EP1532350A1 - Sensoranordnung zur erfassung der bewegung eines durch einen aktuator hin und her bewegten stellgliedes mit kurzer baulänge - Google Patents

Sensoranordnung zur erfassung der bewegung eines durch einen aktuator hin und her bewegten stellgliedes mit kurzer baulänge

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EP1532350A1
EP1532350A1 EP02807706A EP02807706A EP1532350A1 EP 1532350 A1 EP1532350 A1 EP 1532350A1 EP 02807706 A EP02807706 A EP 02807706A EP 02807706 A EP02807706 A EP 02807706A EP 1532350 A1 EP1532350 A1 EP 1532350A1
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EP
European Patent Office
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coil
short
actuator
circuit element
movement
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02807706A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann-Josef Laumen
Gunter GÜRICH
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FEV Europe GmbH
Original Assignee
FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by FEV Motorentechnik GmbH and Co KG filed Critical FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Publication of EP1532350A1 publication Critical patent/EP1532350A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
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    • F01L2009/2105—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids comprising two or more coils
    • F01L2009/2109—The armature being articulated perpendicularly to the coils axes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2167—Sensing means
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/04—Sensors
    • F01L2820/045—Valve lift

Definitions

  • an electromagnetic actuator with two electromagnets arranged at a distance from one another, the pole faces of which are alternately guided and between which an armature can be moved back and forth against the force of return springs during alternating energization, current and / or voltage can be detected on the electromagnet In each case catching magnets or when releasing the holding magnet conclusions are drawn to the armature movement, which can be used with appropriate signal processing for purposes of control.
  • Such an electromagnetic actuator is used, for example, as a fully variable valve drive for actuating a gas exchange valve on a reciprocating internal combustion engine.
  • the increased demands on the accuracy of the control in particular with regard to influencing the impact velocity of the armature on the pole face of the respective catching magnet, and thus also the Aufsetz Eck the gas exchange valve on the valve seat, allow a motion detection by derivation from the current and voltage curves appear no longer sufficient on the coils of the electromagnet, since the signals obtained from it can be implemented only for the next following stroke.
  • a sensor of this type is known from DE 101 57 119 A in principle, but requires a relatively large length, if accurate measurement signals are desired.
  • the invention has for its object to provide a sensor arrangement which is equivalent to the previously known sensor arrangement, but requires a significantly shorter overall length.
  • the signal generation which will be explained in more detail below, in each case by a field change in the coils, is effected via the immersion length of the short-circuit element, which changes with the stroke, into the coil.
  • the shorting element must have a larger Have length as the coil, so that the coil is filled depending on the stroke either with the electrically highly conductive material of the short-circuit element or with the electrically poorly conductive, preferably magnetizable material of the sensor part.
  • the material of the sensor part may be hard magnetic or soft magnetic.
  • Such a sensor arrangement has a significantly shorter overall length and can be used, for example, such that the coils of the sensor arrangement of the two actuators are interconnected in a half bridge in the case of two actuating members which can be actuated alternately with an actuator, so that in each case the coil arrangement of the non-actuated actuator assumes the function of a passive coil, ie acts as a compensation coil in the bridge circuit.
  • the only prerequisite is that the sensor arrangement is exposed to virtually the same environmental influences, in particular the same temperature influences.
  • this interconnection can be carried out in such a way that in each case a non-actuated and an actuated gas exchange valve is connected in the half-bridge according to the firing order.
  • the coil arrangement has an active coil with a large longitudinal extension and - based on the direction of movement of the shorting element - end before and / or behind the active coil, a passive coil with a short longitudinal extent, wherein the passive coil in the movement of the Actuator is swept by any end edge of the KurzSchlußides.
  • This ensures that the so-called passive coils undergo no field change during the movement of the actuator and thus take over the function of the compensation coils in the bridge circuit. Since the passive coils, which serve as compensation coils, only a correspondingly short length must have, the entire length compared to the previously known sensor arrangement can be almost half. This results in only a small, negligible increase in the susceptibility to external influences.
  • the linearity can still be improved by winding technical measures, for example by specifically uneven winding, additional compensation winding or similar measures.
  • winding technical measures for example by specifically uneven winding, additional compensation winding or similar measures.
  • two passive coils one associated with each at each end of the active coils, these are suitably wound in the same direction and connected in series with each other and interconnected as a quarter-bridge elements with the active coil in a half-bridge.
  • a high-frequency alternating current is applied to the coil arrangement of such a sensor arrangement, a high-frequency magnetic field is generated which acts on the short-circuit element connected to the rod-shaped sensor part and generates eddy currents in the short-circuit element.
  • the eddy currents in turn generate a magnetic opposing field which counteracts the causing high-frequency magnetic field in the form of a field displacement.
  • the resulting field change of the coil makes itself noticeable to the outside by a change in the inductance.
  • the rod-shaped sensor part consists of a magnetically permeable or a magnetically conductive material.
  • the short-circuit element can be formed by a patch on the rod-shaped sensor part short-circuit ring.
  • the rod-shaped sensor part of magnetizable material can also be subdivided and a rod-shaped, firmly connected intermediate piece of electrically conductive material can be provided.
  • a housing of a magnetically conductive but electrically poorly conducting material which encloses the coil arrangement as far as possible is provided. This is particularly important when the sensor assembly is connected directly to the actuator and the actuator is designed as an electromagnetic actuator, so that upon actuation of the electromagnets of the actuator corresponding interference fields occur.
