DE19948489A1

DE19948489A1 - Elektromagnetische Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE19948489A1
Application number: DE1999148489
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber; Thomas Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-04-12
Also published as: WO2001026122A1; EP1155422A1

Abstract

Es wird ein elektromagnetisches Stellglied beschrieben, bei dem die Wicklungen in wenigstens zwei Teilwicklungen aufgeteilt sind und bei dem die eine Wicklung eine Schnellerregerwicklung mit kleiner Zeitkonstanten ist. DOLLAR A Die eine Wicklung wird während der Flugphase zur Energiezufuhr und zum Halten des Ankers in den Endstellungen benutzt, während die Schnellerregerwicklung zur Schnellkorrektur der Ankerenergie verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Die Magnete von elektromagnetischen Stelleinrichtungen, z. B. für die Ventilsteue rungen eines Verbrennungsmotors sind dadurch gekennzeichnet, daß sie eine relativ hohe Kraft aufbringen müssen. Dementsprechend ist die Induktivität und die Zeitkon stante dieser Elektromagnete relativ groß. Dies bereitet Schwierigkeiten bei der so genannten Softtouch-Regelung, das heißt das Ventil muß jeweils in die Endlage, nämlich ganz geöffnet oder geschlossen mit kleiner Geschwindigkeit ankommen, damit das Aufschlagen des Ankers oder auch des Ventils mit nur kleiner Geschwin digkeit erfolgt. Dies ist notwendig zur Geräuschminimierung aber auch zur Reduzie rung der mechanischen Belastung des elektromagnetischen Ventiltriebs. Zur Rege lung unter Berücksichtigung des Softtouches ist es bekannt, dieses Problem durch Schnellerregung über höhere Spannung und Übererregung zu lösen, das heißt es wird während der sogenannten Flugphase mehr Energie eingesteuert. Im Bereich der Annäherung an die Endlage wird der Magnet abgeschaltet und über eine Freilauf diode mit Energierückgewinnung wird die magnetische Energie in elektrische Energie umgesetzt, was den Wirkungsgrad steigert. Dieser Stromabbau verläuft jedoch zeit lich relativ langsam. Diese Maßnahme mit erhöhter Spannung macht die Endstufen teuer und erfordert mehr Aufwand für die Isolation.

Aus der WO 99/06677 ist eine elektromagnetische Stelleinrichtung bekannt, bei der zwei Wicklungen pro Magnet verwendet werden. Die eine Wicklung hat die Aufgabe den durch Reibung und Gaskräfte verursachten Energieverlust auszugleichen. Die andere Wicklung ist eine Schnellerregerwicklung mit einer geringen Zeitkonstante, die zur Regelung oder Steuerung der Ankerstellung benutzt wird. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus. Aus der gleichen Schrift ist es auch bekannt, die eine Wicklung zur Realisierung der Flugphase und die andere nur als Haltewicklung zu benutzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Einregelung des Ankers in die Endla gen zu optimieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem oben verwendeten Ausdruck"Wicklung" ist unterstellt, daß eine Wicklung eine Spule oder eine Spulenkombination ist, deren aktive Windungen jeweils einen Magnetfluß bestimmen.

Die oben erwähnte Schnellerregerspule weist auf Grund ihrer geringen Windungs zahl eine gegenüber der ersten Wicklung sehr kleine Zeitkonstante und auch einen gegenüber der ersten Wicklung kleinen Bruchteil an der Durchflutung auf.

Der im Anspruch 2 erwähnte schnellere Abbau des Magnetfelds der ersten Wicklung kann durch Änderung der Entladezeitkonstanten, durch Umschalten auf eine Zener diode im Entladekreis, aber auch durch Erzeugen eines Gegenfelds durch eine wei ter Spule, die auch die Schnellerregerspule sein kann, erzielt werden. In diesem Fall wird dem Fefd der ersten Spule ein Gegenfeld einer gegengeschalteten Spule über lagert.

