EP0405191A1 - Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach dem Prinzip des Feder-Masse-Schwingers (9, 10, 6, 8) mit je einem Elektromagneten (1, 2) in den Endlagen der Bewegung, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen und zur drosselfreien Laststeuerung in schnellaufenden Brennkraftmaschinen, wird zur Gewährleistung eines Betriebes der Brennkraftmaschine bei kurzen Steuerzeiten und zur Sicherstellung einer definierten Endlage bei Stillegung oder Ausfall der Stelleinrichtung mit einem der Schließt-Position der Stelleinrichtung zugeordneten Permanentmagneten (5) ausgestattet. Der der Öffnet-Position des Ventils zugeordnete Magnet (2) ist als reiner Elektromagnet ausgebildet. Weiterhin können die Spulen (3, 4) beider Magnete parallelgeschaltet werden, um damit den Ansteuerungsaufwand und die Zahl der Zuleitungen zu halbieren.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung für oszillierend bewegbare Steuerelemente an Verdrängungsmaschinen, insbesondere für Flachschieber und Hubven­tile, bestehend aus einem Federsystem und zwei elektrisch arbei­tenden Schaltmagneten, im folgenden Arbeitsmagnete genannt, durch die ein das Steuerelement betätigender Anker in zwei gegenüberlie­gende Schaltpositionen bewegbar ist, wobei der Ort der Gleichge­wichtslage des Federsystems zwischen den beiden Schaltpositionen liegt.
• Eine derartige Stelleinrichtung ist aus DE-OS 30 24 109 bekannt. Das Steuerelement einer Verdrängungsmaschine wird bei einer Stelleinrichtung dieser Art durch eine Druckfeder in geschlossenem Zustand gehalten. Eine weitere Druckfeder wirkt auf einen mit dem Steuerelement zusammenwirkenden Magnetanker derart, daß die Gleichgewichtslage des Federsystems zwischen den Endlagen der Be­wegung des Ankers liegt. Die Endlagen der Ankerbewegung befinden sich jeweils an einem elektrisch betätigten Schaltmagneten, im folgenden Arbeitsmagnet genannt. Zum Schalten dieser Vorrichtung wird jeweils ein Arbeitsmagnet erregt und der andere abgeschaltet. Aufgrund der Kraft der vorgespannten Feder wird der Anker dabei bis zur Gleichgewichtslage beschleunigt und auf seinem weiteren Weg durch die entgegenwirkende Kraft der anderen Feder verzögert. Aufgrund von Reibung kann der Anker die gegenüberliegende Endla­ge nicht erreichen. Auf dem fehlenden Restweg wird der Anker durch die Zugkraft des entsprechenden Arbeitsmagneten angezogen.
• Bei anderen bekannten Anordnungen ist entweder jedem der beiden Arbeitsmagnete ein Permanentmagnet zugeordnet, wie es beispiels­weise in DE-OS 35 00 530 beschrieben ist, oder es steht ein ge­meinsamer Permanentmagnet für beide Arbeitsmagnete zur Verfügung, wie es in DE-OS 34 02 768 beschrieben ist, um ein Halten des An­kers am jeweiligen Magneten ohne Erregung der Wicklung zu ermög­lichen. Das Lösen des Ankers von der Polfläche des Magneten ge­schieht durch Erregung der Wicklung des jeweiligen Magneten mit einer Polung des Gleichstromes, die eine Schwächung des Magnetfeldes des Permanentmagneten bewirkt.
• Mit der in DE-OS 35 00 530 beschriebenen Maßnahme ist gegenüber der aus der DE-OS 30 24 109 bekannten Stelleinrichtung ohne Per­manentmagneten eine Energieeinsparung zu erzielen.
• Systeme mit einem gemeinsamen Permanentmagneten für beide Ar­beitsmagnete sind jedoch aufgrund des höheren Ankergewichtes so­wie einer geringeren Axialzugkraft für die geforderte Anwendung als schnelle, kompakte Stelleinrichtungen ungeeignet.
• Auch hat sich bei Stelleinrichtungen mit je einem Permanentmag­neten pro Arbeitsmagnet gezeigt, daß die für eine Laststeuerung von Brennkraftmaschinen wichtige Zeit zwischen dem Anziehen des Ankers an die Polfläche des Öffnet-Magneten und dem Lösen des An­kers von diesem Magneten bei Verwendung eines Permanentmagne­ten als Öffnet-Magneten sich nicht kurz genug einstellen läßt. Damit ist eine Einstellung kurzer Steuerzeiten zur Erreichung niedriger Lasten einer Brennkraftmaschine nicht möglich. Auf der Seite des Schließt-Magneten hingegen steht bei 4-Takt-Brennkraft­maschinen eine ausreichend lange Zeitspanne zur Verfügung, so daß dort der Einsatz eines Permanentmagneten sinnvoll ist.