  • the short-circuit element in the form of a short-circuit ring has a clear wall thickness, preferably between 0.1 and Can be 0.5 mm.
  • a certain temperature dependence of the sensor arrangement can be compensated by means of a corresponding adaptation of the wall thickness.
  • the penetration of the eddy currents is limited with increasing temperature, so that the eddy currents decrease above a certain temperature.
  • the wall thickness it is possible to compensate in part for further thermally induced influences, for example the temperature dependence of the permeability of the magnetic core and cladding material.
  • a carrier frequency measuring bridge is provided in a further embodiment of the invention, which has a frequency generator, wherein the two coils of the coil arrangement form part of the measuring bridge. It is expedient in this case if the frequency generator generates a high carrier frequency, for example in the size of 100 kHz.
  • 2 shows a basic form of a sensor arrangement on a larger scale in section
  • 3 shows a circuit arrangement
  • Fig. 4 shows a first modification of the embodiment. 2
  • Fig. 5 shows a second modification of the embodiment. 2
  • Fig. 6 shows a circuit arrangement according to the embodiment.
  • Fig. 7 shows a third modification of the embodiment. 2
  • Fig. 8 shows a circuit arrangement according to the embodiment. Fig. 7.
  • the illustrated in Fig. 1 electromagnetic actuator is essentially formed by two electromagnets 1 and 2, which are enclosed by two housing parts 3.1 and 3.2, which in turn are arranged on a trained as a spacer housing part 3.3 at a distance from each other and aligned with their pole faces 4 against each other , In the space enclosed by the distance part 3.3 movement space between the two pole faces 4, an armature 5 is arranged, which is guided via a guide pin 6.1 in a guide 7 back and forth.
  • the armature 5 is connected via a guide pin 6.2, which is supported on the guide pin 6.1 in the region of the armature 5 on this, with a return spring 8 in connection.
  • the other lower free end 9 of the guide pin 6.1 is based here on an actuator, for example, the free end of the shaft 11 of a gas exchange valve, which is guided in the only indicated here cylinder head 12 of a reciprocating internal combustion engine.
  • a return spring 13 By a return spring 13, the gas exchange valve in the closing direction (arrow 11.1) is acted upon, wherein the return spring 13 and the return spring 8 are directed towards each other in their direction of force, so that when electromagnets are set without current, the armature 5 assumes its rest position between the two pole faces 4 of the two electromagnets 1 and 2, as shown in FIG.
  • the housing parts 3.1 and 3.2 of the two electromagnets each enclose a preferably cuboid Jochkör- by 14, which are provided with recesses into which an annular coil 15 is inserted, each alternately via a control device not shown here for opening and closing the gas exchange valve can be energized.
  • a sensor arrangement 16 is provided, which essentially consists of a rod-shaped sensor part 17, for example a so-called Meßstelze, which practically represents an extension of the spring pin 6.2.
  • the rod-shaped sensor part 17 is enclosed by a coil arrangement 18, which is connected to a voltage supply and signal detection 19.
  • an alternating current or an alternating voltage is generated by the reciprocation of the wandformigen sensor part 17 in the coil assembly 18 depending on the circuit arrangement and design of the sensor assembly, which is proportional to the path of the sensor part and thus proportional to the path of the armature 5.
  • the armature travel can be detected as a signal and by a differentiation of the path signal, a speed-proportional signal can be generated.
  • the basic design for a sensor arrangement shown in FIG. 2 consists essentially of the rod-shaped sensor part 17, which is enclosed by the coil arrangement 18, which is connected to the voltage supply and evaluation device 19 via corresponding supply lines 20, 21, 22. At the closer illustrated embodiment, the coil assembly on only one coil 18.1.
  • the rod-shaped sensor part 17 shown is provided with a short-circuit element 23 in the form of a ring or a sleeve made of an electrically conductive material with low resistance to ohmic resistance, a so-called short-circuit ring.
  • the short-circuit ring 23 has two end edges 23.1 and 23.2, wherein its longitudinal extent in the direction of movement is such that only one end edge, here the end edge 23.1, which is shown for a middle position of the actuator between the two end positions I and II of the total stroke h, the Coil 18.1 sweeps over. In the end position I, the coil 18.1 is almost completely covered by the material of the short-circuit element, while in the end position II the coil
  • the inductance of the coil 18.1 changes in proportion to the displacement of the end edge 23.1 in relation to the coil length.
  • Such a sensor arrangement operates on the eddy current principle. If the coil assembly 18 is acted upon by a high-frequency alternating current, so that a high-frequency magnetic field is generated, then 23 electrical see voltages are induced in the short-circuit ring, which are converted by the short circuit into eddy currents. These eddy currents in turn generate a magnetic opposing field that counteracts the causing high-frequency magnetic field of the coil assembly 18 in the form of a field change.
  • the coil assembly 18 is surrounded on all sides by a housing 24 except passage openings 25 for the rod-shaped sensor part 17, the housing 24 consists of a magnetically highly conductive material, however, has poor electrical conductivity properties and serves as a shield for the coil assembly 18 against the action of external magnetic fields.
  • the coil 18.1 may for example be fixed in the housing 24 with potting compound.
  • the short-circuit ring 23 which is made of a good electrically conductive material, suitably made of copper or aluminum, has a thickness which is for example in the range between 0.1 and 0.5 mm.
