EP0405191A1 - Electromagnetic positioning device - Google Patents

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EP0405191A1
EP0405191A1 EP90110589A EP90110589A EP0405191A1 EP 0405191 A1 EP0405191 A1 EP 0405191A1 EP 90110589 A EP90110589 A EP 90110589A EP 90110589 A EP90110589 A EP 90110589A EP 0405191 A1 EP0405191 A1 EP 0405191A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnet
armature
permanent magnet
working
magnets
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP90110589A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Franz Prof. Dr. Techn. Pischinger
Peter Dr.-Ing. Kreuter
Michael Dipl.-Ing. Schebitz
Martin Dipl.-Ing. Scheidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FEV Europe GmbH
Original Assignee
FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FEV Motorentechnik GmbH and Co KG filed Critical FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Publication of EP0405191A1 publication Critical patent/EP0405191A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2146—Latching means
    • F01L2009/2148—Latching means using permanent magnet

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetically operating control device for oscillatingly movable control elements on displacement machines, in particular for flat slide valves and globe valves, consisting of a spring system and two electrically operating switching magnets, hereinafter referred to as working magnets, by means of which an armature actuating the control element can be moved into two opposite switching positions , the location of the equilibrium position of the spring system between the two switching positions.
  • Such an actuator is known from DE-OS 30 24 109.
  • the control element of a displacement machine is held in the closed state in an actuating device of this type by a compression spring.
  • Another compression spring acts on a magnet armature interacting with the control element in such a way that the equilibrium position of the spring system lies between the end positions of the movement of the armature.
  • the end positions of the armature movement are each located on an electrically operated switching magnet, hereinafter called the working magnet.
  • the working magnet To switch this device, one working magnet is energized and the other switched off. Due to the force of the pre-tensioned spring, the armature is accelerated to the equilibrium position and decelerated on its way through the counteracting force of the other spring. Due to friction, the armature cannot reach the opposite end position. On the missing remaining path, the armature is attracted by the tensile force of the corresponding working magnet.
  • a permanent magnet is assigned to each of the two working magnets, as described for example in DE-OS 35 00 530, or a common permanent magnet is available for both working magnets, as described in DE-OS 34 02 768 to allow the armature to be held on the respective magnet without energizing the winding.
  • the armature is released from the pole face of the magnet by exciting the winding of the respective magnet with a polarity of the direct current, which causes a weakening of the magnetic field of the permanent magnet.
  • the energy supply to the actuating device via two leads per working magnet for a multi-cylinder version of an internal combustion engine places high demands on a reliable and compact laying and connection of the leads.
  • the invention has for its object to provide an actuating device in particular for the operation of a high-speed internal combustion engine with variably actuated control elements, which requires less energy, and which preferably has a defined end position, which is reached automatically when switching off or failure.
  • the permanent magnet is designed in such a way that it enables the armature to be attracted and held from the position near the pole face during the oscillating movement.
  • the permanent magnet is dimensioned such that it only allows the armature to be held at the pole faces of the closing magnet and the support from the field of the electromagnet is required to attract the armature.
  • a reduction in the number of cables leading to the actuating device is achieved in the proposed arrangement according to a further embodiment of the invention by connecting the two electromagnets in parallel, taking into account the electrical polarity.
  • both windings are preferably excited at the natural frequency of the oscillatable spring-mass system.
