DE19521078B4

DE19521078B4 - Energiesparende elektromagnetische Schaltanordnung

Info

Publication number: DE19521078B4
Application number: DE19521078A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.-Ing. Schmitz
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2015-06-10
Also published as: DE19521078A1; US5734309A

Abstract

Elektromagnetische Schaltanordnung zur Bestätigung 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 Stellmittel 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, dadurch gekennzeichnet, dass die ansteuerbare Gleichstromversorgung so ausgebildet ist, 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.

Description

Bei elektromagnetischen Schaltanordnungen zur Betätigung von Stellmitteln, beispielsweise zur Betätigung von Gaswechselventilen an Verbrennungsmotoren, besteht häufig die Anforderung, hohe Schaltgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohen Schaltkräften zu realisieren.

Eine derartige Schaltanordnung ist beispielsweise in der DE OS 20 63 158 dargestellt und beschrieben. Während bei stromlosen Elektromagneten der Anker durch Federelemente in einer Ruheposition zwischen den beiden Polflächen der Elektromagneten gehalten wird, liegt im Betrieb der Anker wechselweise an der Polfläche des einen oder des anderen Magneten an. Dies entspricht bei Gaswechselventilen dann der geöffneten bzw. der geschlossenen 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. Hierdurch fällt die Haltekraft des Magneten unter die Federkraft ab und der Anker beginnt, durch die Federkraft beschleunigt, 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 Kraftstoffverbrauchs führen.

Es ist nun versucht worden, die für die Betätigung notwendige elektrische Energie zu reduzieren, wie dies beispielsweise in DE 39 23 477 A1 beschrieben ist. Hier wird vorgeschlagen, durch Senken bzw. Konstanthalten des Stromes vor dem erwarteten Auftreffen des Ankers auf der Polfläche eine Reduktion der vom Bordnetz aufzubringenden elektrischen Leistung zu erzielen. Der tatsächliche Bedarf an magnetischer Erregung, also der primären Ursache für den Strombedarf, kann bei dieser Lösung nicht reduziert werden.

Aus der US 5,339,777 ist es bekannt, einen zwischen zwei Spulen beweglich angeordneten und mittels Federn bewegten Anker durch ein Magnetfeld zum Haften an einer Spule zu bringen. Der Anker ist von der Spule nur dadurch lösbar, dass ein demagnetisierender Strom durch diese Spule fließt, wodurch das Magnetfeld der Spule und des Ankers umgekehrt wird. Dieses Umpolarisieren erfordert viel Energie, wobei das Verfahren aufgrund einer Vielzahl von Einflussparametern bei den Magnetrichtungswechseln sehr empfindlich ist.

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

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine elektromagnetische 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 Gleichstromversorgung 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 Restmagnetisierung haltenden Material besteht. Die ansteuerbare Gleichstromversorgung ist so ausgebildet, dass jeweils der Stromdurchfluss durch die Spulen der beiden Elektromagneten so gerichtet ist, dass die Polarität des Remanenzfeldes des Ankers gleichgerichtet bleibt. 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 gerichteter 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 Remanenzinduktion 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 gesetztem 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 Stellglied zuverlässig in die Gegenrichtung bewegt. Bei darüberliegenden Werte der Remanenzinduktion bleibt lediglich die Möglichkeit, den Anker durch den Aufbau eines Gegenmagnetfeldes, das heißt durch Einspeisung eines gegenüber dem Fangvorgang entgegengerichteten Stromes wieder abzuwerfen. Dies würde entweder ein Umsteuern des Stromflusses erfordern mit den entsprechenden Verzögerungen durch den Aufbau des Gegenfeldes oder aber die Anordnung eines zusätzlichen Elektromagneten, der dann zur Erzeugung des Gegenmagnetfeldes bestromt wird. Dies ist jedoch in der Praxis nur dann möglich, wenn der Wechsel für das Stellglied mit geringer Frequenz erfolgt oder ein genügender Bauraum vorhanden ist, um einen derartigen zusätzlichen "Abwurfmagneten" unterzubringen.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn jeweils der Stromdurchfluss 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 Elektromagneten 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 Stromlossetzen des jeweils haltenden Elektromagneten der Anker an der Polfläche "klebt", so dass das Lösen des Ankers unter der Einwirkung der Kraft des dann gespannten Federelementes nicht zwangsläufig mit dem Abschalten des Stromdurchflusses du die Spule des haltenden Elektromagneten übereinstimmt. Ist nun der Bewegungsbahn des Ankers wenigstens 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 Arbeitstakt 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 gezielt zur Reduzierung des Energieverbrauchs eingesetzte "Kleben" des Ankers an den jeweiligen Haltemagneten zuverlässig 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 Bewegungsgeschwindigkeit 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 Elektromagneten 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 Stromdurchfluss 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 Hystereschleife des Ankermaterials ist. Bei hartmagnetischem Material ist diese Restmagnetisierung dem gemäß besonders hoch.
Die Ruhestellung ist durch die strichpunktierte Linie R angedeutet.
Wählt man nun das Ankermaterial einerseits und die Federelemente anderseits so aus, dass die verbleibende Restmagnetisierung 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 aufgebracht 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 Elektromagneten 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 Stromdurchfluss 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 Vorbeifluges mit der durch die Steuerung vorgegebenen Sollzeit übereinstimmt, um so entsprechende Abweichungen der Ansteuerzeiten für die Bestromung der Spulen der Haltemagneten korrigieren zu können. Dabei kann die Remanenzinduktion des Ankers bei Verwendung eines auf magnetischen Prinzipien beruhenden Sensors für die sensorische Erfassung nutzbringend verwendet werden.

Claims

Elektromagnetische Schaltanordnung zur Bestätigung 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 Stellmittel 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, dadurch gekennzeichnet, dass die ansteuerbare Gleichstromversorgung so ausgebildet ist, 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.
Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankermaterial so beschaffen 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).
Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2 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.