  • the short-circuit ring 23 is inserted in a groove 23. 3 in the rod-shaped sensor part 17.
  • the rod-shaped sensor part 17 can in this case be formed directly by the actuator to be actuated, for example, a nozzle needle on an injection nozzle or through the shaft of a gas exchange valve, so that the rod-shaped Sen- putil 17 passes through the coil assembly with its entire length, or by a corresponding Bolt of the actuator anchor or a stalk connected thereto.
  • the extent of the short-circuit element, here the short-circuit ring 23 in the direction of movement corresponds in the embodiment according to. Fig. 2 at least the length of the coil assembly.
  • Fig. 3 is according to the embodiment.
  • Fig. 2 shows schematically a circuit for the detection of measured values in the form of a carrier frequency measuring bridge.
  • the two coils 18.1a and 18.1b of the coil arrangements 18 of two sensor arrangements are interconnected with two further impedances, for example coils 18.3 and 18.4, to form a carrier frequency measuring bridge 29.
  • the bridge 29 is acted upon by a frequency generator 30 with a high-frequency alternating current.
  • a circuit gem With a circuit gem. Fig. 3, it is possible to use the low height of a sensor assembly gem. Fig. 2, in each case connect two actuators with their sensor arrangement in a common bridge. The only prerequisite is that the two actuators are actuated so that one actuator is at rest while the other actuator is actuated.
  • the coil arrangement of the "stationary" actuator forms the compensation coil of the circuit, while in each case the coil of the "moving" actuator represents the active coil.
  • the passive coil is used to supplement the quarter bridge to a half bridge and is then used for noise compensation.
  • the only prerequisite is that the associated displacement sensors are exposed to approximately the same environmental influences, for example, have the same temperature.
  • Fig. 4 is a modification of the coil assembly gem. 2, in which a "long" active coil 18 and a comparatively shorter passive coil 26 are wound in the housing 24 on a coil carrier 27 made of a magnetically permeable insulating material.
  • the coil 26 is arranged in a region which lies outside the stroke range h which is crossed by the end edge 23.1, so that when the rod-shaped sensor part 17 moves, the passive coil 26 always only comprises the magnetically conductive material of the sensor part 17 is swept over.
  • the coil 26 is connected to the input 22 of the active coil 18, so as to give the reproduced in Fig. 6 bridge circuit.
  • Fig. 5 shows a modification of the embodiment. 4, in which the short passive coil 26 again lies outside the stroke range h swept by the end edge 23.1, but in this case is only swept over by the electrically conductive material of the short-circuit element 23. Again, the circuit applies gem. Fig. 6.
  • Fig. 7 is a combination of the two embodiments. 4 and 5, in which in each case outside the stroke range h two short passive coils 26.1 and 26.2 are arranged, which, as shown in FIG. 7, are connected in series and linked in the manner shown with a supply line of the active coil 18 are.
  • the associated circuit arrangement is shown in Fig. 8.
  • the short-circuit element 23 is formed as a short-circuit ring, it is also possible to share the stabformigen sensor part 17 in partial lengths.
  • a rod-shaped intermediate piece for example, made of copper by welding, soldering or the like with these two partial lengths is firmly connected. This intermediate piece forms the short-circuit element 23.
  • the first recess in the direction of movement in turn corresponds at least to the length of the active coil 18.1.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines durch einen Aktuator bewegbaren Stellgliedes, insbesondere eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, mit einer feststehenden, wenigstens eine Spule (18.1; 26) aufweisenden Spulenanordnung (18), die auf ihrem Aussenumfang von einem Gehäuse (24) aus magnetisch leitendem, aber elektrisch schlecht leitenden Material umschlossen ist und die mit einer Stromversorgung und Signalerfassung (19) in Verbindung steht, und mit einem axial bewegbaren stabförmigen Sensorteil (17) aus einem vorzugsweise magnetisierbaren Material, dass mit dem axial hin und her bewegbaren Stellglied in Verbindung steht und dass mit einem in Längsrichtung durch zwei Endkanten (23.1, 23.2) begrenzten Kurzschlusselement (23) aus einem elektrisch leitendem Material mit geringem Ohmschen Widerstand versehen ist, dessen Erstreckung in Bewegungsrichtung so bemessen ist, dass nur eine Endkante (23.1) des Kurzschlusselementes (23) sich während der Hinund Herbewegung im Hubbereich (h) immer innerhalb der Spulenanordnung (18) befindet.

Description

Bezeichnung: Sensoranordnung zur Erfassung der Bewegung eines durch einen Aktuator hin und her bewegten Stellgliedes mit kurzer Baulänge
Beschreibung
Da bei einem Aktuator zur Hin- und Herbewegung eines Stellgliedes, insbesondere einem elektromagnetischen Aktuator, die Bewegung des Ankers des Aktuators identisch ist mit der Bewe- gung des Stellgliedes, besteht die Möglichkeit, die Ankerbewegung und damit die Bewegung des Stellgliedes im Bereich des Aktuators zu erfassen.
Bei einem elektromagnetischen Aktuator mit zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten, deren Polflächen ge- geneinandergerichtet sind und zwischen denen bei abwechselnder Bestromung ein Anker gegen die Kraft von Rückstellfedern hin und her bewegbar geführt ist, können über eine Erfassung von Strom und/oder Spannung an dem jeweils fangenden Magneten bzw. bei der Freigabe des haltenden Magneten Rückschlüsse auf die Ankerbewegung gezogen werden, die bei entsprechender Signalverarbeitung zu Zwecken der Ansteuerung verwertbar sind.
