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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen
Stellantrieb gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Beeinflussen der Geschwindigkeit
eines Ankers in der Nähe
eines Elektromagneten.
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Derartige Stellantriebe bzw. Aktoren
werden beispielsweise bei elektromechanischen Stelleinheiten für die Einlaß- und Auslaßventile
von Verbrennungsmotoren verwendet. Dabei besteht das Problem, daß beim Auftreffen
des Ankers auf den Elektromagneten ein relativ lautes Geräusch erzeugt
wird, was bei der heute üblichen
großen
Anzahl von anzusteuernden Ventilen zu erheblicher Lärmbelästigung führen kann.
Aufgrund der nichtlinearen Kraftkennlinie des durch die Spule und
einen Kern gebildeten Elektromagneten nimmt die auf den Anker wirkende Beschleunigungskraft
bei Annäherung
des Ankers an die Spule zu, so daß der Anker schließlich mit
großer Geschwindigkeit
auf den Elektromagneten auftrifft und das laute und verschleißfördernde
Geräusch
erzeugt.
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Darüber hinaus kommt es aufgrund
von Adhäsion
zwischen Anker und Elektromagneten zu einem Kleben des Ankers auf
dem Elektromagneten, was zu einem verzögerten Abheben des Ankers und damit
zu einem schlechten Zeitverhalten des gesamten Systems führen kann.
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Zur Lösung dieser Probleme war es
bisher bekannt, den Anker z.B. mit einem Elastomer zu beschichten,
was eine geräuschdämmende Wirkung hat.
Darüber
hinaus sind Steuer- bzw. Regelalgorithmen bekannt, bei denen durch
Verändern
der an der Spule anliegenden Spannung eine Anpassung der auf den
Anker wirkenden Kraft und somit Beeinflussung der Auftreffgeschwindigkeit
des Ankers möglich ist.
Ein derartiges Verfah ren ist zum Beispiel in der
DE 195 30 121 A1 beschrieben.
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Ein ähnliches Verfahren ist aus
der
DE-AS 20 19 345 bekannt,
wo ein Tauchanker-Hubmagnet beschrieben wird. Der Magnet weist eine
Spule mit einer Eisenummantelung und einem axial darin beweglichen
Tauchanker auf, der mit seiner inneren Stirnseite und einem von
der Eisenummantelung hochstehenden Zapfen einen Luftspalt bildet,
der durch eine Feder geöffnet
wird. Auf der Stirnseite des Zapfens ist weiterhin ein vom Magnetfeld
abhängiger Widerstand
aufgeklebt. In Abhängigkeit
von der durch den Widerstand ermittelten magnetischen Feldstärke und
einer sich daraus ergebenden elektrischen Steuergröße wird
der Erregerstrom des Magneten über
eine Regelschaltung derart angesteuert, dass im Arbeitsluftspalt
eine vorgegebene Feldstärke und
damit eine bestimmte Ankeranzugskraft unabhängig von der Stellung des Ankers
innerhalb der Ankerhubstrecke einregelbar ist.
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Aus der
JP 62-22 26 07 ist es bekannt, ein Hall-Element
auf einem Elektromagneten zu befestigen, um nach Erregung des Magneten
einen Magnetfluss feststellen zu können.
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In der
DE-OS
20 57 641 wird eine Stellvorrichtung für ein Treibstoffventil beschrieben,
bei der ein federbeaufschlagter Anker ein Drosselglied betätigt. Bei
Erregung einer den Anker umgebenden Spule wird der Anker mit dem
Drosselglied gegen die Wirkung der Feder bewegt. Mit dem Anker ist
eine Fühlvorrichtung
gekoppelt, bei der ein magnetisch wirksames Glied in die Nähe eines
Magneten bewegt wird. Durch die Annäherung des Glieds wird der
Magnetfluss verändert,
was über
einen am Magneten angeordneten Hallgenerator feststellbar ist.
