DE19714410A1

DE19714410A1 - Elektromagnetischer Antrieb

Info

Publication number: DE19714410A1
Application number: DE19714410A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: BRAUNEWELL MARKUS 40667 MEERBUSCH DE
Current assignee: BRAUNEWELL MARKUS 40667 MEERBUSCH DE
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 1998-10-15

Description

Stand der Technik

Elektromagnetische Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 werden z. B. zur Betätigung von Ventilen von Verbrennungsmotoren benutzt. Sie werden von den beiden Federkräften ohne Erregung eines Elektromagneten in eine Zwischen- insbesondere Mittelstellung gebracht. Die Erregung eines der Elektromagnete bringt den Anker in die zugehörige Endstellung, wodurch z. B. das Ventil voll geöffnet oder geschlossen ist. Die Ansteuerung des anderen Elektromagneten schließt dann das Ventil.

Es ist zur Energieeinsparung bekannt Permanentmagnete für die Endstellungen vorzusehen, die den Anker ohne Erregung festhalten können.

Es ist aus der DE 35 00 530 C2 auch schon bekannt, anstelle der beiden Elektromagnete für die Ankerbewegung Permanentmagnete zu verwenden und während einer Ankerbewegung jeweils die Wirkung eines der Permanentmagnete durch ein Feld eines Elektromagneten unwirksam zu machen. Auch hier wird der Anker in den Endstellungen nur durch die Permanentmagnete festgehalten. Bei der DE 39 20 978 wird nur in Schließstellung ein Permanentmagnet eingesetzt. In der DE 35 46 513 C2 wird der Strom auf einem niedrigen Niveau getaktet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bringt gegenüber dem erstgenannten Stand der Technik eine erhebliche Reduzierung der benötigten Energie, da durch die Verwendung von Haltepermanentmagneten sich ein um deren Dicke vergrößerter Luftspalt ergibt, der für den Arbeitshub (Ventilbewegung) eine erhöhte Erregung (= Leistung) erfordert. Das Rastsystem braucht dagegen nur geringe Energie. Auch die Baugröße ist bei der erfindungsgemäßen Lösung günstiger. Darüber hinaus sind die sogenannten Klebekräfte bei kleinem Luftspalt nicht oder nur geringfügig vorhanden.

Gegenüber dem durch die DE 35 46 513 C2 gegebenen Stand der Technik kommt es bei der Erfindung zu einer geringeren Wärmebelastung der Wicklungen und es werden keine speziellen Maßnahmen zur Kühlung notwendig. Das erfindungsgemäße System braucht eine geringere Ansteuerleistung, und es kommt zu einer größeren Beschleunigung des Ankers, da beim Umschalten nicht die volle Magnetkraft abgebaut werden muß.

In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen aufgelistet, deren Vorteile an Hand der Zeichnungsbeschreibung aufgezeigt werden.

Das System ist auch für 2- und 3-Stellungssysteme z. B. für Klappen geeignet, mit dem Vorteil des geringeren Energieverbrauchs.

Das Rastsystem weist vorzugsweise eine elektromagnetische Betätigungs einrichtung auf, jedoch sind auch andere elektrische Betätigungseinrichtungen (z. B. piezoelektrisch) möglich. Es soll vorzugsweise bei ein- oder zweipoligen Elektromagneten zur Anwendung kommen.

Figurenbeschreibung

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung und deren Funktionen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 2 das zugehörige Ansteuerprogramm

Fig. 3 ein abgeändertes Ansteuerungsprogramm

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel

Fig. 5 das dazugehörige Ansteuerprogramm.

In Fig. 1 sind zwei sich gegenüberliegende zweipolige Elektromagnete 1 und 2 mit ihren Kernen 3 und 4, ihren Ansteuerwicklungen 5 und 6 und den Polflächen 7 und 8 gezeigt. Zwischen den Polflächen liegt ein Anker 9 der mittels zweier Blattfedern 10 und 11 gelagert ist. Am Anker ist eine Betätigungsstange 12 drehbar befestigt. Durch sie wird bei Ankerbewegung z. B. ein Ventilstößel 13 betätigt. Dieser wird durch eine Feder 14 nach oben gedrückt, wenn die Betätigungsstange 12 dies zuläßt und von der Betätigungsstange 12 gegen die Kraft der Feder 14 nach unten gedrückt.