• Ein weiterer Nachteil der Anordnung mit je einem Permanentmagne­ten pro Arbeitsmagnet ist die Möglichkeit zweier gleich wahrscheinlicher Endpositionen des Magnetankers bei Ausfall oder Abschalten der Stelleinrichtung. Dadurch können die Steuerventile beispielsweise von Brennkraftmaschinen entweder in geöffnetem oder in geschlossenem Zustand verbleiben, so daß eine Erkennung durch eine elektronische Steuerung erforderlich ist.
• Weiterhin stellt die Energiezufuhr zu der Stelleinrichtung über je zwei Zuleitungen pro Arbeitsmagnet für eine mehrzylindrige Ausführung einer Brennkraftmaschine hohe Anforderungen an eine zuverlässige und kompakte Verlegung und Verbindung der Zuleitun­gen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stelleinrichtung insbesondere zum Betrieb einer schnellaufenden Brennkraftmaschine mit variabel betätigten Steuerelementen zu schaffen, die einen geringeren Energieaufwand benötigt, und die vorzugsweise eine definierte Endlage besitzt, die bei Abschalten oder Ausfall selbsttätig erreicht wird.
• Diese Aufgabe wird bei einer Stelleinrichtung der eingangs be­zeichneten Art dadurch gelöst, daß sie in der Schließt-Position mit einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten versehen ist, während der Öffnet-Magnet nur mit einem Elektromagneten versehen ist.
• Um eine größtmögliche Einsparung elektrischer Energie zu erzie­len, ist der Permanentmagnet so ausgelegt, daß er ein Anziehen und Halten des Ankers aus der bei der Schwingbewegung erreichten polflächennahen Lage ermöglicht.
• Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Permanent­magnet so dimensioniert, daß er nur das Halten des Ankers an den Polflächen des Schließt-Magneten ermöglicht und zum Anziehen des Ankers die Unterstützung durch das Feld des Elektromagneten benö­tigt wird.
• Eine Verringerung der Anzahl der zu der Stelleinrichtung führen­den Kabel wird bei der vorgeschlagenen Anordnung gemäß einer wei­teren Ausbildung der Erfindung durch eine Parallelschaltung der beiden Elektromagneten unter Berücksichtigung der elektrischen Polung erreicht.
• Für eine Auslegung des Permanentmagneten, die nur das Halten des Ankers an der Polfläche des Magneten ermöglicht, ist bei einem Ausfall oder Abschalten die Möglichkeit gegeben, daß der Anker in die Gleichgewichtslage zwischen den Arbeitsmagneten fällt. Um ausgehend von der Gleichgewichtslage den Anker an einen der Ar­beitsmagnete zu bewegen, werden vorzugsweise beide Wicklungen in der Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Feder-Masse-Systems er­regt.
• Für den Einbau eines Permanentmagneten in einen weichmagnetischen Topfmagneten wird gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Position im inneren Magnetschenkel gewählt, da so Beschädi­gungen vermieden werden können.
• Auch kann es zweckmäßig sein, daß die magnetischen Kreise des Permanentmagneten und des der Schließt-Position zugeordneten Elektromagneten ganz oder teilweise getrennt sind.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein Betrieb der Stelleinrichtung mit kurzen Verweil­zeiten am Öffnet-Magneten, d.h. in der geöffneten Position des Steuerventils, ermöglicht wird. Weiterhin besitzt das System bei Ausfall oder Abschalten eine definierte Endposition, und zwar bei Brennkraf tmaschinen in der geschlossenen Position des Steuerven­tils. Weiterhin kann bei entsprechender Auslegung und Schaltung der Elektromagneten die Stelleinheit über zwei gemeinsame Zulei­tungen versorgt werden, was eine Halbierung des Aufwandes der elektronischen Ansteuerung bewirkt.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
