DE19521078A1 - Energiesparende elektromagnetische Schaltanordnung - Google Patents

Description

Bei elektromagnetischen Schaltanordnungen zur Betätigung von Stellmitteln, beispielsweise zur Betätigung von Gas­ wechselventilen an Verbrennungsmotoren, besteht häufig die Anforderung, hohe Schaltgeschwindigkeiten bei gleichzei­ tig hohen Schaltkräften zu realisieren.

Eine derartige Schaltanordnung ist beispielsweise in der DE-A-20 63 158 dargestellt und beschrieben. Während bei stromlosen Elektro­ magneten der Anker durch Federelemente in einer Ruheposition zwischen den beiden Polflächen der Elektromagneten gehalten wird, liegt im Betrieb der Anker wechselweise an der Polflä­ che des einen oder des anderen Magneten an. Dies entspricht bei Gaswechselventilen dann der geöffneten bzw. der ge­ schlossenen Position des Gaswechselventils. Zur Betätigung des Gaswechselventils, beispielsweise der Bewegung aus der geschlossenen in die geöffnete Position oder umgekehrt, wird der Haltestrom an der einen Spule abgeschaltet. Hier­ durch fällt die Haltekraft des Magneten unter die Feder­ kraft ab und der Anker beginnt, durch die Federkraft be­ schleunigt, sich zu bewegen. Nach dem Durchgang des Ankers durch seine Ruheposition wird die Bewegung des Ankers durch die Federkraft des gegenüberliegenden Federelementes abgebremst. Um nun den Anker in der anderen Position zu fangen und zu halten, wird der andere Magnet bestromt. Dieser Fangvorgang erfordert relativ hohe Energien, die insbesondere bei hohen Motordrehzahlen zu relativ großen Leistungsaufnahmen und somit zur Erhöhung des Kraftstoff­ verbrauchs führen.