Ein derartiger elektromagnetischer Aktuator wird beispiels- weise als vollvariabler Ventiltrieb zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine eingesetzt. Die gestiegenen Anforderungen an die Genauigkeit der Ansteuerung insbesondere in bezug auf die Beeinflussung der Auf- treffgeschwindigkeit des Ankers auf der Polfläche des jeweils fangenden Magneten, und damit auch der AufSetzgeschwindigkeit des Gaswechselventils auf dem Ventilsitz, lassen eine Bewegungserfassung durch Ableitung aus den Strom- und Spannungsverläufen an den Spulen der Elektromagneten nicht mehr ausreichend erscheinen, da die hieraus gewonnenen Signale erst für den nächstfolgenden Hubtakt umgesetzt werden können. Es besteht daher die Notwendigkeit, mit Hilfe einer entsprechenden Sensorik die Bewegung des Ankers und damit die Bewegung des Stellgliedes "online" über den gesamten Hubweg zu erfassen, so daß aufgrund entsprechender Signale während der Bewegung des Stellgliedes auf den Aktuator über eine entsprechende Ansteuerung des Aktuators, beispielsweise eines elektromagnetischen Aktuators, auf die Bestromung der Elektroma- gnete Einfluß genommen werden kann und die Ankerbewegung noch im laufenden Hubtakt geführt werden kann.
Diese Vorgabe kann mit nur einem wegfühlenden Sensor erfüllt werden, der während der gesamten Hubbewegung ein entsprechendes Signal erzeugt, d. h. den Hubweg "abbildet", wobei wegen der Anforderungen an die Auflösung und Genauigkeit bei Gas- wechselventilen, aber auch an Einspritzdüsen und Nadelventilen wegen der relativ kleinen Hübe Störungen möglichst vollständig von der Sensorik ferngehalten werden müssen. Dies gilt auch für andere Einsatzfälle, bei denen die Bewegung eines hin und bewegten Bauteils, beispielsweise eines Kolbenbe- wegung oder dergl. mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit erfaßt werden muß.
Ein Sensor dieser Art ist aus DE 101 57 119 A im Prinzip vorbekannt, der jedoch eine relativ große Baulänge erfordert, wenn genaue Meßsignale gewünscht werden.
Der Erfindung liegt auf Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zu schaffen, die der vorbekannten Sensoranordnung gleichwertig ist, jedoch eine deutlich geringere Baulänge er- fordert.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die nachstehend noch näher erläuterte Signalerzeugung jeweils durch eine Feldveränderung in den Spulen wird über die sich mit dem Hub ändernde Eintauchlänge des Kurzschlußelementes in die Spule bewirkt. Das Kurzschlußelement muß eine größere Länge als die Spule aufweisen, so daß die Spule je nach Hubposition entweder mit dem elektrisch gut leitenden Material des Kurzschlußelementes oder mit dem elektrisch schlecht leitenden, vorzugsweise magnetisierbaren Material des Sensor- teils ausgefüllt ist. Das Material des Sensorteils kann hierbei hartmagnetisch oder weichmagnetisch sein. Eine derartige Sensoranordnung weist eine deutlich kürzere Baulänge auf und kann beispielsweise so eingesetzt werden, daß bei zwei jeweils mit einem Aktuator abwechselnd betätigbaren Stellglie- dem die Spulen der Sensoranordnung der beiden Aktuatoren in einer Halbbrücke zusammengeschaltet sind, so daß jeweils die Spulenanordnung des nicht betätigten Stellgliedes die Funktion einer passiven Spule übernimmt, d. h. in der Brückenschaltung als Kompensationsspule wirkt. Voraussetzung ist ledig- lieh, daß die Sensoranordnung praktisch gleichen Umgebungseinflüssen, insbesondere gleichen Temperatureinflüssen ausgesetzt sind.
Bei der Anwendung für elektromagnetische Aktuatoren zur Betä- tigung von Gaswechselventilen an einer Kolbenbrennkraftmaschine kann diese Zusammenschaltung in der Weise erfolgen, daß entsprechend der Zündfolge jeweils ein nicht betätigtes und ein betätigtes Gaswechselventil in der Halbbrücke verschaltet wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Spulenanordnung eine aktive Spule mit großer Längserstreckung und — bezogen auf die Bewegungsrichtung des Kurzschlußelementes — endseitig vor und/oder hinter der aktiven Spule eine passive Spule mit kurzer Längserstreckung aufweist, wobei die passive Spule bei der Bewegung des Stellgliedes von keiner Endkante des KurzSchlußelementes überstrichen wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß die sogenannten Passivspulen bei der Bewegung des Stellgliedes keine Feldveränderung erfahren und somit in der Brückenschaltung die Funktion der Kompensations- spulen übernehmen. Da die passiven Spulen, die als Kompensationsspulen dienen, auch nur eine entsprechend kurze Baulänge aufweisen müssen, läßt sich die gesamte Baulänge gegenüber der vorbekannten Sensoranordnung nahezu halbieren. Dabei ergibt sich nur eine geringe, vernachlässigbare Erhöhung der Störanfälligkeit gegenüber äußeren Einflüssen. Die Linearität kann noch durch wickeltechnische Maßnahmen verbessert werden, beispielsweise durch gezielt ungleichmäßiges Wickeln, zusätzliches Kompensationswickeln oder ähnliche Maßnahmen. Bei der Anordnung von zwei passiven Spulen, von denen jeweils eine an jedem Ende der aktiven Spulen zugeordnet ist, sind diese zweckmäßig gleichsinnig gewickelt und in Reihenschaltung miteinander verbunden und als Viertelbrückenelemente mit der aktiven Spule in einer Halbbrücke zusammengeschaltet.