  • the position in the inner magnetic leg is selected according to a further embodiment of the invention, since damage can be avoided in this way.
  • the magnetic circuits of the permanent magnet and the electromagnet assigned to the closed position are completely or partially separated.
  • the actuating device can be operated with short dwell times on the opening magnet, ie in the open position of the control valve.
  • the system has a defined end position in the event of failure or shutdown, specifically for internal combustion engines in the closed position of the control valve.
  • the control unit can be supplied via two common supply lines, which halves the effort of the electronic control.
  • FIG. 1 shows an example of an electromagnetically operating actuating device with working magnets 1 and 2, windings 3 and 4 and a permanent magnet 5.
  • An armature 6 is guided in a sleeve 7.
  • the permanent magnet 5 is made of rare earth cobalt or rare earth iron boron sintered material in view of the high demands placed on the magnetic properties. These materials are very brittle and therefore easy to damage.
  • the installation location shown in Figure 1 between sleeve 7 and winding 3 (filled with potting compound) ensures optimal protection against destruction.
  • the current is switched on in good time so that the armature is attracted to the pole face at time t2.
  • the armature 6 starts to move at the point in time t3 and is affected by the force of the magnet 1 due to the permanently magnetically generated field in Time t4 tightened and held.
  • FIG. 4 shows the current profiles that occur when the windings 3 and 4 are connected in parallel during a lifting process for the design case of tightening and holding without current support through the winding 3.
  • the switch-on time is determined point of the current before t1 in both windings after the current rise in winding 3 to drop the armature 6 at the magnet 1.
  • the design of the winding 4 is chosen so that the current at the time t2 the armature approaches the pole face of the magnet 2 has reached sufficient level to tighten the anchor 6.
  • the hatched area of the current curve is not required for the function of the actuating device, but current still flows due to the parallel connection of the windings until time t2, when the armature is captured.
  • FIG. 5 shows the current profiles that occur during the design for tightening with current support through the winding 3.
  • the design of the windings 3 and 4 is chosen so that the current in winding 3 at time t1 initiates a quick release of the armature 6 and the current which is switched on at the same time in winding 4 has a sufficient level for attracting the armature 6 at time t2 of the armature approach.
  • the current direction in the windings is reversed after the time t3.
  • the hatched areas under the current profiles are not necessary for the function of the actuating device, but are caused by the parallel connection of both windings; the resulting losses are low if the windings are designed accordingly.
  • Line 20 shows the stroke of the actuating device, for example the valve of an internal combustion engine, while lines 21 and 22 show the current profile in the electromagnet associated with the closing or opening function.
  • an actuating unit is shown with an upper working magnet 30, the permanent magnetic circuit, consisting of a permanent magnet 31, a pole piece 32 and a middle leg 33, with the separate circuit of the electromagnet, consisting of outer leg 34, yoke 35 and winding 36 through the common middle leg 33 is connected.
  • the permanent magnetic circuit 31, 32, 33 has two axial air gaps, via which the tensile force acts on armature 37.
  • the electromagnetic circuit 33, 34, 35, 36 has an axial and a radial air gap 38.
  • the permanently magnetically excited flux density in the middle leg 33 can be both amplified and weakened, and therefore both support the tightening of the armature 37 against the force of the spring 39 and initiate the armature movement.
  • the magnetic circuit open i.e. Contact of the armature 37 on the lower working magnet 40, the short magnetic path in the radial gap 38 weakens the permanent magnetic circuit less than in an arrangement with two axial air gaps according to FIG. 1; nevertheless, by using the middle leg 33, a high holding force is applied in the tightened state.