Es ist nun versucht worden, die für die Betätigung notwendi­ ge elektrische Energie zu reduzieren, wie dies beispiels­ weise in DE-A-39 23 477 beschrieben ist. Hier wird vorge­ schlagen, durch Senken bzw. Konstanthalten des Stromes vor dem erwarteten Auftreffen des Ankers auf der Polfläche eine Reduktion der vom Bordnetz aufzubringenden elektri­ schen Leistung zu erzielen. Der tatsächliche Bedarf an magnetischer Erregung, also der primären Ursache für den Strombedarf, kann bei dieser Lösung nicht reduziert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Bedarf an magnetischer Erregung zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine elektro­ magnetische Schaltanordnung zur Betätigung eines Stellmittels, mit zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten, die jeweils aus einer Spule und einem Magnetjoch gebildet sind und jeweils mit einer ansteuerbaren Gleichstromversor­ gung in Verbindung stehen, wobei die Polflächen der beiden Magnetjoche einander zugekehrt sind, und mit einem zwischen den beiden Polflächen hin- und herbewegbaren Anker, der mit dem zu betätigenden Stellmittel in Verbindung steht und von Federelementen in einer Ruhestellung zwischen den beiden stromlos gesetzten Elektromagneten gehalten wird, und wobei zumindest der Anker aus einem eine Restmagne­ tisierung haltenden Material besteht. Dadurch, daß der Anker eine Remanenzinduktion aufweist, die beispielsweise durch seine Magnetisierung an dem einen Elektromagneten hervorgerufen wird, ergibt sich im Betrieb bei Annäherung an den anderen Elektromagneten der Effekt, daß das dort zum Zwecke des Anziehens bzw. Fangens sich aufbauende Magnetfeld derart verstärkt wird, daß die magnetische Erregung in der Spule im Vergleich zur Verwendung eines Ankers ohne oder mit falscher Remanenzinduktion oder gegensinnig gerich­ teter Remanenzinduktion reduziert werden kann. Auch auf die für das Halten des Ankers erforderliche elektrische Leistung wirkt sich die Restmagnetisierung positiv aus, da die erforderlichen Ströme auch hier stark reduziert werden können. Die Grenze für die maximal erlaubte Remanenz­ induktion ergibt sich aus dem Wert, der ein Halten des Ankers ohne Stromzufuhr möglich macht. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn das Ankermaterial so ausgewählt ist, daß die durch die Restmagnetisierung jeweils zwischen Anker und einer Polfläche wirkende Haftkraft bei stromlos ge­ setztem Elektromagneten geringer ist als die Rückstellkraft des dann jeweils gespannten Federelementes. Hierdurch wird sichergestellt, daß beim Stromlossetzen des haltenden Elektromagneten die Feder den Anker und damit das Stell­ glied zuverlässig in die Gegenrichtung bewegt. Bei darüber­ liegenden Werten der Remanenzinduktion bleibt lediglich die Möglichkeit, den Anker durch den Aufbau eines Gegen­ magnetfeldes, d. h. durch Einspeisung eines gegenüber dem Fangvorgang entgegengerichteten Stromes wieder abzu­ werfen. Dies würde entweder ein Umsteuern des Stromflusses erfordern mit den entsprechenden Verzögerungen durch den Aufbau des Gegenfeldes oder aber die Anordnung eines zu­ sätzlichen Elektromagneten, der dann zur Erzeugung des Gegenmagnetfeldes bestromt wird. Dies ist jedoch in der Praxis nur dann möglich, wenn der Wechsel für das Stell­ glied mit geringer Frequenz erfolgt oder ein genügender Bauraum vorhanden ist, um einen derartigen zusätzlichen "Abwurfmagneten" unterzubringen.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn jeweils der Stromdurch­ fluß durch die Spulen der beiden Elektromagneten im Betrieb so gerichtet ist, daß die Polarität des Remanenzfeldes des Ankers gleichgerichtet bleibt. Wenn die so erzeugte magnetische Erregung im Anker in dieselbe Richtung wirkt wie die im Anker verbliebene Remanenzinduktion, reicht eine geringere Bestromung der Spule des fangenden Elektro­ magneten aus, um das für ein sicheres Fangen des Ankers erforderliche Magnetfeld zu erzeugen. Eine verkehrte Polung der Spulen würde durch die dann entgegengesetzte Richtung der Magnetfelder entweder ein Fangen unmöglich machen bei unverändertem Strom, oder aber einen deutlich höheren Strom zum Fangen erforderlich machen.

In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß wenigstens ein Sensor zur Erfassung der Ankerbewegung vorgesehen ist, der mit der Einrichtung zur Ansteuerung der Gleichstromversorgung der Spulen in Verbindung steht. Das Vorhandensein der Remanenzinduktion im Anker hat an sich den Nachteil, daß nach dem Stromlos­ setzen des jeweils haltenden Elektromagneten der Anker an der Polfläche "klebt", so daß das Lösen des Ankers unter der Einwirkung der Kraft des dann gespannten Feder­ elementes nicht zwangsläufig mit dem Abschalten des Strom­ durchflusses durch die Spule des haltenden Elektromagneten übereinstimmt. Ist nun der Bewegungsbahn des Ankers wenig­ stens ein Sensor zugeordnet, der mit der Ansteuerung der Gleichstromversorgung in Verbindung steht, dann besteht die Möglichkeit, auf den Zeitpunkt des Abschaltens des Haltestroms Einfluß zu nehmen. Wird durch eine entsprechende Steuereinrichtung der Zeitpunkt des Lösens des Ankers vorgegeben, dann liegt auch der Soll-Zeitpunkt fest, an dem der Anker sich an dem oder den Sensoren vorbeibewegen muß. Wird über den Sensor festgestellt, daß der Vorbeiflug gegenüber der vorgegebenen Sollzeit zu spät erfolgt, kann über die Ansteuerungseinrichtung dann der Zeitpunkt für das Abschalten des Haltestromes für den nächsten Arbeits­ takt entsprechend vorverlegt werden. Wird über den Sensor festgestellt, daß der Vorbeiflug des Ankers, verglichen mit der Sollzeit zu früh erfolgt, wird für den nächsten Arbeitstakt der Zeitpunkt für das Stromlossetzen des Ankers zurückverlegt. Hierdurch ist sichergestellt, daß das ge­ zielt zur Reduzierung des Energieverbrauchs eingesetzte "Kleben" des Ankers an den jeweiligen Haltemagneten zuver­ lässig auskorrigiert werden kann.