• Fig. 1 zeigt im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel der Vorrich­tung gemäß der Erfindung mit einem Permanentmagneten im Innen­schenkel eines Topfmagneten.
• Fig. 2 und 3 zeigen schematisch die Verläufe des Ventilhubes so­wie der Stromverläufe der Wicklungen der beiden Elektromagnete bei Betrieb mit getrennten Zuleitungen.
• Fig. 4 und 5 zeigen schematisch die Verläufe des Ventilhubes so­wie der Stromverläufe der Wicklungen der beiden Elektromagnete bei Betrieb mit gemeinsamen Zuleitungen.
• Fig. 6 zeigt schematisch den Verlauf des Ventilhubes sowie die Stromverläufe der Wicklungen der beiden Magnete bei Anschwingen des Systemes in seiner Eigenfrequenz.
• Fig. 7 zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform der Vorrich­tung mit teilweise getrennten Magnetkreisen des Permanentmagne­ten bzw. des Elektromagneten.
• Fig. 1 zeigt beispielhaft eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung mit Arbeitsmagneten 1 und 2, wicklungen 3 und 4 sowie einen Permanentmagneten 5. Ein Anker 6 wird in einer Hülse 7 geführt. Der Permanentmagnet 5 ist bei den hier gestellten hohen Anforderungen an die magnetischen Eigenschaften aus Seltenerd-­Kobalt oder Seltenerd-Eisen-Bor-Sintermaterial ausgeführt. Diese Materialien sind sehr spröde und damit leicht zu beschädigen. Der in Figur 1 gezeigte Einbauort zwischen Hülse 7 und Wicklung 3 (mit Vergußmasse ausgefüllt) gewährleistet optimalen Schutz vor Zerstörung.
• In der gezeigten Position des Ankers 6 wird dieser durch das Mag­ netfeld des Permanentmagneten 5 gehalten. Der Schaft 8 der Stell­einrichtung einer Verdrängungsmaschine, beispielsweise ein Ventil­schaft, wird in dieser Position durch die Kraft einer Druckfeder 9 in geschlossener Position gehalten. In Figur 2 ist von dieser Ventilstellung ausgehend die Ansteuerung der Wicklungen während eines Hubvorganges dargestellt für den Fall, daß die Auslegung des Permanentmagneten 5 ein Anziehen und Halten des Ankers aus der Bewegung ermöglicht. Der Strom in der Wicklung 3 des Schließt-­Magneten 1 schwächt die Feldwirkung des Permanentmagneten 5 auf den Anker 6. Bei einem bestimmten Stromniveau ist im Zeitpunkt t1 die Kraft einer vorgespannten Druckfeder 10 größer als die Halte­kraft des Magneten 1, und Anker 5 und Schaft 8 des Ventils setzen sich in Bewegung. In der Wicklung 4 des Öffnet-Magneten 2 wird der Strom rechtzeitig eingeschaltet, so daß im Zeitpunkt t2 der Anker an die Polfläche angezogen wird. Nach dem Abschalten des Stromes in der Wicklung 4 setzt sich nach Ablauf einer kurzen Verzugszeit, während der sich das Magnetfeld abbaut bis die Federkraft über­wiegt, im Zeitpunkt t3 der Anker 6 in Bewegung und wird von der Kraftwirkung des Magneten 1 aufgrund des permanentmagnetisch er­zeugten Feldes im Zeitpunkt t4 angezogen und gehalten.
• Bei dem in Figur 3 dargestellten Hubvorgang für eine Permanent­magnetauslegung, die ein Anziehen des Ankers 6 nur bei zusätzli­cher Unterstütung durch ein von der Wicklung erzeugtes Magnetfeld ermöglicht, ist zusätzlich zu dem oben beschriebenen Ablauf zum Anziehen des Ankers 6 an den Magneten 1 ein Erregen der Wicklung 3 zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 notwendig. Die wicklung muß zur Erzeugung eines den Permanentmagneten 5 unterstützenden Feldes gegenüber dem Abwerfvorgang umgepolt werden.