Die Erfindung benutzt somit wie erwähnt, mindestens auch zwei Spulen. Die eine (erste) Wicklung wird für die normale Hubbewegung und für das Halten des Ankers benutzt. Sollte die Ankerbewegung beschleunigt werden im Rahmen der Softtouch regelung, wird die Schnellerregerwicklung eingeschaltet, die eine relativ kleine Zeit konstante aufweist und auch nur einen Teil der Durchflutung, (Ankerwindungszahl) realisiert. Dadurch ist es möglich den Anker in der Annäherungsphase in die End stellung kurzfristig zu korrigieren, in dem schneller Kraftanstieg durch die Schneller regerwicklung ermöglicht wird. Auf der anderen Seite kann gegebenenfalls über schüssige Magnetenergie abgebaut werden, indem nach dem Abschalten des Ma gneten in der Flugphase und Abbau der Magnetenergie über eine Freilaufdiode kurzfristig eingegriffen wird, indem über Zenerdiode, eine Feldumkehr oder anderer Schaltungen ein schneller Abbau des Magnetfeldes und damit eine Kraftänderung erfolgt.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Steileinrichtung

Fig. 2 mögliche Ausbildungen der Wicklungen

Fig. 3 eine Regelschaltung in Blockdarstellung

Fig. 4 ein Kraftdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.

In Fig. 1 sind zwei zweipolige Elektromagnete 1 und 2 gezeigt, die je zwei Wicklungen 3 und 4 aufweisen. Diese Magnete 1 und 2 wirken auf einen Anker 5 ein, der um eine Schwenkachse 6 schwenkbar gelagert ist. Auf den Anker wirken zwei entgegenge setzt gerichtete Federkräfte ein, die wenigstens teilweise durch eine auf den Anker 5 wirkende Torsionsfeder 7 erzeugt werden. Der Anker 5 wirkt über ein Betätigungsteil 8 auf den Schaft 9 eines Ventils eines Verbrennungsmotors ein. Wenigstens der Schließmagnet 1 sollte mit zwei Wicklungen ausgestattet sein, weil hier bei Ausfall der ersten Wicklung, die Schnellerregerwicklung als Redundanz zusätzlich die für den Motor wichtige Haltefunktion übernehmen kann. Die Schnellerregerwicklung muß dann auch in dieser Hinsicht entsprechend dimensioniert sein.

Die Fig. 2a und 2b zeigen zwei Möglichkeiten der Ausbildung der Wicklungen 3 und 4. Im Falle der Fig. 2a sind zwei voneinander unabhängige Wicklungen 10 und 11 vorgesehen, die getrennt einschaltbar sind. Die Wicklung 10 weist weniger Windun gen und damit eine kleinere Zeitkonstante auf und dient als Schnellerregerwicklung. In der Fig. 2b wird die erste Wicklung durch die hintereinander geschalteten Wicklun gen 12 und 13 gebildet und die getrennt einschaltbare Wicklung 13 ist hier die Schnellerregungswicklung. Die Ausbildung der Fig. 2b hat den Vorteil, daß bei Ein satz beider Wicklungen 12 und 13 während der Flugphase und zum Halten der ge samte Wickelraum für die Durchflutung benutzt wird.

Fig. 3 zeigt schematisch die Regeleinrichtung 20 für die Stelleinrichtung. Von einer Zentraleinheit 21 kommen die Befehle wann und wie die erste Wicklung 22 ein- und abgeschaltet werden soll. Der Flug des Ankers wird, z. B. durch zwei Sensoren 23 und 24 überwacht, die die Istgeschwindigkeiten oder das Erreichen der Istpositionen des Ankers an verschiedenen Stellen ermitteln und zwar an solchen Stellen, an de nen die Wicklung schon von der Spannungsquelle abgeschaltet ist. Die Istwerte wer den in der Regeleinrichtung 20 mit Sollwerten verglichen und bei Abweichen der Ist von den Sollwerten wird entweder die Schnellerregerwicklung 25 kurzzeitig einge schaltet oder die Entladeeinrichtung 26 kurzzeitig von der normalen Entladung auf Schnellentladung umgeschaltet, also z. B. von der Entladung über eine Freilaufdiode auf Entladung über eine Zenerdiode. Die Wicklung 22 kann entsprechend Fig. 2a eine Einzelspule oder entsprechend Fig. 2b die Hintereinanderschaltung der Spulen 12 und 13 sein. Die Wicklung 25 entspricht dann entweder der Wicklung 10 oder 13.

Anhand der Fig. 4 wird ein möglicher Regelablauf erläutert. Dort ist oben über der Zeit t der auf den Anker durch die Wicklungen erzeugte Durchflutung (Amperewin dungszahl AW) und darunter die Ansteuerspannung U₁ für die erste Wicklung 22, die Ansteuerspannung U₂ für die Schnellerregerwicklung 25 und das Ansteuersignal U₃ für das Entladeglied 16 aufgezeichnet.