Ordnet man der Bewegungsbahn des Ankers zwei Sensoren zu, dann läßt sich über die Zeitabfolge der von den beiden Sensoren nacheinander erfaßten Signale unabhängig vom jeweiligen Abschaltzeitpunkt des Haltestroms die Bewegungs­ geschwindigkeit des Ankers erfassen und hierüber sowohl des Abschalten des Haltestroms als auch das Einschalten des Fangstroms zeitgenau bestimmen.

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die dargestellte Schaltanordnung besteht im wesentlichen aus einem Elektromagneten 1 und einem Elektromagneten 2, die im wesentlichen aus einer Spule 3.1 und 3.2 sowie einem Magnetjoch 4.1 und 4.2 bestehen. Die beiden Elektro­ magneten 1 und 2 sind mit Abstand zueinander angeordnet, wobei ihre Polflächen 5 einander zugekehrt sind.

Zwischen den beiden Elektromagneten 1 und 2 ist ein Anker 6 angeordnet, der mit einer Schubstange 7 verbunden ist, die mit dem zu betätigenden Stellmittel, beispielsweise einem Gaswechselventil, in Verbindung steht. Der Anker 6 wird bei stromlos gesetzten Elektromagneten durch zwei Federelemente 8.1 und 8.2 in seiner Ruhestellung zwischen den beiden Elektromagneten gehalten. Wird nun die Spule des Elektromagneten 1 mit Strom beaufschlagt, so wird der Anker 6 angezogen und kommt hierbei an den Polflächen des Magnetjochs 4.1 zur Anlage. Das Federelement 8.1 wird hierbei entsprechend vorgespannt. Hierbei wird der Anker 6 von einem Magnetfeld B durchflossen. Wird nun der Strom­ durchfluß durch die Spule 3.1 abgeschaltet, sinkt die durch den Strom verursachte magnetische Erregung auf Null. Ist nun, wie gemäß der Erfindung vorgesehen, der Anker 6 aus einem eine Restmagnetisierung enthaltenden Material hergestellt, verbleibt aufgrund von Hystereseeffekten jedoch eine magnetische Restinduktion im Anker. Diese Restmagnetisierung ist umso größer, je größer die Hystere­ schleife des Ankermaterials ist. Bei hartmagnetischem Material ist diese Restmagnetisierung demgemäß besonders hoch.

Die Ruhestellung ist durch die strichpunktierte Linie R angedeutet.

Wählt man nun das Ankermaterial einerseits und die Feder­ elemente 8 anderseits so aus, daß die verbleibende Rest­ magnetisierung und damit die zwischen dem Anker 6 und dem Magnetjoch 4.1 wirkende Magnetkraft unter dem Wert liegt, der zum Festhalten des Ankers gegen die Kraft des zusammengedrückten Federelementes 8.1 benötigt wird, so beginnt der Anker sich vom Magnet zu lösen. Er wird durch das Federelement 8.1 beschleunigt bis zum Durchgang durch eine Ruhelage. Danach beginnt das Federelement 8.2 der Gegenseite den Anker wieder abzubremsen. Bedingt durch Reibungsverluste würde der Anker 6 die Polfläche 5 des Elektromagneten 2 auf der Gegenseite nicht erreichen, wenn nicht eine zusätzliche Magnetkraft von dort aus aufge­ bracht würde. Zur Erzeugung dieser Magnetkraft muß nun im Elektromagneten 2 durch Einspeisung eines Stromes eine magnetische Erregung erzeugt werden. Wenn nun die durch den Elektromagneten 2 im Anker erzeugte magnetische Erregung mindestens teilweise in dieselbe Richtung wirkt, wie die im Anker 6 verbliebene Restmagnetisierung, dann reicht eine geringere Bestromung der Spule 3.2 des Elektromagne­ ten 2 aus, um das für ein sicheres Fangen des Ankers 6 erforderliche Magnetfeld zu erzeugen.