Wird die Spulenanordnung einer derartigen Sensoranordnung mit einem hochfrequentem Wechselstrom beaufschlagt, so wird ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt, das auf das mit dem stab- förmigen Sensorteil verbundene Kurzschlußelement einwirkt und im Kurzschlußelement Wirbelströme erzeugt. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein magnetisches Gegenfeld, das dem ver- ursachenden hochfrequenten Magnetfeld in Form einer Feldverdrängung entgegenwirkt. Die hierdurch bewirkte Feldveränderung der Spule macht sich nach außen durch eine Änderung der Induktivität bemerkbar. Wird nun der stabförmige Sensorteil mit seinem Gegenfeld relativ zur Spulenanordnung bewegt, dann kann über die durch die Feldveränderung veränderte Induktivität in der Spulenanordnung der Weg des Sensorteils und damit der Weg des Stellgliedes über eine entsprechende Auswerteschaltung berührungslos erfaßt werden. Der stabförmige Sensorteil besteht aus einem magnetisch durchlässigen oder einem magnetisch leitenden Material. Das Kurzschlußelement kann durch einen auf den stabförmigen Sensorteil aufgesetzten Kurzschlußring gebildet werden. Statt eines Kurzschlußringes kann der stabförmige Sensorteil aus magnetisierbarem Material auch unterteilt werden und ein stabförmiges, festverbundenes Zwischenstück aus elektrisch leitendem Material vorgesehen sein. Zur Verminderung der Auswirkung von äußeren Störeinflüssen ist ein die Spulenanordnung möglichst weitgehend umschließendes Gehäuse aus einem magnetisch leitenden, aber elektrisch schlecht leitenden Material vorgesehen. Dies ist insbesondere dann bedeutsam, wenn die Sensoranordnung unmittelbar mit dem Aktuator verbunden ist und der Aktuator als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet ist, so daß bei der Betätigung der Elektromagneten des Aktuators entsprechende Störfelder auftreten.
Während es grundsätzlich möglich ist, das Material des Kurzschlußelementes in Form eines Ringes durch Aufdampfen oder dergleichen als dünne Schicht auf den stabformigen Sensorteil aufzubringen, ist es zweckmäßig, wenn das Kurzschlußelement in Form eines Kurzschlußringes eine deutliche Wanddicke aufweist, die vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm liegen kann. Damit kann über eine entsprechende Anpassung der Wanddicke eine gewisse Temperaturabhängigkeit der Sensoranordnung kompensiert werden.
Dies ist insbesondere wichtig bei Sensoranordnungen, die in Verbindung mit Aktuatoren eingesetzt werden, die wechselnden Betriebstemperaturen ausgesetzt sind, beispielsweise Aktuatoren zur Betätigung von Gaswechselventilen an Kolbenbrenn- kraftmaschinen. Bei der bevorzugten Verwendung von Kupfer oder auch Aluminium als Material für das Kurzschlußelement ergibt sich, daß bei gegebener Spannung mit zunehmender Temperatur der spezifische Widerstand des Materials des Kurzschlußelementes ansteigt und dementsprechend die Stärke des magnetischen Gegenfeldes absinkt, bzw. des resultierenden Magnetfeldes ansteigt.
Andererseits wird über das von der Spulenanordnung auf das KurzSchlußelement einwirkende hochfrequente Magnetfeld für die im Kurzschlußelement induzierten elektrischen Ströme ein Skin-Effekt wirksam wird, d.h. die Wirbelströme fließen nur in einer dünnen Schicht am äußeren Rand des Kurzschlußringes . Mit steigender Temperatur nimmt zwar der spezifische elektrische Widerstand des Kurzschlußringes zu; andererseits aber dringen die Wirbelströme dann etwas tiefer in das Material des Kurzschlußringes ein, so daß hierdurch der temperaturbe- dingte Anstieg des spezifischen elektrischen Widerstandes durch einen entsprechend größeren Leiterquerschnitt größtenteils kompensiert wird. Bei begrenzter Dicke des Kurzschlußelementes, insbesondere bei begrenzter Wanddicke des Kurzschlußringes, ist das Eindringen der Wirbelströme mit stei- gender Temperatur begrenzt, so daß die Wirbelströme oberhalb einer gewissen Temperatur abnehmen. Somit kann man mit Hilfe der Dicke des Kurzschlußringes den Temperaturgang des Sensors beeinflussen. Bei geeigneter Wahl der Wanddicke kann man hiermit weitere thermisch bedingte Einflüsse teilweise kom- pensieren, beispielsweise die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität des magnetischen Kern- und Mantelmaterials.