• Figur 4 zeigt die bei einer Parallelschaltung der Wicklungen 3 und 4 während eines Hubvorganges auftretenden Stromverläufe für den Auslegungsfall des Anziehens und Haltens ohne Stromunterstüt­zung durch die Wicklung 3. Dabei richtet sich der Einschaltzeit­ punkt des Stromes vor t1 in beiden Wicklungen nach dem Stromanstieg in Wicklung 3 zum Abwerfen des Ankers 6 am Magneten 1. Die Aus­legung der Wicklung 4 wird dabei so gewählt, daß der Strom zum Zeitpunkt t2 der Annäherung des Ankers an die Polfläche des Mag­neten 2 ein zum Anziehen des Ankers 6 ausreichendes Niveau er­reicht hat. Der schraff iert dargestellte Bereich der Stromkurve ist für die Funktion der Stelleinrichtung nicht erforderlich, je­doch fließt Strom aufgrund der Parallelschaltung der Wicklungen noch bis zum Zeitpunkt t2, dem Einfangen des Ankers.
• Figur 5 zeigt die bei der Auslegung für Anziehen mit Stromunter­stützung durch die Wicklung 3 auftretenden Stromverläufe. Die Auslegung der Wicklungen 3 und 4 wird so gewählt, daß der Strom in Wicklung 3 im Zeitpunkt t1 ein schnelles Abwerfen des Ankers 6 einleitet und der gleichzeitig eingeschaltete Strom in Wicklung 4 ein zum Zeitpunkt t2 der Ankerannäherung ausreichendes Niveau zum An­ziehen des Ankers 6 aufweist. Während der Rückbewegung des Ankers 6 wird nach dem Zeitpunkt t3 die Stromrichtung in den Wicklungen umge­kehrt. Die schraff iert dargestellten Bereiche unter den Stromver­läufen sind für die Funktion der Stelleinrichtung nicht erforder­lich, aber durch die Parallelschaltung beider Wicklungen bedingt; die sich dadurch ergebenden Verluste sind bei entsprechender Auslegung der Wicklungen gering.
• In Figur 6 ist ausgehend von der Gleichgewichtslage der An­schwingvorgang für eine Stelleinrichtung mit einem Permanentmag­neten 5 im Schließt-Magneten 1 gezeigt. Linienzug 20 zeigt den Hub der Stelleinrichtung, beispielsweise des Ventils einer Brenn­kraftmaschine, während die Linienzüge 21 und 22 den Stromverlauf in dem der Schließt- bzw. der Öffnet-Funktion zugeordneten Elek­tromagneten zeigt.
• Das Einschalten des Stromes in Wicklung 4 bewirkt eine Magnetzug­kraft im Magneten 2, der daraufhin den Anker 6 anzieht. Aufgrund der hohen Federkräfte und fehlender kinetischer Energie kann der Anker jedoch nicht bis zum Erreichen der vorgesehenen Endlage an­gezogen werden, und er schwingt nach Erreichen eines ersten Ex­tremwertes 23 zurück. Die angeregte Schwingbewegung hat die Pe­riodendauer entsprechend der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems. Anschließend wird der Strom in Spule 4 abgeschaltet und in Spule 3 eingeschaltet, wobei der Strom in Spule 3 so gepolt ist, daß das permanentmagnetische Feld verstärkt wird. Nach mehreren Wieder­holungen dieses Vorgangs erreicht der Anker den Magneten 1 bei der Auslenkung 24 und er wird dort gehalten, bis ein Strom ent­gegengesetzter Polung in Wicklung 3 das permanentmagnetische Feld schwächt und ein Abwerfen des Ankers 6 bewirkt.
• In Figur 7 ist eine Stelleinheit mit einem oberen Arbeitsmagne­ten 30 dargestellt, dessen permanentmagnetischer Kreis, bestehend aus einem Permanentmagneten 31, einem Polstück 32 sowie einem Mittelschenkel 33, mit dem separaten Kreis des Elektromagneten, bestehend aus Außenschenkel 34, Joch 35 und Wicklung 36, durch den gemeinsamen Mittelschenkel 33 verbunden ist. Der permanent­magnetische Kreis 31, 32, 33 hat zwei Axialluftspalte, über die die Zugkraft auf Anker 37 wirkt. Der elektromagnetische Kreis 33, 34, 35, 36 hat einen Axial- und einen Radialluftspalt 38. Durch Erregung der Wicklung 36 des Arbeitsmagneten 30 kann je nach elektrischer Polung die permanentmagnetisch erregte Flußdichte im Mittelschenkel 33 sowohl verstärkt als auch geschwächt werden, und daher kann sowohl eine Unterstützung des Anziehens des Ankers 37 gegen die Kraft der Feder 39 als auch die Einleitung der Ankerbewegung erfolgen. Bei geöffnetem Magnetkreis, d.h. Anlage des Ankers 37 am unteren Arbeitsmagneten 40, wird durch den kur­zen Luftweg im Radialspalt 38 der permanentmagnetische Kreis we­niger geschwächt als bei einer Anordnung mit zwei Axialluftspal­ten nach Figur 1; trotzdem wird, durch Nutzung des Mittelschen­kels 33, im angezogenen Zustand eine hohe Haltekraft aufgebracht.

