DE19518056B4

DE19518056B4 - Einrichtung zur Steuerung der Ankerbewegung einer elektromagnetischen Schaltanordnung und Verfahren zur Ansteuerung

Info

Publication number: DE19518056B4
Application number: DE19518056A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.-Ing. Schmitz; Martin Dr.-Ing. Pischinger; Hans Dipl.-Ing. Kemper
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1995-05-17
Filing date: 1995-05-17
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2015-05-18
Also published as: DE19518056A1; US6081413A; US5818680A

Abstract

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 Meßpolschenkel (8, 9) versehen ist, der wenigstens einen dem Anker (5) zugeordneten Meßpol (10) aufweist.

Description

Bei einer elektromagnetischen Schaltanordnung ist es bei vielen Anwendungsfällen vorteilhaft, die Bewegung des Ankers zu erfassen, um auf diese Weise den Haltemagneten gezielt ansteuern zu können.

Derartige elektromagnetische Schaltanordnungen werden beispielsweise eingesetzt zur Steuerung der Gaswechselventile an Brennkraftmaschinen, um hier eine anpassungsfähige Steuerung für das Ein- und Ausströmen des Arbeitsmediums 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, beispielsweise 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 Gaswechselventile wünschenswert. Eine derartige elektromagnetische Schaltanordnung für Gaswechselventile ist beispielsweise aus DE 30 24 109 A1 bekannt.

Ein wesentliches Problem bei der Steuerung derartiger elektromagnetischer Schaltanordnungen stellt die erforderliche Zeitgenauigkeit dar, die insbesondere bei einer Steuerung der Motorleistung für die Einlaßventile erforderlich ist. Eine genaue Steuerung der Zeiten wird durch fertigungsbedingte Toleranzen, im Betrieb auftretende Verschleißerscheinungen sowie durch unterschiedliche Betriebszustände, beispielsweise wechselnde Lastanforderungen 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 beispielsweise der Größe des Luftspaltes, der Kraft des Rückstellmittels, in der Regel mechanische Federn und bei der Gaswechselventilen dem Gasgegendruck. Neben den nicht zu vermeidenden Fertigungstoleranzen bewirken bei elektromagnetisch 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 jeweiligen Betriebszustand ab. Durch eine Erfassung der Ankerposition während seiner Bewegung zwischen den beiden Haltemagneten wäre eine Kompensation der genannten Einflüße möglich. Dies könnte beispielsweise durch einen zwischen den beiden Haltemagneten angeordneten Wegsensor erfolgen, der – bezogen auf die Steuerzeiten – den Vorbeiflug 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 Kontaktstellen, die die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems beeinträchtigen.

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 0 264 706 A1 ) 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 Schaltanordnungen zur Betätigung von Gaswechselventilen vorgeschlagen ( EP 0 405 189 A1 ), 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 0 405 189 A1 vorgeschlagen, noch die in EP 0 264 706 A1 angegebenen recherischen Methoden den Genauigkeitsanforderungen genügen, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die eine Erkennung der Ankerbewegung durch Erkennen von beliebigen Ankerpositionen mit einer verbesserten Sensorik ermöglicht.