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Abstract

An electromagnetic positioning device operating according to the principle of the spring-mass oscillator system (9,10,6,8) with one electromagnet (1,2) in each case in the limit positions of the movement, in particular for actuating control valves and for restricter-free load control in high-speed internal combustion engines, is equipped with a permanent magnet (5) associated with the closed position of the positioning device in order to ensure operation of the internal combustion engine during short control times and to ensure a defined limit position when the positioning device is switched off or has failed. The magnet (2) which is associated with the open position of the valve is constructed as a pure electromagnet. In addition, the coils (3,4) of both magnets are connected in parallel in order thus to halve the drive outlay and the number of feed lines. <IMAGE>

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.The invention relates to an electromagnetically operating control device for oscillatingly movable control elements on displacement machines, in particular for flat slide valves and globe valves, consisting of a spring system and two electrically operating switching magnets, hereinafter referred to as working magnets, by means of which an armature actuating the control element can be moved into two opposite switching positions , the location of the equilibrium position of the spring system between the two switching positions.

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.Such an actuator is known from DE-OS 30 24 109. The control element of a displacement machine is held in the closed state in an actuating device of this type by a compression spring. Another compression spring acts on a magnet armature interacting with the control element in such a way that the equilibrium position of the spring system lies between the end positions of the movement of the armature. The end positions of the armature movement are each located on an electrically operated switching magnet, hereinafter called the working magnet. To switch this device, one working magnet is energized and the other switched off. Due to the force of the pre-tensioned spring, the armature is accelerated to the equilibrium position and decelerated on its way through the counteracting force of the other spring. Due to friction, the armature cannot reach the opposite end position. On the missing remaining path, the armature is attracted by the tensile force of the corresponding working magnet.

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.In other known arrangements either a permanent magnet is assigned to each of the two working magnets, as described for example in DE-OS 35 00 530, or a common permanent magnet is available for both working magnets, as described in DE-OS 34 02 768 to allow the armature to be held on the respective magnet without energizing the winding. The armature is released from the pole face of the magnet by exciting the winding of the respective magnet with a polarity of the direct current, which causes a weakening of the magnetic field of the permanent magnet.

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.With the measure described in DE-OS 35 00 530 compared to the actuator known from DE-OS 30 24 109 energy saving can be achieved without permanent magnets.

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.Systems with a common permanent magnet for both working magnets are, however, unsuitable for the required application as fast, compact actuators due to the higher armature weight and lower axial tensile force.

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.It has also been shown in actuators with one permanent magnet per working magnet that the time important for load control of internal combustion engines between the attraction of the armature to the pole face of the opening magnet and the release of the armature from this magnet when using a permanent magnet as the opening magnet cannot be set short enough. It is therefore not possible to set short control times to achieve low loads on an internal combustion engine. On the other hand, there is a sufficiently long period of time available in 4-stroke internal combustion engines on the side of the closing magnet, so that it makes sense to use a permanent magnet there.

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.Another disadvantage of the arrangement with one permanent magnet per working magnet is the possibility of two equally likely end positions of the magnet armature in the event of failure or Switch off the actuator. As a result, the control valves of internal combustion engines, for example, can remain either in the open or in the closed state, so that detection by an electronic control is required.

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.Furthermore, the energy supply to the actuating device via two leads per working magnet for a multi-cylinder version of an internal combustion engine places high demands on a reliable and compact laying and connection of the leads.

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.The invention has for its object to provide an actuating device in particular for the operation of a high-speed internal combustion engine with variably actuated control elements, which requires less energy, and which preferably has a defined end position, which is reached automatically when switching off or failure.

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.This object is achieved in an actuating device of the type described in the introduction in that in the closed position it is provided with a permanent magnet and an electromagnet, while the opening magnet is only provided with an electromagnet.

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.In order to achieve the greatest possible saving of electrical energy, the permanent magnet is designed in such a way that it enables the armature to be attracted and held from the position near the pole face during the oscillating movement.

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.According to a further embodiment of the invention, the permanent magnet is dimensioned such that it only allows the armature to be held at the pole faces of the closing magnet and the support from the field of the electromagnet is required to attract the armature.

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.A reduction in the number of cables leading to the actuating device is achieved in the proposed arrangement according to a further embodiment of the invention by connecting the two electromagnets in parallel, taking into account the electrical polarity.

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.For a design of the permanent magnet, which only allows the armature to be held on the pole face of the magnet, there is the possibility in the event of failure or switching off that the armature falls into the equilibrium position between the working magnets. In order to move the armature to one of the working magnets starting from the equilibrium position, both windings are preferably excited at the natural frequency of the oscillatable spring-mass system.

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.For the installation of a permanent magnet in a soft magnetic pot magnet, the position in the inner magnetic leg is selected according to a further embodiment of the invention, since damage can be avoided in this way.

Auch kann es zweckmäßig sein, daß die magnetischen Kreise des Permanentmagneten und des der Schließt-Position zugeordneten Elektromagneten ganz oder teilweise getrennt sind.It can also be expedient that the magnetic circuits of the permanent magnet and the electromagnet assigned to the closed position are completely or partially separated.