Claims (7)

1. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung für oszillierend bewegbare Steuerelemente an Verdrängungsmaschinen, insbesondere für Flachschieber und Hubventile, bestehend aus einem Federsystem und zwei elektrisch arbeitenden Schaltmagneten, im folgenden Ar­beitsmagnete genannt, durch die ein das Steuerelement betätigen­der Anker in zwei gegenüberliegende Schaltpositionen bewegbar ist, wobei der Ort der Gleichgewichtslage des Federsystems zwi­schen den beiden Schaltpositionen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem der Schließt-Funktion zugeordneten Arbeits­magneten ein Permanentmagnet angeordnet ist, während der der Öff­net-Funktion zugeordnete Arbeitsmagnet ausschließlich oder über­wiegend als Elektromagnet ausgebildet ist.

2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kreise des Permanentmagneten und des der Schließt-Position zugeordneten Elektromagneten ganz oder teilwei­se getrennt sind.

3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung der Polung die Wicklungen beider Arbeits­magnete parallel geschaltet sind.

4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Attraktionskraft des Permanentmagneten so bemessen ist, daß er das Anziehen und Halten des Ankers an die Polflächen des mit dem Permanentmagneten zusammenwirkenden Arbeitsmagneten bei stromloser wicklung ermöglicht.

5. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Attraktionskraft des Permanentmagneten so be­messen ist, daß er das Halten des Ankers an den Polflächen des mit dem Permanentmagneten zusammenwirkenden Arbeitsmagneten bei stromloser Wicklung ermöglicht und das Anziehen des Ankers durch Erregung der Wicklung des Arbeitsmagneten unterstützt wird.

6. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Permanentmagnet im Innenschenkel eines als Topfmagnet ausgebildeten Arbeitsmagneten untergebracht ist.

7. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Wicklungen der Arbeitsmagnete in einer der Ei­genfrequenz des schwingungsfähigen Systems entsprechenden Fre­quenz erregbar sind.

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