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 Rückstellmittel und mit wenigstens einem elektrischen Haltemagneten, der eine Spule und ein Magnetjoch aufweist, dessen Polfläche 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 Mcßpolen 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 Haltemagneten entsprechend früher oder später mit Strom beaufschlagt 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 Meßsignals 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 Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß nur ein Meßpolschenkel 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 Vorbeibewegung des Ankers erzeugte Signal noch verstärkt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß der Meßpolschenkel mit wenigstens zwei Permanentmagneten versehen ist, die jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden 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 aufeinanderfolgenden Meßpolen mit einem schlechtmagnetisierbaren 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 Magnetkreis 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, dabei 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 Meßpolschenkel zugekehrten Seite mit wenigstens einer Polnase versehen ist. Hierdurch ist eine Steigerung der Genauigkeit insbesondere bei einem "dicken" Anker möglich. Um den Effekt des kleineren wirksamen Querschnitts zu kompensieren, 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 Beibehaltung der erreichten Empfindlichkeitssteigerung, sondern auch eine recht feine Auflösung, da mit halber Periodizität 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, das heißt die Auflösung der Positionserkennung kann durch genau abgestimmte Positionen der einzelnen Meßpole noch verbessert werden. So kann beispielsweise bei Teilung des einen Meßpolschenkelpaares in zehn Meßpolpaare und des anderen Meßpol schenkelpaares in neun Meßpolpaare die Verbesserung der Auflösung nach Art eines Nonius realisiert werden. Diese Möglichkeit zur Steigerung der Genauigkeit oder Sensitivität läßt sich auch bei einem einzelnen Meßpolpaar durch einen Versatz der Meßpole in Bewegungsrichtung des Ankers gegeneinander erreichen. Hierdurch ist der Bereich der Überschneidung der Querschnitte, in dem der Fluß der Magnetlinien 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 erläuert. Es zeigen
1 den Grundaufbau der Einrichtung,
2 eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 1,
3 eine Ausführungsform zur Betätigung eines Gaswechselventils,
4 einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV in 3,
5 eine besondere Ausführungsform für einen Haltemagneten in einer Aufsicht,
6 einen Schnitt gemäß der Linie VI-VI in 5,
7 eine Anordnung der Meßpole zur Erhöhung der Empfindlichkeit,
8 eine andere Ausgestaltung zur Erhöhung der Empfindlichkeit,
9 eine weitere Ausgestaltung zur Erhöhung der Empfindlichkeit,
10 eine Ausgestaltung der Anordnung gemäß 9,
11 eine Ausgestaltung mit nur einem Meßpolschenkel,
12 in einer vergrößerten Teildarstellung eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 11,
13, 14, 15 weitere Abwandlungen der konstruktiven Gestaltung,
16 eine grafische Darstellung der Zuordnung von Weg und Strom in Abhängigkeit von der Zeit bei einem Gaswechselventil,
17 eine grafische Darstellung der Zusammenhänge von Weg, Strom und Zeit bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Meßpol,
18 eine grafische Darstellung der Zusammenhänge von Weg, Strom und Zeit bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit zwei Meßpolen,
19 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung des Meßsignals für eine Einrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils,
20 eine Grafik zur Erläuterung der Einstellung der Mittellage,
21 eine Zusatzschaltung,
22 eine in bezug auf die Mittellage einstellbare Anordnung,
23 eine Anordnung mit einer speziellen Meßpolgestaltung und
24 eine Schaltanordnung mit zwei gesonderten Sensoren.
Die in 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 versehen ist. Die Polfläche 4 des Magnetjochs ist einem Anker 5 zugekehrt, der mit einem zu betätigenden Stellglied 6 verbunden ist. Das Stellglied 6 wird über ein Rückstellmittel 7, beispielsweise eine Rückstellfeder in einer Grundstellung gehalten, die durch die strichpunktierte Darstellung des Ankers 5 gekennzeichnet ist. Die Spule 2 steht mit einer hier nicht näher dargestellten Stromversorgung sowie einer elektronischen Meßschaltung in Verbindung.
Am Magnetjoch 3 sind nun zwei Meßpolschenkel 8, 9 befestigt, 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 Induktivität. 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 11.1 bis 11.2 in wenigstens einem der Meßpolschenkel, hier im Meßpolschenkel 8, ergibt sich ein zusätzlicher Magnetkreis, der zu einer Verstärkung des Signals führt.
Ordnet man, wie in 2 dargestellt, jeweils zwischen den Meßpolen 10.1 und 10.2 einerseits und den Meßpolen 10.2 und 10.3 andererseits jeweils einen Permanentmagneten 11.1 und 11.2 an, wobei die Permanentmagneten in ihrer Polarität entgegengesetzt orientiert sind, dann ergibt sich die Möglichkeit, aus der wechselnden Polarität der gemessenen Spannung zu erkennen, an welchem Meßpolpaar der Anker 5 sich gerade vorbeibewegt. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, den Permanentmagneten 11.1 im Meßpolschenkel 8 und den Permanentmagneten 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 beschriebenen 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, 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 Zeitpunkt des Lösens des Ankers von der Polfläche 4 die Möglichkeit einer Beeinflussung über die exakte Positionserkennung aus der Ankerbewegung heraus gegeben ist.