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Bei der geschilderten Lösung mit
dem mit einer elastischen Schicht versehenen Anker besteht der Nachteil,
daß die
Auftreffgeschwindikeit des Ankers nicht nachträglich an den jeweiligen Betriebszustand
angepaßt
werden kann. Bei der genannten Regelungsschaltung wiederum ist es
von Nachteil, daß die
Beeinflussung der Ankergeschwindigkeit nur sehr indirekt, durch
Verändern
der an der Spule anliegenden Spannung, möglich ist, wodurch das System
keine präzise
Beeinflussung der Ankergeschwindigkeit ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
verbesserte Möglichkeit
zur Beeinflussung der Geschwindigkeit eines Ankers in der Nähe eines Elektromagnetpols
anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen
Stellantrieb mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäße Verfahren
sind durch die Merkmale der Patentansprüche 11 und 14 gegeben.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
dem Elektromagneten und dem Anker ein ansteuerbares Stellelement
angeordnet ist und daß der
Anker durch das Stellelement beaufschlagbar ist. Dies bietet den
Vorteil, daß die
Ankergeschwindigkeit in der Nähe
des Elektromagneten direkt durch das Stellelement beeinflußt werden
kann.
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Mit Hilfe des vorzugsweise schichtförmigen, auf
der Polfläche
des Elektromagneten angeordneten Stellelements wird eine Auftrefffläche für den Anker
gebildet, deren Abstand zu dem Elektromagneten bei entsprechender
Beaufschlagung des Stellelements variierbar ist. Dadurch kann das
Stellelement den herannahenden Anker abfangen und auf die gewünschte Geschwindigkeit
abbremsen bzw. vollständig
zum Stillstand bringen. Dies führt
zu einer beträchtlichen
Geräusch-
und Verschleißminderung.
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Bei einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung ist das Stellelement gleichzeitig als Sensor ausgebildet,
der das Auftreffen des Ankers erfaßt. Vor allem, wenn das Stellelement
ein piezoelektrisches oder ein magnetostriktives Material aufweist,
kann die Änderung
von elektrischen oder magnetischen Kennwerten des Stellelements
bei Annähern
oder Auftreffen des Ankers ausgewertet werden.
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Weiterhin ist es bei einer vorteilhaften
Weiterentwicklung der Erfindung möglich, mit Hilfe des Stellelements
das Abheben des Ankers vom Elektromagneten zu erleichtern, indem
der Anker durch das Stellelement von dem Elektromagneten weg beschleunigt
wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Stellantrieb vor Auftreffen des Ankers auf den Elektromagneten;
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2 den
Stellantrieb nach Auftreffen des Ankers auf den Elektromagneten;
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3 eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Stellantriebs,
bei der das Stellelement gleichzeitig das Auftreffen des Ankers
detektiert.
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1 zeigt
schematisch einen erfindungsgemäßen Stellantrieb,
der im wesentlichen aus einem Elektromagneten 1, einem
Anker 2 und einem Stellelement 3 besteht. Der
eine Spule 4 und einen Kern 5 aufweisende Elektromagnet 1 und
der Anker 2 sind in allgemein bekannter Weise ausgeführt, so daß auf eine
detaillierte Darstellung verzichtet werden kann.
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Das Stellelement 3 besteht
aus einem elastischen Material und ist direkt auf dem Elektromagneten 1 angeordnet.
Je nach Ausführungsform
kann es in den Elektromagneten integriert werden oder nachträglich an
den Elektromagneten angebaut werden.
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Zweckmäßigerweise ist die elastische Schicht
des Stellelements 3 in eine Polfläche 6 des Elektromagneten 1 integriert,
das heißt
in entsprechende Aussparungen in der Polfläche 6 eingesetzt. Die
vom Anker 2 berührbare
Oberfläche
der Polfläche 6 wird
somit sowohl von dem Stellelement 3 als auch der zu dem
Elektromagneten 1 gehörenden Polfläche 6 gebildet.
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Bei dem elastischen Material für das Stellelement 3 handelt
es sich vorzugsweise um ein piezoelektrisches oder ein magnetostriktives
Material, dessen Abmessungen sich bei Beaufschlagung mit einer elektrischen
Spannung oder einem Magnetfeld ändern.
Die entsprechende Beaufschlagung wird über eine in 1 nicht dargestellte Steuer- bzw. Regeleinheit
realisiert.
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Erfindungsgemäß dient das Stellelement 3 zum
Abfangen des Ankers 2 im letzten Bereich des Hubes vor
dem Auftreffen des Ankers 2 auf den Elektromagneten 1.
Das elastische Material des Stellelements 3 steht im aufgeladenen
Zustand weiter vor als die Oberfläche, das heißt Polfläche 6 des
Elektromagneten 1. Abhängig
von einem die Steuereinheit beaufschlagenden Hubsignal wird das
elastische, zum Beispiel piezokeramische Material so entladen, daß die elastische
Schicht den Anker 2 abbremst und dadurch die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit
auf den Elektromagneten 1 ermöglicht.
