herbewegbar geführt ist und daß jeder Haltemagnet (1.1, 1.2)
mit wenigstens einem Meßpolschenkel (8, 9) versehen
ist.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß beide Haltemagneten (1.1,
1.2) neben den Meßpolschenkeln (8, 9) jeweils wenigstens
zwei mit ihrem Magnetjoch verbundene Magnetisierungs
schenkel (23) aufweisen, deren Polspitzen quer zur
Bewegungsbahn des Ankers (5) ausgerichtet sind und daß
eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die mit einer
Stromversorgung in Verbindung steht, die während der
Bewegung des Ankers (5) gegen den jeweils fangenden
Haltemagneten die Spule des lösenden Haltemagneten mit
einem Erregerstrom beaufschlagt.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (3) mit der Spule
(2) und der Anker (5) eckig, vorzugsweise rechteckig
ausgebildet sind.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anordnung mit Stellmitteln (51)
versehen ist, durch die der Anker (5) relativ zum Halte
magneten (1) in Ruhestellung einstellbar ist.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß, bezogen auf die Ruhestellung des
Ankers (5), die Meßpolschenkel (8; 9) mit ihren Meßpolen
(10) jeweils gegen den zugehörigen Haltemagneten (1.1, 1.2)
zurückgesetzt ist.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß jeweils die dem Anker (5) zugekehrte
Polfläche des Meßpols (10), bezogen auf die Bewegungsrich
tung, eine geneigte Ausrichtung zur Bildung eines kontu
rierten Luftspaltes aufweist.
18. Verfahren zur Steuerung der Ankerbewegung an einer
elektromagnetischen Schaltanordnung mit zwei Elektromagne
ten, zwischen denen ein Anker durch wechselseitiges
gesteuertes An- und Abschalten der Stromversorgung der
Elektromagneten hin- und herbewegbar geführt ist, insbe
sondere unter Verwendung eine Einrichtung gem. den An
sprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder
Ankerbewegung wenigstens zweimal nacheinander die
Ist-Zeitpunkte des Vorbeifluges des Ankers erfaßt und mit
vorgebbaren Soll-Zeitpunkten verglichen werden und daß
in Abhängigkeit von festgestellten Abweichungen der
Abschaltzeitpunkt der Stromversorgung des jeweils lösen
den Elektromagneten und der Anschaltzeitpunkt und/oder
die Stärke der Stromversorgung des jeweils fangenden
Elektromagneten gesteuert wird.
19. Verfahren zur Einjustierung der Mittellage des Ankers
einer elektromagnetischen Schaltanordnung mit zwei Elek
tromagneten, zwischen denen ein Anker durch wechselseiti
ges gesteuertes An- und Abschalten der Stromversorgung
hin- und herbewegbar geführt ist, insbesondere zur Ver
wendung einer Einrichtung gem. den Ansprüchen 1 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker in Schwingun
gen versetzt wird, die Null-Durchgänge der Weg-Zeit-
Kurve bei der gegebenen Ruheeinstellung des Ankers
zwischen den Magneten erfaßt und die Ruheeinstellung
so verstellt wird, daß die Null-Durchgänge gleiche Zeit
abstände zueinander aufweisen.
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