In 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 arbeitenden 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 gegeneinander gerichtete Rückstellmittel 7, beispielweise 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 hierbei so getroffen, daß, wie in 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 Haltemagneren 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 entsprechende Signale abgegriffen werden können. Dies wird nachstehend noch näher erläutert werden.
In 5 und 6 ist schematisch eine andere Ausgestaltungsform für die Haltemagneten dargestellt. Während 3 einen sogenannten Topfmagneten zeigt, der aufgrund seiner Form in dem beschränkt zur Verfügung stehenden Raum an Brennkraftmaschinen schwierig unterzubringen ist, zeigen 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 Brennkraftmaschine unterzubringen. Hierbei ist das Magnetjoch 3 in Rechteckform ausgeführt und weist zur Aufnahme der ebenfalls rechteckig ausgebildeten Spule 2 zwei längslaufende 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 8 dargestellt sind, den an sich nachteiligen Effekt des kleineren wirksamen Querschnitts zu kompensieren.
Um die Genauigkeit, das heißt die Empfindlichkeit jedes einzelnen Meßpolpaares zu steigern, ist es auch möglich, wie in 7 dargestellt, die Meßpole 10 der beiden Meßpolschenkel 8 und 9 höhenversetzt zueinander anzuordnen. Hierdurch ist der Bereich der Überschneidung der Querschnitte, das heißt der Bereich, in dem der Fluß der Magnetlinien nur durch kleine Luftspalte unterbrochen wird, stark reduziert, so daß sich beim Vorbeiflug des Ankers ein wesentlich schärferer Peak ergibt.
8 zeigt eine Ausgestaltung, bei der aus konstruktiven Gründen ein "dicker" Anker 5 mit Polnasen 13 versehen ist, um so die Genauigkeit zu steigern.
Wie 9 zeigt, ergibt sich eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Fläche unter Beibehaltung der erreichten 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 9 beschränkt. So kann die Kammstruktur in Form eines gesonderten Meßankers unabhängig von den Ankerabmessungen und unabhängig von der konstruktiven Anordnung des Ankers ausgelegt werden und damit auch an jedem anderen Teil, deren Wege gemessen werden sollen, angeordnet werden. Bei der Anwendung für ein Gaswechselventil besteht damit die Möglichkeit, beispielsweise am Ventilschaft 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) hergestellt 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 10 zeigt, können hierzu die Meßpolschenkel und ggf. auch der Anker in den Bereichen, in denen der Magnetkreis nicht geschlossen werden darf, mit schlechter magnetisierbarem Material 14 gefüllt werden, wobei dann die einander zugekehrten Flächen 15 und 16 von Anker 5 und Meßpolschenkel 8 nach dem Einbringen des Materials maßgenau geschliffen werden.
Während in 1 und 3 eine Ausführungsform dargestellt ist, bei der der Signalabgriff über die Spulen der Haltemagneten selbst erfolgt, was nachstehend noch näher beschrieben wird, ist in 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 2 beschriebenen Aufbau, so daß auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden kann. Gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Ausführungsform gemäß 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 Magnetspule 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 Stromabfluß kann praktisch vernachlässigt werden, da bei einer plötzlichen Spannungsänderung der Strom aufgrund des induktiven Verhaltens der Spulen sich nicht plötzlich ändert.
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 Ausführungsformen ist es dann auch sinnvoll, die Meßpolschenkel aus geblechtem oder gesintertem Material herzustellen, um die Wirbelströme zu reduzieren, die einem schnellen Feldaufbau entgegenwirken.
13 zeigt eine weitere abgewandelte Ausgestaltung, bei der die Magnetisierung des Ankers 5 durch eine Koppelung 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 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 am Haltemagneten 1.2 vorgenommen. Hierzu wird vor dem erwarteten Vorbeiflug des Ankers 5 an den Meßpolen des Meßpolschenkelpaares 24 ein Strom in den Haltemagneten 1.1 gespeist, so daß sich im Anker 5 eine Magnetisierung aufbaut, wie sie in 15 schematisch dargestellt ist. Beim Vorbeiflug des Ankers 5 an den Meßpolen des Meßpolschenkelspaares 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 abgewandelt werden, beispielsweise in der Form, wie sie anhand von 11 beschrieben wurde.
Anhand der nachfolgenden Zeichnungen wird nun die Funktion der Einrichtung zur Steuerung anhand des Ausführungsbeispieles eines elektromagnetisch betätigbaren Gaswechselventils beschrieben.