Für die Stromversorgung und Signalerfassung ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Trägerfrequenzmessbrücke vorgesehen, die einen Frequenzgenerator aufweist, wobei die beiden Spulen der Spulenanordnung einen Teil der Messbrücke bilden. Zweckmäßig ist hierbei, wenn der Frequenzgenerator eine hohe Trägerfrequenz beispielsweise in der Größe von 100 kHz erzeugt.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand sche atischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils,
Fig. 2 eine Grundform einer Sensoranordnung in größerem Maßstab im Schnitt, Fig. 3 eine Schaltungsanordnung,
Fig. 4 eine erste Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 2,
Fig. 5 eine zweite Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 2,
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Ausführungsform gem. Fig. 4, 5
Fig. 7 eine dritte Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 2,
Fig. 8 eine Schaltungsanordnung zur Ausführungsform gem. Fig. 7.
Der in Fig. 1 dargestellte elektromagnetische Aktuator wird im wesentlichen gebildet durch zwei Elektromagneten 1 und 2, die von zwei Gehäuseteilen 3.1 und 3.2 umschlossen sind, die ihrerseits über ein als Distanzteil ausgebildetes Gehäuseteil 3.3 im Abstand zueinander angeordnet und mit ihren Polflächen 4 gegeneinander ausgerichtet sind. In dem vom Distanzteil 3.3 umschlossenen Bewegungsraum zwischen den beiden Polflächen 4 ist ein Anker 5 angeordnet, der über einen Führungsbolzen 6.1 in einer Führung 7 hin- und herbewegbar geführt ist.
Der Anker 5 steht über einen Führungsbolzen 6.2, der sich auf dem Führungsbolzen 6.1 im Bereich des Ankers 5 auf diesem abstützt, mit einer Rückstellfeder 8 in Verbindung. Das andere untere freie Ende 9 des Führungsbolzens 6.1 stützt sich hierbei auf einem Stellglied, beispielsweise dem freien Ende des Schaftes 11 eines Gaswechselventils ab, das in dem hier nur angedeuteten Zylinderkopf 12 einer Kolbenbrennkraftmaschine geführt ist. Durch eine Rückstellfeder 13 wird das Gaswechselventil in Schließrichtung (Pfeil 11.1) beaufschlagt, wobei die Rückstellfeder 13 und die Rückstellfeder 8 in ihrer Kraftrichtung gegeneinander gerichtet sind, so daß bei stromlos gesetzten Elektromagneten der Anker 5 entsprechend seine Ruheposition zwischen den beiden Polflächen 4 der beiden Elektromagneten 1 und 2 einnimmt, wie dies in Fig. 1 darge- stellt ist.
Die Gehäuseteile 3.1 und 3.2 der beiden Elektromagneten umschließen jeweils einen vorzugsweise quaderförmigen Jochkör- per 14, die mit Ausnehmungen versehen sind, in die eine ringförmig ausgebildete Spule 15 eingelegt ist, die jeweils über eine hier nicht näher dargestellte Steuereinrichtung zum Öffnen und Schließen des Gaswechselventils abwechselnd bestrom- bar sind.
An dem dem Gaswechselventil abgekehrten Ende des Aktuators ist eine Sensoranordnung 16 vorgesehen, die im wesentlichen aus einem stabformigen Sensorteil 17, beispielsweise eine sogenannte Meßstelze gebildet wird, die praktisch eine Verlän- gerung des Federbolzens 6.2 darstellt. Der stabförmige Sensorteil 17 ist von einer Spulenanordnung 18 umschlossen, die mit einer Spannungsversorgung und Signalerfassung 19 verbunden ist. Im Betrieb wird durch die Hin- und Herbewegung des stabformigen Sensorteils 17 in der Spulenanordnung 18 je nach Schaltungsanordnung und Ausgestaltung der Sensoranordnung ein Wechselstrom bzw. eine Wechselspannung erzeugt, die proportional zum Weg des Sensorteils und damit proportional zum Weg des Ankers 5 ist. Durch einen direkten Abgriff kann hier der Ankerweg als Signal erfaßt werden und durch eine Differenzie- rung des Wegsignals kann ein geschwindigkeitsproportionales Signal erzeugt werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Grundausführung für eine Sensoranordnung besteht im wesentlichen aus dem stabformigen Sensor- teil 17, der von der Spulenanordnung 18 umfaßt ist, die über entsprechende Zuleitungen 20, 21, 22 mit der Spannungsversorgung und Auswerteeinrichtung 19 verbunden ist. Bei dem näher dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Spulenanordnung nur eine Spule 18.1 auf.
Der dargestellte stabförmige Sensorteil 17 ist mit einem Kurzschlußelement 23 in Form eines Ringes bzw. einer Hülse aus einem elektrisch leitendem Material mit geringem Ohmschen Widerstand, einem sogenannten Kurzschlußring versehen. Der Kurzschlußring 23 weist zwei Endkanten 23.1 und 23.2 auf, wobei seine Längserstreckung in Bewegungsrichtung so bemessen ist, daß nur eine Endkante, hier die Endkante 23.1, die für eine Mittelstellung der Stellgliedes zwischen den beiden Endlagen I und II des Gesamthubes h dargestellt ist, die Spule 18.1 überstreicht. In der Endstellung I ist die Spule 18.1 praktisch vollständig durch das Material des Kurzschlußele- mentes abgedeckt, während in der Endstellung II die Spule
18.1 praktisch vollständig mit dem magnetisch leitenden Material des stabformigen Sensorteils ausgefüllt ist. Die Induktivität der Spule 18.1 ändert sich proportional zur Verschiebung der Endkante 23.1 im Verhältnis zur Spulenlänge.