In den Endstellungen des Ankers 9 kommt das Rastsystem 15 zum Einsatz, dessen Sperrschieber 16 dann durch die Kraft einer Feder 17 über bzw. unter den Anker gedrückt wird und diesen auch bei ausbleibender Erregung des Elektromagneten 1 oder 2 festhält. Ein Elektromagnet 18 kann bei Erregung seiner Wicklung den Sperrschieber 16 wieder zurückziehen.

Anhand der Fig. 2 wird die Arbeitsweise des Stellantriebs samt Rastsystem 15 erläutert. Es wird davon ausgegangen, daß der Anker 9 des Stellantriebs auf den Polflächen 7 des Elektromagneten 1 aufliegt und der Sperrschieber 16 den Anker dort festhält. Bei T₁ wird der Strom i₁₈ des Rastmagneten 18 eingeschaltet. Bei T₂ setzt sich das Rastsystem 15 mit seinem Sperrschieber 16 in Bewegung (s_RM) und erreicht bei T₃ seine Endstellung. Dieser Vorgang spiegelt sich im Stromverlauf i₁₈ des Rastmagneten wieder. Eine vorgegebene Zeit nach T₁ wird bei T₄ der Strom i₂ des Elektromagneten 2 eingeschaltet. Dieser setzt den Anker 9 bei T₃ in Bewegung (s_v); bei T₅ wird die Endstellung erreicht. Zu diesem Zeitpunkt rastet auch das Rastsystem 15 wieder ein (s_RM). Vorher war der Strom i₁₈ dem Rastsystems abgeschaltet worden. Ab T₆ wiederholt sich der gesamte Vorgang mit umgekehrter Bewegungsrichtung des Ankers 9. Die Zeitpunkte T₆, T₇, T₈, T₉ und T₁₀ entsprechen dabei den Zeitpunkten T₁ bis T₅.

In den Diagrammen i₁ und i₂ sind beginnend zu den Zeitpunkten T₁ bzw. T₆ noch alternativ einsetzbare Erregungsimpulse für die Elektromagnete 1 bzw. 2 eingezeichnet. Diese Impulse dienen dazu, die Verbindung zwischen dem Anker 9 und dem Sperrschieber 16 zu entlasten und die Reibung bei der Entrastung zu vermindern.

Die Erregung i₁ bzw. i₂ ab T₁ bzw. T₆ wird abgeschaltet, wenn das Rastsystem 15 seine Endstellung erreicht hat (bei T₃ bzw. T₈). Dieser Zeitpunkt kann aus dem Stromverlauf i₁₈ des Rastsystems abgeleitet werden oder mittels eines Ankerwegsensors gewonnen werden.

Es wäre auch denkbar das Rastsystem 15 so auszulegen, daß der Sperrschieber 16 durch den Elektromagneten 18 in die Raststellung gebracht wird und eine Feder den Sperrschieber in die andere Endstellung bringt. Hier müßte der Rastmagnet über die Öffnungs- bzw. Schließzeit des Ventils erregt sein (T₅ bis T₇).

Hinsichtlich der oben angegebenen Schaltzeitpunkte ist zu berücksichtigen, daß diese Zeitpunkte nicht die Ein- und Abschaltverzögerungen berücksichtigen.

Ein auf Schaltschnelligkeit optimiertes System wird mit Vorhaltesteuerung arbeiten, d. h. die Ein- oder Abschaltung des Stroms erfolgt vor den Schaltzeitpunkten.

Das Diagramm der Fig. 3 zeigt einen etwas anderen Ablauf der Ansteuerung. Hier wird nach Beginn der Entrastung bei T₂ der Rastmagnet 18 so lange bestromt, bis bei T₅ ein nicht dargestellter Positionsgeber für die Ankerstellung, die Endlage des Ventils signalisiert (siehe Sig.). Nach einem hohen Stromwert zu Anfang wird der Strom auf einen niedrigeren Haltestrom herabgesetzt um bei T₅ zu 0 zu werden. Gleichzeitig wird ab T₄' der Magnet 2 bis T₁₁ mit einem Haltestrom beaufschlagt. Der Rastsperrschieber 16 rastet nun (bei T₁₁) ohne Kraftbelastung ein. Das Gleiche geschieht bei T₁₀. Dieses Verfahren bietet eine geringere mechanische Belastung.