In 16 ist ein elektromagnetisch betätigbares Gaswechselventil 12 üblicher Bauart dargestellt und zwar in der Position A in Schließstellung und in Position B in Offenstellung. Der Aufbau des Gaswechselventils entspricht einschließlich der elektromagnetischen Mittel zur Betätigung dem anhand von 3 beschriebenen Aufbau, so daß hierauf vewiesen 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 Haltemagnet 1.2 mit Strom beaufschlagt, dann wird unter Einwirkung der vorgespannten Feder und des sich aufbauenden Magnetfeldes des Haltemagneten 1.2 der Anker 5 in Richtung auf den Haltemagneten 1.2 bewegt, so daß das Gaswechselventil 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 16 in Schließstellung und in Offenstellung 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 1.1i abgeschaltet. Bedingt durch die Federkraft der vorgespannten Feder 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 zur Zeit 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, das heißt das Gaswechselventil setzt sich nach einer erneuten Klebzeit wiederum in Bewegung und wird in entsprechender Weise von dem oberen Haltemagneten 1.1 gefangen und wiederum nach dem Absenken des Fangstroms vom Haltestrom 1.1i in der Schließstellung gehalten. Die Bewegung S des Ankers 5 bzw. des Gaswechselventils 12 ist unter den beiden Stromkurven in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.
In 16 ist nun die Anordnung mit mehreren Meßpolen an den Meßpolschenkelpaaren dargestellt. Ausgehend von dieser Anordnung ist nun anhand von 17 das Prinzip dargestellt, daß die Erkennung der Ankergeschwindigkeit, die ein Maß für die kinetische Energie des Ankers darstellt, ermöglicht. Weiterhin ist als Beispiel gezeigt, wie die Verwendung der Geschwindigkeitsinformation zur Anpassung des Fangstromniveaus verwendet werden kann. 17 geht hierbei von der Anordnung eines Meßpoles je Meßpolschenkel aus.
Die Kurve 25 stellt den Wegverlauf S 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 zwischen 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 Spannungsverlauf an der Schließerspule in Abhängigkeit von der Zeit. Der gestrichelte Verlauf zeigt den Verlauf der Spannung entsprechend dem Haltestrom 1.1i, wie er in 16 angedeutet ist. Sobald der Haltestrom 1.1i abgeschaltet wird, löst sich der Anker 5 von der Polfläche nach einer gewissen Klebzeit. Zum Zeitpunkt des Vorbeiflugs des Ankers 5 an der durch die Meßpole vorgegebenen Position S ergibt sich die in der Kurve 27 gezeigte Spannungsauffälligkeit 28. Diese Spannungsauffälligkeit kann nun durch eine entsprechende elektronische Schaltung ausgewertet werden und hieraus ein Signal erzeugt werden, wie es beispielsweise durch den Kurven verlauf des Signals 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 entsprechendes 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 18 sind nun die Bewegungs- und Spannungsdiagramme sowie die zugehörigen Signale für eine Anordnung dargestellt, die jeweils zwei Meßpole an den Meßpolschenkelpaaren 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 Meßpolschuhen vorbei, die zwischen den beiden Haltemagneten 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 Spannungsauffälligkeiten 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 Position S1 von "0" auf "1", und bei Vorbeiflug an der Position S2 wieder von "1" auf "0" 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 von Meßpol S1 bis Meßpol S2 benötigten Zeit und ist somit umgekehrt proportional zur mittleren Geschwindigkeit 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 Geschwindigkeit 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 ≙ T_s < T ≙ V > V₀) keine Erhöhung des Fangstromniveaus erfolgt.
Die Ermittlung des Geschwindigkeitsignals ist keineswegs auf die hier beschriebene Methode begrenzt. So kann die Geschwindigkeitsinformation auch direkt aus der Höhe der Spannungauffälligkeit 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 Spannungsignals 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 Auftreffzeitpunktes 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 Fangstromes kann bereits ein Meßstrom durch die Spule geschickt werden. Auch während der Fangstrom bereits fließt, kann noch eine Auswertung der Vorbeiflugzeitpunkte beispielsweise 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 T_S 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 18 dargestellten und beschriebenen Kurvenverläufe ermöglichen auch ein Steuerungsverfahren, das nicht auf die Anwendung der beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Aufgrund der Tatsache, daß zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Haltemagneten 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 Ankerbewegung nacheinander die Ist-Zeitpunkte des Vorbeifluges des Ankers erfaßt werden können, wobei über die Sensoren dann jeweils zum Zeitpunkt des Vorbeifluges an den Meßpolen S1 und S2 ein entsprechendes Signal abgegeben wird. Gibt man nun über die Steuerungseinrichtung Soll-Zeitpunkte für den Vorbeiflug an den Meßpolen 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 keine Änderung der Ansteuerung des fangenden Magneten für die Einschaltung des Fangstromes erforderlich. Ergibt sich jedoch aus dem Ist-Soll-Vergleich eine Abweichung, dann muß entsprechend der Abweichung der Zeitpunkt des Abschaltens des Stromes am haltenden Magneten und der Zeitpunkt des Einschaltens des Stromes am fangenden Magneten entsprechend verändert werden. Da auch die Soll-Zeitdifferenz, der Zeitbereich T_S zwischen dem Vorbeiflug an Meßpol S1 und an Meßpol 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 Elektromagneten 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 jeweiligen Soll-Zeitpunkte können beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor über ein vom Drehwinkel der Kurbelwelle abhängiges Signal bestimmt werden.