Fig. 4 zeigt einen typischen Amperewindungsanstieg (AW) während der Flugphase, das heißt wenn der Anker sich von der Endstellung in die andere bewegt. Zum Zeit punkt a setzt nach Einschaltung der Wicklung 22 der Stromanstieg ein. Ab Zeitpunkt b wird getaktet, das heißt die Amperewindungszahl wird im Mittel konstant gehalten. Zum Zeitpunkt c wird die Wicklung 22 voll abgeschaltet; über eine Freilaufdiode in 26 erfolgt der Amperewindungszahlabbau mit einer Steigung FD. Im Zeitpunkt d wird in der Regelung eine negative Istwertabweichung erkannt, z. B. daß die Ankerge schwindigkeit zu gering ist oder der Sollweg nicht erreicht ist. In diesem Fall wird kurzzeitig die Schnellerregerspule 25 eingeschaltet. Diese Einschaltung geschieht gegebenenfalls mehrere Male als Folge der Abweichung vom Sollwert. Die Ein schaltung im Bereich der Hubendlage bei kleinen Luftspalten ist besonders vorteilhaft für eine hohe Kraftausbeute. Zum Zeitpunkt e wird ein Überschuß an Magnetenergie, das heißt Geschwindigkeit erkannt. In diesem Fall wird im Abbauglied 26, z. B. eine Zenerdiode eingeschaltet, die das Magnetfeld sehr schnell abbaut (Steigung ZD), was mit einer schnellen Amperewindungszahländerung verbunden ist. Zum Zeitpunkt f setzt das Takten des Stroms der Wicklung 22 ein, durch das der Anker in der End stellung gehalten wird.

Claims

1. Elektromagnetische Stelleinrichtung mit wenigstens einem Elektromagneten (1, 2) und einem verschiebbar gelagerten, zwischen den Polflächen durch Elektromagnetkraft hin- und her bewegbaren Anker (5), der ohne Ansteue rung der Wicklung (3, 4) des wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) durch zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte (7) in einer Zwischenstellung gehalten wird und nach Erreichen einer Endstellung wenigstens in der Nähe der Polflächen des wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) bei verminder tem Strom festgehalten wird, wobei die Wicklung (3, 4) des wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) wenigstens zwei getrennt einschaltbare Wicklungen (3, 4) aufweist, von denen eine erste (11, 12 + 13) zur Hubbewegung ausge nutzt wird und eine zweite, eine Schnellerregungswicklung (10; 13) mit ge genüber der ersten Wicklung kleiner Zeitkonstante ist, die zur Regelung oder Steuerung der Ankerstellung eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung (11; 12 + 13) auch zum Festhalten des Ankers (5) in der Endstellung bei vermindertem Strom benutzt wird, und daß die Schnellerre gerwicklung (10; 13) zur Korrektur einer Sollwertabweichung kurzzeitig ein geschaltet wird.

2. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Feststellen einer positiven Sollwertabweichung kurzzeitig auf einen schnelleren Abbau des Magnetfelds (Glied 26) umgeschaltet wird.

3. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Wicklung (11) und die Schnellerregerwicklung (10) getrennte Wicklungen sind.

4. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Wicklung als Hintereinanderschaltung Schneller regerwicklung (13) und einer weiteren Wicklungen (12) ausgebildet ist.

5. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der schnelle Feldabbau der ersten Wicklung (11; 12 + 13) über eine Zenerdiode (in 26) erfolgt.

6. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der schnelle Feldabbau der ersten Wicklung (11; 12 + 13) durch Feldumkehr erfolgt.

7. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der Feldabbau der ersten Wicklung (11; 12 + 13) durch ein Gegenfeld einer weiteren Wicklung, insbesondere der Schnellerre gerwicklung erfolgt.

8. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der Sollposition durch den Anker (5) der Strom getaktet wird.

9. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ansteuern der ersten Wicklung (11; 12 + 13) mit Dauerstrom und dem Abschalten des Stroms eine getaktete Phase des Ansteuerstroms eingeschaltet ist.

10. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß bei Ausfall der ersten Wicklung (11, 12 + 13) des Schließmagneten eine andere Wicklung, insbesondere die Schnellerreger wicklung (10; 13) die Haltefunktion übernimmt.

11. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Ankerposition von Sollposi tionen überwacht wird.

12. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Ankergeschwindigkeit von Sollgeschwindigkeiten überwacht wird.

13. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß der Anker (5) auf den Ventilschaft (9) eines Ver brennungsmotors einwirkt.

14. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß vorzugsweise der Magnet (1) des Schließventils mit den beiden Wicklungen (10, 11; 12, 13) ausgerüstet ist.