Es ergibt sich folgender Ablauf:
T₁: Sperrschieber ist noch wirksam; die Elektromagnete 1, 2 und 18 werden angeschaltet
T₂: Anker bewegt sich; Sperrschieber wird herausgezogen; i₁₈wird abgeschaltet
T₃ bis T₅: Anker bewegt sich in nächste Endlage
T₄': Elektromagnet 2 wird auf Halteerregung geschaltet bis der nicht mehr erregte Sperrschieber 16 des Rastsystems einrastet
T₁₁: Nach der Einrastung des Sperrschiebers wird der Elektromagnet 2 völlig abgeschaltet und der Anker kommt auf dem Sperrschieber zur Anlage.

In Fig. 4a ist ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel gezeigt. Auch hier sind zwei zweipolige Elektromagnete 21 und 22 vorgesehen, zwischen denen ein Anker bewegbar ist. Der Anker 29 ist hier mittels eines Drehstabs oder Drehrohrs 27, das sich um die Achse 28 verdrehen kann, federgelagert.

Mit 30 ist ein Verbindungsteil, ein sogenannter Käfig, zwischen Drehstab und Anker 29 bezeichnet. Am Anker 29 ist eine Betätigungsstange 32 drehbar angelenkt, die bei Ankerbetätigung ein Ventil 33 gegen die Kraft einer Feder 34 nach unten drückt und das Ventil 33 öffnen kann, aber die das Schließen des Ventils 33 durch die Kraft der Feder 34 bei entsprechender Erregung zulassen kann. Die Kräfte der Feder 34 und des Drehstabs in seiner Ausgangsstellung sind so aufeinander abgestimmt, daß die beiden Federkräfte ohne Erregung eines der Elektromagnete 21 und 22 den Anker in der gezeichneten Mittelstellung halten.

Das Rastsystem 35 enthält hier eine um die Achse 36 kippbare Wippe 37, die durch eine Feder 38 in die eine Richtung gezogen wird und durch einen Rastelektromagneten 39 bei Erregung der Wicklung 26 in die andere Richtung gezogen wird. Der Magnetkreis des Elektromagneten 39 wird teilweise durch den Kern 24 des Elektromagneten 22, dessen Wicklung und den Nebenschluß 37 und 41 gebildet. Alternativ kann auch eine gesonderte Wicklung 40 für den Rastmagneten vorgesehen sein, wie in der Fig. 4a angedeutet.

Das eigentliche Rastelement ist hier eine am Ende der Wippe 37 befestigte kugelgelagerte Rastrolle 42. Die Rastrolle ist hier die kugelgelagerte Welle 42', die in Fig. 4b herausgezeichnet dargestellt ist.

Diese rollt mit kleinem Durchmesser auf der Rastplatte 43 ab. Die Wälzlagerung besitzt wegen der notwendigen Tragzahl einen größeren Durchmesser. In Fig. 4c ist eine Raststellung bei "Ventil-Auf" gezeigt. Die Rastrolle 42' ist hier oberhalb der Rastplatte 43 eingerastet und verhindert eine Bewegung des Ankers in Pfeilrichtung (44) in der die Rückstellkraft wirkt.

Anhand der Fig. 5 wird die Funktion der Anordnung der Fig. 4a erläutert, wobei davon ausgegangen wird, daß der Anker 29 nicht auf den Polflächen des Elektromagneten 22 aufliegt und dort bei kleinem Luftspalt durch die Rastrolle 42 festgehalten wird. Soll das Ventil 33 aufgesteuert werden, so wird zuerst bei T₁ die Wicklung 22 des Rastmagneten 39 erregt. Diese Erregung bewirkt, daß auf die Rastrolle 42 Kraft übertragen wird und ab T₂ die Wippe 37 verkippt und die Rastrolle 42 unter dem Anker 29 abgezogen wird. Dies ist bei T₃ geschehen (siehe s_RM). Nun wird die Erregung des Elektromagneten 22 nach einer festen Zeit abgeschaltet. Bereits vorher (bei T₄) war der Elektromagnet 21 erregt worden, der den Anker 29 nach unten zieht. Das Ventil wird geöffnet und ist bei T₅ voll geöffnet.

Die Rastrolle kann dann in Folge der Federkraft wieder einrasten und den Anker in der zweiten Endstellung festhalten.