Eine andere Art der Schaltungsanordnung ist in 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 Elektromagneten 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 elektronische Motorsteuereinrichtung, hinsichtlich der vorgegebenen 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 Steuereinrichtung 54 jeweils vorgegebenen Soll-Werte abgeleitet und die Elektromagneten 1.1 und 1.2 entsprechend angesteuert. Die Beschreibung zu 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 Vorbeifluggeschwindigkeit und damit ein Vergleich mit einer vorgegebenen Soll-Vorbeifluggeschwindigkeit möglich ist. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß während der jeweiligen Ankerbewegung über die Zeiterfassung durch wenigstens zwei vorgegebene Positionen zwischen den beiden Haltemagneten eine exakte Ist-Zeiterfassung möglich ist, die unabhängig von etwaigen Klebzeiten 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 Möglichkeit, 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 17 und 18 erläutert, auch für das Einschalten des Fangstroms und gegebenfalls für die Steuerung der Stärke des Fangstroms, da über die Ansteuerung der Fangstromstärke, ausgehend von den über die beiden Sensoren 52, 53 erfaßten tatsächlichen Vorbeiflugzeitpunkten, eine Beschleunigung oder eine Verlangsamung der Ankerbewegung 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 16 sowie den Diagrammen gemäß 17 und 18 wird nun anhand von 19 eine Schaltung näher erläutert, die die Positionserkennung 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 19 dargestellte Schaltung ist jedem zu betätigenden Gaswechselventil zugeordnet und steht über den Signaleingang 35 mit der übergeordneten Gesamtsteuerschaltung in Verbindung, in der die übrigen Betriebsdaten verwertet werden, wie beispielsweise Drehzahl, Motortemperatur, 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 schematisch 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 Verzögerungsglied 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 Vorbeiflug des Ankers an einem Meßpol (S1 in der Wegkurve von 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 Öffnermagneten 1.2. Sobald nun der Anker an der Position eines zweiten Meßpoles S2 verfliegt, wird ein zweiter Ausgang 43 des Positionsdetektors 40 aktiviert. Nach einer Verzögerung durch ein Zeitglied 44 schaltet die Öffnerendstufe durch das Ausgangssignal 45 auf den gegenüber dem Fangstrom reduzierten Haltestrom um, wie dies anhand von 16 für die Position B nach Ablauf der Zeit T3 beschrieben ist. Die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 44 wird so gewählt, daß der Anker zum Zeitpunkt 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 Schließmagneten 1.1 dient. Hierzu vergleicht der Positionsdetektor 40 das Signal des Vorderflankendetektors 36 mit einem der im Vorbeiflug erfaßten Ankerpositionssignal 28 (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 Verzögerungsglied 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 Verbindung.
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 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 festgestellten Vorbeiflügen des Ankers an den Meßpolen. Dies ist in 20 dargestellt. Die Mittellage muß nun mechanisch solange verstellt werden, bis der Wert von der Zeit T1 und der Zeit T2 gleich ist. In 22 ist eine Anordnung entsprechend 3 dargestellt, bei der über ein Stellmittel 51 die Mittellage des mit dem Gaswechselventil 12 verbundenen 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 vorhanden sind und die Meßpole jeweils mit Abstand symmetrisch zur theoretischen Mittellage angeordnet sind. Der Anker wird solange zum Schwingen angeregt, bis die Schwingungsamplitude 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 22 ebenfalls dargestellt, können auch den "Startvorgang" für das Stellglied erleichtern. Zum einen kann bei der Einspeisung der größeren Ströme in den jeweiligen Haltemagneten 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 Stromstärken müssen gegenüber dem Betriebsstrom nur geringfügig erhöht werden. Zum anderen kann mit Hilfe der Positionsbestimmung des Ankers der beste Zeitpunkt zum Einchalten 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 23 ist schematisch eine Ausgestaltung dargestellt, die es erlaubt, linearisierte Ausgangssignale für den Weg zu erzeugen. In 23 ist eine Abwandlung der schematischen Anordnung gemäß 1 dargestellt, so daß auf die zugehörige Beschreibung verwiesen werden kann. Die Anordnung ist gegenüber 1 insoweit abgwandelt, 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 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 38/42 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 Verzögerungsglied 49 wird ein um eine Zeit τ 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 τ verzögerte 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 τ das Absinken auf das Niveau des Haltestroms darstellt, wobei der Haltestrom, wie ebenfalls dargestellt, während der Haltezeit getaktet wird.