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.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that the actuating device can be operated with short dwell times on the opening magnet, ie in the open position of the control valve. Furthermore, the system has a defined end position in the event of failure or shutdown, specifically for internal combustion engines in the closed position of the control valve. Furthermore, with the appropriate design and switching of the electromagnets, the control unit can be supplied via two common supply lines, which halves the effort of the electronic control.

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.
Embodiments of the invention are described in more detail with reference to the drawings.
  • Fig. 1 shows in longitudinal section an embodiment of the device according to the invention with a permanent magnet in the inner leg of a pot magnet.
  • 2 and 3 schematically show the profiles of the valve lift and the current profiles of the windings of the two electromagnets when operating with separate feed lines.
  • 4 and 5 schematically show the courses of the valve stroke and the current courses of the windings of the two electromagnets when operating with common supply lines.
  • Fig. 6 shows schematically the course of the valve stroke and the current profiles of the windings of the two magnets when the system starts up in its natural frequency.
  • Fig. 7 shows in longitudinal section an embodiment of the device with partially separate magnetic circuits of the permanent magnet and the electromagnet.

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.1 shows an example of an electromagnetically operating actuating device with working magnets 1 and 2, windings 3 and 4 and a permanent magnet 5. An armature 6 is guided in a sleeve 7. The permanent magnet 5 is made of rare earth cobalt or rare earth iron boron sintered material in view of the high demands placed on the magnetic properties. These materials are very brittle and therefore easy to damage. The installation location shown in Figure 1 between sleeve 7 and winding 3 (filled with potting compound) ensures optimal protection against destruction.

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.In the position shown of the armature 6, this is by the mag netfeld of the permanent magnet 5 held. The shaft 8 of the actuating device of a displacement machine, for example a valve shaft, is held in this position by the force of a compression spring 9 in the closed position. In FIG. 2, starting from this valve position, the control of the windings during a lifting process is shown in the event that the design of the permanent magnet 5 enables the armature to be attracted and held in motion. The current in the winding 3 of the closing magnet 1 weakens the field effect of the permanent magnet 5 on the armature 6. At a certain current level at time t1, the force of a prestressed compression spring 10 is greater than the holding force of the magnet 1, and armature 5 and shaft 8 of the valve start to move. In the winding 4 of the opening magnet 2, the current is switched on in good time so that the armature is attracted to the pole face at time t2. After switching off the current in the winding 4, after a short delay, during which the magnetic field is reduced until the spring force predominates, the armature 6 starts to move at the point in time t3 and is affected by the force of the magnet 1 due to the permanently magnetically generated field in Time t4 tightened and held.

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.In the lifting process shown in FIG. 3 for a permanent magnet design, which only enables the armature 6 to be attracted if additional support is provided by a magnetic field generated by the winding, in addition to the above-described sequence for attracting the armature 6 to the magnet 1, the winding is excited 3 necessary between times t3 and t4. The winding must be reversed in order to generate a field supporting the permanent magnet 5 with respect to the dropping process.

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.FIG. 4 shows the current profiles that occur when the windings 3 and 4 are connected in parallel during a lifting process for the design case of tightening and holding without current support through the winding 3. The switch-on time is determined point of the current before t1 in both windings after the current rise in winding 3 to drop the armature 6 at the magnet 1. The design of the winding 4 is chosen so that the current at the time t2 the armature approaches the pole face of the magnet 2 has reached sufficient level to tighten the anchor 6. The hatched area of the current curve is not required for the function of the actuating device, but current still flows due to the parallel connection of the windings until time t2, when the armature is captured.

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.FIG. 5 shows the current profiles that occur during the design for tightening with current support through the winding 3. The design of the windings 3 and 4 is chosen so that the current in winding 3 at time t1 initiates a quick release of the armature 6 and the current which is switched on at the same time in winding 4 has a sufficient level for attracting the armature 6 at time t2 of the armature approach. During the return movement of the armature 6, the current direction in the windings is reversed after the time t3. The hatched areas under the current profiles are not necessary for the function of the actuating device, but are caused by the parallel connection of both windings; the resulting losses are low if the windings are designed accordingly.