Soll das Ventil 33 wieder geschlossen werden, so wird bei T₉ die Wicklung 25 des Elektromagneten 22 angesteuert. Zuerst wird der Rastmagnet 39 nach Einschaltung des Stroms i₂₂ wirksam, der die Rastrolle 42 vom Anker 29 abzieht (ab T₇). Die Wirkung des Elektromagneten 22 bringt den Anker 29 wieder in die "Ventil-Zu"-Stel lung und die Rastrolle wird durch die Wirkung der Feder 38 wieder in die Raststellung gebracht (T₁₀); die Erregung des Elektromagneten 22 kann abgeschaltet werden.

Die beschriebene Auslegung ist nur anwendbar, wenn die Erregung wenigstens des Elektromagneten 22 nur über einen Teilbereich des Hubs erfolgt, da bei Erreichen der Endstellung der Rastelektromagnet unwirksam sein muß.

Die eben beschriebene Lösung erfordert eine sehr geringe Ansteuerleistung, da der Rastmagnet für die Endstellung keine Erregerleistung erfordert und die Schaltmagnete nicht aktiviert.

Dadurch sind die bekannten Probleme der Klebezeiten bei großen Magneten nicht relevant. Da nach dem Entriegeln oder Ausrasten sofort die volle Federrückstellkraft wirkt, beschleunigt das System schneller und wird nicht durch eine abklingende Magnetkraft gedämpft. Die Auflage der Rastrolle auf die Rastplatte 43 muß sowohl die Winkelstellung in der Endlage, als auch einen Anschlag in beiden Richtungen berücksichtigen. Die Rastplatte kann geringfügig drehbar sein (Fig. 4c) damit die Rastrolle über ihre volle Länge aufliegt und eine tragbare Flächenpressung erfährt.

Der oben beschriebene elektromagnetische Antrieb kann zum Antreiben eines Gaswechsel-Ventils oder eines anderen vergleichbaren Ventils eingesetzt werden. Auch kann damit eine Pumpe angetrieben werden, wobei der Ventilstößel durch einen Pumpenkolben ersetzt wird.

Aber auch sein Einsatz bei Getrieben ist möglich, weil auch dort eine schnelle Umschaltung von der einen in die andere Stellung mit hoher Kraft erwünscht ist. Auch bei sonstigen Anwendungen mit ähnlichen Voraussetzungen ist die Erfindung einsetzbar.

Claims

1. Elektromagnetische Stelleinrichtung mit zwei Elektromagneten, deren Polflächen zumindest teilweise einander zugewandt sind und einem verschiebbar gelagerten, zwischen den Polflächen durch die Elektromagnete hin- und herbewegbaren Anker, der ohne Ansteuerung der Elektromagnete durch zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte in einer Zwischenstellung gehalten wird und nach Erreichen einer Endstellung wenigstens in der Nähe der Polflächen eines Elektromagneten trotz Abschaltung des Elektromagneten festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch (elektromagnetisch oder piezoelektrisch) betriebenes Rastsystem (15; 35) den Anker (9; 29) oder ein mit ihm verbundenes Teil in der Endstellung mechanisch festhält (einrastet).

2. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (9) federgelagert ist (Blattfedern 10, 11).

3. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrastung stromlos durch Federkraft (17; 38) erfolgt.

4. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrastung durch Betätigung des Rastmagneten gegen eine Federkraft erfolgt.

5. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rastsystem ein gleitendes Rastelement (16) aufweist.

6. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rastsystem reibungsarm gelagert ist.

7. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rastelement eine Rastrolle (42) mit kleinem Durchmesser ist und vorzugsweise Wälzlager (47) auf größerem Durchmesser aufweist (siehe Fig. 4b).

8. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für das Rastelement (42) wenigstens ein Anschlag zur Hubbegrenzung vorgesehen ist (Fig. 4a und 4c).

9. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag durch eine drehbare Anschlagplatte gebildet ist (Fig. 4c).

10. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der der jeweiligen Endlage des Ankers zugeordnete Elektromagnet bei der Entrastung zur Entlastung des Rastsystems kurzzeitig erregt wird.

11. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungszeit durch ein durch die Bewegung des Rastsystems (15) ausgelöstes Signal (Schalter 19) beendet wird (Fig. 1).

12. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal ein Schaltersignal ist.

13. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal aus dem Stromverlauf des Rastsystems (15; 35) gewonnen wird.

14. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis des Rastsystems teilweise in den Magnetkreis eines der Elektromagnete integriert ist (Fig. 4a).

15. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Antriebs Signale eines Ankerwegsensors für die Endstellungen verwertet werden (Fig. 3 Sig).