Claims

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 Meßpolschenkel (8, 9) versehen ist, der wenigstens einen dem Anker (5) zugeordneten Meßpol (10) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßpolschenkel (8, 9) die Polfläche (4) in Richtung auf den Anker (5) überragt.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßpolschenkel (8, 9) mit wenigstens einem Permanentmagneten versehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßpolschenkel (8, 9) mit wenigstens zwei Permanentmagneten (11.1, 11.2) versehen ist, die jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßpolen (10.1, 10.2, 10.3) angeordnet sind und die in ihrer Polarität gegeneinander gerichtet sind.
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.
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.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (5) an seiner dem Meßpolschenkel (8, 9) zugekehrten Seite mit wenigstens einer Polnase (13) versehen ist.
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.
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.
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.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit ihren Polflächen (4) gegeneinander 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.
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 Magnetisierungsschenkel 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.
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.
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 Haltemagneten (1) in Ruhestellung einstellbar ist.
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.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die dem Anker (5) zugekehrte Polfläche des Meßpols (10), bezogen auf die Bewegungsrichtung, eine geneigte Ausrichtung zur Bildung eines konturierten Luftspaltes aufweist.
Verfahren zur Steuerung der Ankerbewegung an einer elektromagnetischen Schaltanordnung mit zwei Elektromagneten, zwischen denen ein Anker durch wechselseitiges gesteuertes An- und Abschalten der Stromversorgung der Elektromagneten hin- und herbewegbar geführt ist mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 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 lösenden Elektromagneten und der Anschaltzeitpunkt und/oder die Stärke der Stromversorgung des jeweils fangenden Elektromagneten gesteuert wird.
Verfahren zur Einjustierung der Mittellage des Ankers einer elektromagnetischen Schaltanordnung mit zwei Elektromagneten, zwischen denen ein Anker durch wechselseitiges gesteuertes An- und Abschalten der Stromversorgung hin- und herbewegbar geführt ist mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker in Schwingungen 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 Zeitabstände zueinander aufweisen.