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.In FIG. 6, starting from the equilibrium position, the starting process for an actuating device with a permanent magnet 5 in the closing magnet 1 is shown. Line 20 shows the stroke of the actuating device, for example the valve of an internal combustion engine, while lines 21 and 22 show the current profile in the electromagnet associated with the closing or opening function.

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.Switching on the current in winding 4 causes a magnetic tensile force in the magnet 2, which then attracts the armature 6. Due to the high spring forces and the lack of kinetic energy, the However, the anchor cannot be tightened until the intended end position is reached, and it swings back after reaching a first extreme value 23. The excited oscillatory movement has the period corresponding to the natural frequency of the spring-mass system. The current in coil 4 is then switched off and switched on in coil 3, the current in coil 3 being polarized in such a way that the permanent magnetic field is amplified. After several repetitions of this process, the armature reaches the magnet 1 at the deflection 24 and it is held there until a current of opposite polarity in the winding 3 weakens the permanent magnetic field and causes the armature 6 to be thrown off.

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.In Figure 7, an actuating unit is shown with an upper working magnet 30, the permanent magnetic circuit, consisting of a permanent magnet 31, a pole piece 32 and a middle leg 33, with the separate circuit of the electromagnet, consisting of outer leg 34, yoke 35 and winding 36 through the common middle leg 33 is connected. The permanent magnetic circuit 31, 32, 33 has two axial air gaps, via which the tensile force acts on armature 37. The electromagnetic circuit 33, 34, 35, 36 has an axial and a radial air gap 38. By exciting the winding 36 of the working magnet 30, depending on the electrical polarity, the permanently magnetically excited flux density in the middle leg 33 can be both amplified and weakened, and therefore both support the tightening of the armature 37 against the force of the spring 39 and initiate the armature movement. With the magnetic circuit open, i.e. Contact of the armature 37 on the lower working magnet 40, the short magnetic path in the radial gap 38 weakens the permanent magnetic circuit less than in an arrangement with two axial air gaps according to FIG. 1; nevertheless, by using the middle leg 33, a high holding force is applied in the tightened state.

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.1. Electromagnetically operating control device for oscillatingly movable control elements on displacement machines, in particular for flat slide valves and globe valves, consisting of a spring system and two electrically operating switching magnets, hereinafter called working magnets, by means of which an armature actuating the control element can be moved into two opposite switching positions, the location the equilibrium position of the spring system lies between the two switching positions, characterized in that a permanent magnet is arranged in addition to the working magnet assigned to the closing function, while the working magnet assigned to the opening function is designed exclusively or predominantly as an electromagnet. 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.2. Setting device according to claim 1, characterized in that the magnetic circuits of the permanent magnet and the electromagnet associated with the closing position are completely or partially separated. 3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung der Polung die Wicklungen beider Arbeits­magnete parallel geschaltet sind.3. Actuating device according to claim 1 or 2, characterized in that taking into account the polarity, the windings of both working magnets are connected in parallel. 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.4. Actuating device according to one of claims 1-3, characterized in that the attraction force of the permanent magnet is dimensioned such that it enables the armature to be attracted and held to the pole faces of the working magnet interacting with the permanent magnet when the winding is de-energized. 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.5. Adjusting device according to one of claims 1-3, characterized in that the attraction force of the permanent magnet is dimensioned such that it holds the armature on the pole faces of the working magnet interacting with the permanent magnet enables currentless winding and the tightening of the armature is supported by excitation of the winding of the working magnet. 6. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Permanentmagnet im Innenschenkel eines als Topfmagnet ausgebildeten Arbeitsmagneten untergebracht ist.6. Adjusting device according to one of claims 1-5, characterized in that the permanent magnet is accommodated in the inner leg of a working magnet designed as a pot magnet. 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.7. Actuating device according to one of claims 1-6, characterized in that the windings of the working magnets can be excited in a frequency corresponding to the natural frequency of the oscillatory system.
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