Eine derartige Sensoranordnung arbeitet nach dem Wirbelstromprinzip. Wird die Spulenanordnung 18 mit einem hochfrequentem Wechselstrom beaufschlagt, so daß ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt wird, dann werden im Kurzschlußring 23 elektri- sehe Spannungen induziert, die durch den Kurzschluß in Wirbelströme umgewandelt werden. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein magnetisches Gegenfeld, daß dem verursachenden hochfrequenten Magnetfeld der Spulenanordnung 18 in Form einer Feldveränderung entgegenwirkt. Bei einer Bewegung des stabformigen Sensorteils 17 macht sich die Richtung und der Weg der Feldveränderung relativ zur Spulenanordnung nach außen durch eine Änderung der Induktivität bemerkbar, die von der Bewegung des stabformigen Sensorteils 17 abhängig ist, so daß hierdurch die Position und damit der Weg des Sensorteils 17 über ein entsprechendes Signal erfaßt werden kann. Die Spulenanordnung 18 ist von einem Gehäuse 24 bis auf Durchtrittsöffnungen 25 für den stabformigen Sensorteil 17 allseitig umschlossen, das Gehäuse 24 besteht hierbei aus einem magnetisch gut leitendem Material, das jedoch schlechte elektrische Leiteigenschaften aufweist und dient als Abschirmung für die Spulenanordnung 18 gegenüber der Einwirkung von äußeren Magnetfeldern. Die Spule 18.1 kann beispielsweise im Gehäuse 24 mit Vergußmasse festgelegt sein.
Der Kurzschlußring 23, der aus einem elektrisch gut leitendem Material hergestellt ist, zweckmäßigerweise aus Kupfer oder aus Aluminium, weist eine Dicke auf, die beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt. Bei der hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kurzschlußring 23 in ei- ner Nut 23.3 im stabformigen Sensorteil 17 eingesetzt. Der stabförmige Sensorteil 17 kann hierbei unmittelbar durch das zu betätigende Stellglied gebildet werden, beispielsweise eine Düsennadel an einer Einspritzdüse oder aber auch durch den Schaft eines Gaswechselventils, so daß der stabförmige Sen- sorteil 17 die Spulenanordnung mit seiner ganzen Länge durchsetzt, oder durch einen entsprechenden Bolzen des Aktuatoran- kers oder einer mit diesem verbundenen Meßstelze. Die Erstreckung des Kurzschlußelementes, hier des Kurzschlußringes 23 in Bewegungsrichtung, entspricht bei der Ausführungs- form gem. Fig. 2 mindestens der Länge der Spulenanordnung.
In Fig. 3 ist für die Ausführungsform gem. Fig. 2 schematisch eine Schaltung für die Meßwerterfassung in Form einer Trägerfrequenzmeßbrücke dargestellt. Die beiden Spulen 18.1a und 18.1b der Spulenanordnungen 18 von zwei Sensoranordnungen sind mit zwei weiteren Impedanzen, beispielsweise Spulen 18.3 und 18.4 zu einer Trägerfrequenzmeßbrücke 29 zusammengeschaltet. Die Brücke 29 wird über einen Frequenzgenerator 30 mit einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt.
Wird nun der jeweils aktive stabförmige Sensorteil mit seinem Kurzschlußring relativ zu seiner Spule, beispielsweise der Spule 18.1a- der Brücke 29 bewegt, dann erfolgt eine Feldveränderung. Hierdurch wird eine "Verstimmung" der Brücke 29 bewirkt, die über einen Verstärker 31 und Bandpaßfilter 32 erfaßt werden kann. Mittels Gleichrichter 33, der phasenselektiv sein kann, und Tiefpaßfilter 34 kann dann ein Signal erzeugt werden, das für die Zwecke einer Steuerung, beispielsweise der Ansteuerung der Gaswechselventile verarbeitet werden kann. Die andere, passive Spule 18.1b am "ruhenden" Stellglied wirkt dann als Kompensationsspule.
Mit einer Schaltung gem. Fig. 3 ist es möglich, unter Ausnutzung der geringen Bauhöhe einer Sensoranordnung gem. Fig. 2, jeweils zwei Aktuatoren mit ihrer Sensoranordnung in einer gemeinsamen Brücke zu verschalten. Voraussetzung ist ledig- lieh, daß die beiden Stellglieder so betätigt werden, daß sich jeweils ein Stellglied in Ruhe befindet, während das andere Stellglied betätigt wird. Damit bildet jeweils die Spulenanordnung des "ruhenden" Stellgliedes die Kompensationsspule der Schaltung, während jeweils die Spule des "bewegten" Stellgliedes die aktive Spule darstellt. Die jeweils passive Spule dient zur Ergänzung der Viertelbrücke zu einer Halbbrücke und wird dann zur Störkompensation genutzt. Voraussetzung ist lediglich, daß die zugeordneten Wegsensoren annähernd gleichen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, bei- spielsweise die gleiche Temperaturlage aufweisen.