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Gegenüber der bekannten elastischen
Beschichtung des Ankers besteht gemäß der Erfindung der Vorteil,
daß die
Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 2 auf den Elektromagneten 1 elektronisch
beeinflußt
und an den jeweiligen Betriebszustand angepaßt werden kann.
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2 zeigt
den Zustand, bei dem der Anker 2 auf dem Elektromagneten 1 aufsitzt
und das Stellelement 3 von der ursprünglichen Dicke d in 1 auf die Dicke d' komprimiert worden
ist. Zu beachten ist, daß es
auch in dem in 2 gezeigten
Zustand möglich
ist, keine Kraft durch das Stellelement 3 auf den Anker 2 auszuüben. Aufgrund
der piezoelektrischen oder magnetostriktiven Eigenschaften des elastischen
Materials wird das Stellelement 3 bei entsprechender Beaufschlagung
in der in 2 gezeigten Dickenstellung
gehalten, ohne auf den Elektromagneten 1 oder den Anker 2 eine
Kraft auszuüben.
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Bei Umkehrung des oben geschilderten
Abbremseffektes dient das Stellelement 3 dazu, den Anker 2 von
dem Elektromagneten 1 abzuheben, das heißt von dem
Elektromagneten 1 weg zubeschleunigen. Dadurch kann wirkungsvoll
die Adhäsion
zwischen dem Elektromagneten 1 und dem Anker 2 überwunden
und der Anker 2 mit definierter Geschwindigkeit abgehoben
werden.
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Zum Abheben des Ankers 2 von
dem Elektromagneten 1 wird bei der piezoelektrischen Schicht ein
Spannungsverlauf angelegt, der ein Abwerfen des Ankers 2 erzeugt.
Entsprechend wird bei der alternativen magnetostriktiven Schicht
ein geeignetes Magnetfeld erzeugt oder das vorhandene Magnetfeld des
Elektromagneten 1 genutzt.
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Um das Auftreffen des Ankers 2 auf
das Stellelement 3 zu registrieren, kann es zweckmäßig sein, die
nicht dargestellte Steuer- bzw. Regeleinheit zum Beispiel mit einem
bei einer Ventilsteuerung vorhandenen Ventilhubsensor zu koppeln.
Abhängig
von dem erkannten Hub bzw. sobald der Anker 2 den Elektromagneten 1 berührt, wird
das Stellelement 3 zunächst
mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit bewegt. Die Geschwindigkeit
wird bis zum Auftreffen des Ankers 2 auf den Elektromagneten 1 auf Null
verzögert,
wobei das Stellelement 3 seine Dicke von d (1) auf d' (2)
verringert.
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Bei einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung ist jedoch kein zusätzlicher Sensor notwendig,
da die Detektion des Auftreffvorgangs durch das Stellelement 3 selbst
vorgenommen wird. Wird auf das piezoelektrische Material des Stellelements 3 Druck
ausgeübt,
so erzeugt dies eine elektrische Spannung, die von der Steuereinheit
entsprechend ausgewertet werden kann. Bei Verwendung von magnetostriktiven
Materialien für
das Stellelement 3 ergibt sich entsprechend eine Änderung des
Magnetowiderstandes.
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Die in 3 für ein piezoelektrisches
Element dargestellte Steuereinheit 7 wertet das Signal entsprechend
aus, um die Dickenänderung
des Stellelements 3 gezielt zu steuern und damit ein elastisches
Auftreffen des Ankers 2 zu erzielen.
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Von der Steuereinheit 7 wird
ein Eingangssignal 8 erfaßt und entsprechend einem in
der Steuereinheit 7 abgespeicherten Kennfeld mit einem
Ausgangssignal 9 überlagert,
das wiederum dem Stellelement 3 zugeführt wird und gegebenenfalls
dessen Dicke verändert.
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Bei Verwendung von magnetostriktiven
Materialien ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, bereits
ein Annähern
des Ankers 2 an den Elektromagneten 1 zu registrieren,
weil dadurch eine Änderung
des durch die Spule 4 des Elektromagneten 1 erzeugten
magnetischen Flusses hervorgerufen wird. Durch entsprechende Geometrie
der Schicht und/oder Auswahl eines geeigneten Magnetostriktionskoeffizienten
hinsichtlich Vorzeichen und Betrag läßt sich die gewünschte Dickenänderung
des Stellelements 3 auslegen.