Die Spulen 3.1 und 3.2 der Elektromagneten 1 und 2 stehen mit einer Gleichstromversorgung 9 in Verbindung, wobei der Stromdurchfluß durch die Spulen jeweils so gerichtet ist, daß einander gegenüberliegende Flächen bei Stromdurch­ fluß eine gleichnamige Polung aufweisen.

Die Gleichstromversorgung 9 wird über eine Steuereinrichtung 10 entsprechend dem vorgegebenen Betriebsprogramm angesteuert. Hierbei werden die Betriebsdaten, beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor Drehzahl, Lastzustand etc., über die Motorelektronik eingegeben.

Mit dieser Steuereinrichtung 10 kann ferner ein Sensor 11 in Verbindung stehen, der der Bewegungsbahn des Ankers 6 zugeordnet ist, beispielsweise in Höhe der Ruhelage des Ankers 6 zwischen den beiden Elektromagneten 1 und 2, so daß jeweils beim Vorbeiflug des Ankers am Sensor 11 ein entsprechendes Signal erzeugt wird, das innerhalb der Steuereinrichtung 10 die Feststellung ermöglicht, ob die über den Sensor 11 festgestellte Istzeit des Vorbei­ fluges mit der durch die Steuerung vorgegebenen Sollzeit übereinstimmt, um so entsprechende Abweichungen der An­ steuerzeiten für die Bestromung der Spulen der Halte­ magneten korrigieren zu können. Dabei kann die Remanenz­ induktion des Ankers bei Verwendung eines auf magnetischen Prinzipien beruhenden Sensors für die sensorische Erfassung nutzbringend verwendet werden.

Claims (4)

1. Elektromagnetische Schaltanordnung zur Betätigung eines Stellmittels, mit zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten (1, 2), die jeweils aus einer Spule (3.1, 3.2) und einem Magnetjoch (4.1, 4.2) gebildet sind und jeweils mit einer ansteuerbaren Gleichstromversorgung (9) in Verbindung stehen, wobei die Polflächen (5) der beiden Magnetjoche (4.1, 4.2) einander zugekehrt sind, und mit einem zwischen den beiden Polflächen (5) hin- und herbewegbaren Anker (6), der mit dem zu betätigenden Stell­ mittel in Verbindung steht und von Federelementen (8.1, 8.2) in seiner Ruhestellung zwischen den beiden stromlos gesetzten Elektromagneten (1, 2) gehalten wird und wobei zumindest der Anker (6) aus einem eine Restmagnetisierung haltenden Material besteht.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ankermaterial so ausgebildet ist, daß die durch die Restmagnetisierung jeweils zwischen Anker (6) und einer Polfläche (5) wirkende Haftkraft bei stromlos gesetzten Elektromagneten (1, 2) geringer ist als die Rückstellkraft des dann jeweils gespannten Federelementes (8.1, 8.2).

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils der Stromdurchfluß durch die Spulen (3.1, 3.2) der beiden Elektromagneten (1, 2) so gerichtet ist, daß die Polarität des Remanenzfeldes des Ankers (6) gleichgerichtet bleibt.

4. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Sensor (11) zur Erkennung der Ankerbewegung vorgesehen ist, der mit einer Einrichtung (10) zur Ansteuerung der Gleichstromversorgung (9) der Spulen (3.1, 3.2) in Verbindung steht.