In Fig. 4 ist eine Abwandlung der Spulenanordnung gem. Fig. 2 dargestellt, bei der im Gehäuse 24 auf einem Spulenträger 27 aus einem magnetisch durchlässigen Isoliermaterial eine "lan- ge" aktive Spule 18 und eine demgegenüber deutlich kürzere passive Spule 26 gewickelt ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Spule 26 in einem Bereich angeordnet, der außerhalb des durch die Endkante 23.1 überstri- chenen Hubbereiches h liegt, so daß bei einer Bewegung des stabformigen Sensorteils 17 die passive Spule 26 immer nur vom magnetisch leitenden Material des Sensorteils 17 überstrichen wird. Die Spule 26 ist mit dem Eingang 22 der aktiven Spule 18 verschaltet, so daß sich die in Fig. 6 wiedergegebene Brückenschaltung ergibt.
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 4, bei der die kurze passive Spule 26 wiederum außerhalb des durch die Endkante 23.1 überstrichenen Hubbereichs h liegt, in diesem Falle aber immer nur vom elektrisch leitenden Mate- rial des Kurzschlußelementes 23 überstrichen wird. Auch hierfür gilt die Schaltungsanordnung gem. Fig. 6.
In Fig. 7 ist eine Kombination der beiden Ausführungsformen gem. Fig. 4 und 5 dargestellt, bei der jeweils außerhalb des Hubbereichs h zwei kurze passive Spulen 26.1 und 26.2 angeordnet sind, die, wie Fig. 7 zeigt, miteinander in Reihe geschaltet sind und in der dargestellten Weise mit einer Zuleitung der aktiven Spule 18 verknüpft sind. Die zugehörige Schaltungsanordnung ist in Fig. 8 dargestellt.
Während bei den dargestellten Ausführungsformen das Kurzschlußelement 23 als Kurzschlußring ausgebildet ist, ist es auch möglich, den stabformigen Sensorteil 17 in Teillängen zu teilen. Dazwischen ist dann ein stabförmiges Zwischenstück beispielsweise aus Kupfer durch Schweißen, Löten oder dergleichen mit diesen beiden Teillängen fest verbunden. Dieses Zwischenstück bildet das Kurzschlußelement 23. Die Erstrek- kung in Bewegungsrichtung entspricht wiederum mindestens der Länge der aktiven Spule 18.1.

Claims

Ansprüche
1. Sensoranordnung zur Erfassung eines durch einen Aktuator bewegbaren Stellgliedes, insbesondere eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, mit einer feststehenden, wenigstens eine Spule (18.1; 26) aufweisenden Spulenanordnung (18), die auf ihrem Außenumfang von einem Gehäuse (24) aus magnetisch leitendem, aber elektrisch schlecht leitenden Material umschlossen ist und die mit einer Stromversorgung und Signalerfassung (19) in Verbindung steht, und mit einem axial bewegbaren stabformigen Sensorteil (17) aus einem vorzugsweise magnetisierbaren Material, das mit dem axial hin und her bewegbaren Stellglied in Verbindung steht und das mit einem in Längsrichtung durch zwei Endkanten (23.1, 23.2) begrenzten Kurzschlußelement (23) aus einem elektrisch leitendem Material mit geringem Ohmschen Widerstand versehen ist, dessen Erstreckung in Bewegungsrichtung so bemessen ist, daß nur ei- ne Endkante (23.1) des Kurzschlußelementes (23) sich während der Hin- und Herbewegung im Hubbereich (h) immer innerhalb der Spulenanordnung (18) befindet.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (18) eine aktive Spule (18.1) und - bezogen auf die Bewegungsrichtung des Kurzschlußelementes (23) - endseitig vor und/oder hinter der aktiven Spule (18.1) eine passive Spule (26) mit kurzer Längserstreckung aufweist, die bei der Bewegung des Stellgliedes von keiner Endkante des Kurzschlußelementes (23) überstrichen wird.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anordnung von je einer passiven Spule (26.1, 26.2) an den Endseiten der aktiven Spule (18.1) das Kurz- Schlußelement (23) so bemessen ist, daß bei der Bewegung innerhalb des Hubbereichs (h) die eine passive Spule (26.1) nur vom elektrisch schlecht leitenden Material des Sensorteils (17) und die andere Spule (26.2) nur vom elektrisch leitenden Material des Kurzschlußelementes (23) überstreichen wird.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden passiven Spulen (26.1, 26.2) gleichsinnig gewickelt und in Reihenschaltung miteinander verbunden und als Viertelbrückenelemente mit der aktiven Spule (18.1) in einer Halbbrücke zusammengeschaltet sind.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die aktive Spule (18.1) gezielt ungleichmäßig bewickelt ist.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Kurzschlußelementes (23) mindestens der Länge der Spulenanordnung (18) entspricht.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Kurzschlußelementes (23) so bemessen ist, daß Temperatureinflüsse auf die Sensoranordnung weitgehend kompensiert werden.
8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei jeweils mit einem Aktuator betä- tigbaren Stellgliedern, die abwechselnd betätigt werden, die aktiven Spulen (18.1a, 18.1b) der den beiden Aktuatoren zugeordneten Sensoranordnungen in einer Halbbrücke zusammengeschaltet sind, so daß jeweils die Spulen (18.1a, 18.1b) des nicht betätigten Aktuators die Funktion einer passiven Spule übernehmen.
9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stromversorgung und Signalerfassung einer Trägerfrequenzmessbrücke vorgesehen ist, wobei die aktive Spule (18.1) und die passive Spule (26) der Spulenanordnung (18) einen Teil der Messbrücke (29) bilden.
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